Cómo instalar baterías de litio para barcos

Con las demandas de energía cada vez mayores en los yates de crucero actuales, Duncan Kent analiza las baterías de litio para barcos y explica lo que se necesita para garantizar un sistema seguro y sin problemas.

Aquellos que navegan mucho, como los cruceros de aguas azules, se beneficiarán de la capacidad adicional de las baterías de litio para barcos, alimentadas por varias fuentes.

Cómo instalar baterías de litio para barcos

Para los yates de crucero en aguas azules, la solución moderna a la creciente demanda eléctrica es instalar un banco de baterías de iones de litio, especialmente si se planea eliminar el uso de GLP para cocinar.

Sin embargo, las instalaciones de iones de litio pueden ser complejas y problemáticas y, si no se realizan correctamente, pueden suponer un grave riesgo de incendio.

En primer lugar, el único tipo de química de celdas de iones de litio que actualmente se recomienda como seguro para su uso a bordo de un barco es el fosfato de hierro y litio (LiFePO4), generalmente abreviado como LFP.

Estas celdas son prácticamente a prueba de fuego en sí mismas, ya que han sido probadas exhaustivamente por las autoridades contra incendios en varios países, aunque aún pueden causar un incendio (al igual que cualquier batería) si se instalan o usan incorrectamente.

Las baterías de litio para barcos hacen posible la cocción por inducción a bordo

Se desaconseja encarecidamente el uso de mezclas de iones de litio para automóviles con elementos como níquel, cobalto y manganeso en un barco, ya que son mucho más propensos a sufrir una "fuga térmica" si fallan.

Esto descarta efectivamente el uso de baterías viejas de automóviles eléctricos, ya que no existe una forma real de transferir el mismo complejo sistema de protección para el que fueron diseñadas originalmente.

Los yates de propulsión eléctrica suelen tener un sistema de mayor voltaje (normalmente 48 V, 72 V o 96 V), que necesita un sistema de control diseñado con mucho cuidado.

Para estos fines, resulta tentador incorporar celdas de iones de litio de mayor densidad energética, como el litio-cobalto (LiCoO2), pero esto requeriría un diseño e instalación profesionales y sería muy costoso.

Además, si no puedes asegurar tu embarcación con este tipo de batería instalada, ¿por qué lo harías?

Los principales beneficios de las baterías LFP son que aceptan una recarga muy rápida y de alta corriente, y se pueden descargar hasta casi vaciarlas sin necesidad de recargarlas periódicamente al 100 % del estado de carga (SoC), como ocurre con las baterías de plomo. -Baterías ácidas (LA).

De hecho, están más contentos con tener entre un 20 % y un 80 % de SoC la mayor parte del tiempo. Incluso puede descargar LFP por completo sin causarles ningún daño, aunque la mayoría de los sistemas de gestión de batería (BMS) integrados los apagarán a unos 12 V, lo que equivale a alrededor del 10 % de SoC.

La fuga térmica y el incendio son el riesgo de las baterías de litio para barcos mal instaladas. Crédito: Alamy Foto de stock

Lo mismo cuando están completamente cargados: el BMS debería apagar la fuente de carga automáticamente alrededor de 14,2 V para evitar que se sobrecarguen.

Las baterías LFP también proporcionarán una cantidad mucho mayor de ciclos de carga que la batería LA de capacidad equivalente y, finalmente, también son considerablemente más livianas que cualquier tipo de batería LA, lo que puede marcar una gran diferencia en el equilibrio y el rendimiento de un velero.

Con la capacidad de aceptar y descargar corrientes muy altas, cualquier cableado y protección de circuito asociados para las baterías LFP deben estar a la altura de la tarea y adaptarse a sus necesidades.

Todos los bancos LFP requieren un sistema integral de administración de baterías que ofrezca protección contra polaridad inversa, equilibrio de celdas individuales, limitación de voltaje y corriente de carga, administración y desconexión de emergencia, detección de temperatura de la batería y el alternador, limitación y administración de corriente de descarga, además de alarmas visuales/audibles.

También vale la pena señalar que, con muchas marcas de las llamadas baterías LFP 'drop-in' (aquellas con un BMS integral), no siempre es posible unir más de dos en serie o en paralelo para formar un banco más grande.

El plomo ácido sigue siendo la opción preferida para las baterías de arranque, ya que los sistemas de gestión de baterías LFP pueden evitar una producción suficientemente rápida. Crédito: Graham Snook/Yachting Monthly

Si necesita mayor capacidad, a menudo es mejor construir un banco personalizado a partir de celdas individuales de 3,2 V y conectar un único BMS externo para controlar todo el banco simultáneamente.

Si planea construir su propio banco de baterías a partir de celdas individuales, entonces necesitará comprar celdas nuevas de grado A.

Muchas de las compras económicas en línea desde China son celdas usadas, a menudo reemplazadas por un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) de un banco de almacenamiento de datos o similar.

Aunque puede que tengas suerte, realmente no vale la pena apostar, ya que devolverlos será prácticamente imposible.

Agregar baterías de litio para barcos es más complicado que un simple cambio

Idealmente, se habrá probado la capacidad de las celdas y llegarán a un nivel de voltaje muy similar, pero aún así necesitarás equilibrarlas inicialmente para estar seguro.

Aunque es posible, no es aconsejable utilizar LFP para el arranque de motores o el funcionamiento del molinete de ancla y de la hélice de proa. La mayoría no funcionará de todos modos, ya que un consumo de corriente intenso e instantáneo que estos dispositivos exigen a menudo puede exceder el umbral de salida de su BMS.

El elemento de una instalación LFP que genera mayor preocupación es cómo configurar el sistema de forma segura para la carga.

Como ocurre con la mayoría de las cosas en un barco, hay elecciones personales y decisiones prácticas a considerar, y muchas de ellas variarán según el tamaño y el tipo de embarcación.

Las baterías LFP tienen una resistencia muy baja en comparación con los tipos de plomo-ácido (LA), lo que les permite cargarse y descargarse a una velocidad mucho mayor, incluso hasta 1 C (1 x capacidad, o 100 A para una batería de 100 Ah).

Sin embargo, generalmente se cargan entre 0,5 C y 1,0 C hasta que la corriente de carga cae entre 0,015 C y 0,03 C, cuando la carga debe cesar para no sobrecargar las celdas.

Construir su propia batería a partir de celdas individuales de 3,2 V con un sistema de gestión de batería externo le permitirá crear un banco más grande

Algunos fabricantes incluso recomiendan dejar de cargar a 0,1 °C para reducir aún más el estrés de las células y prolongar su vida útil.

A diferencia de las baterías LA, el SoC no se puede determinar únicamente por el voltaje de la batería, ya que este puede alcanzar su punto máximo cuando la batería LFP está solo a media carga.

Además, una batería LFP de 12,8 V completamente cargada tiene un voltaje en reposo de entre 13,4 V y 13,6 V, muy por encima de los 12,7 V de una batería de plomo-ácido normal. Al 20%, SoCit seguirá leyendo 13 V, cuando una batería de Los Ángeles estará a 11,8 V.

Una de las áreas más confusas de una actualización de LFP es cómo configurar la carga del alternador para adaptarla a su instalación y a cualquier equipo existente que desee conservar.

Como una batería LFP tiene una resistencia interna muy baja, extraerá tanta corriente del alternador como pueda y, si se le permite hacerlo sin control, sobrecalentará los devanados del alternador, destruyéndolos en unos minutos.

Si deja una batería de arranque del motor de Los Ángeles conectada directamente a la salida del alternador e incorpora un relé de detección de voltaje (VSR) para cargar el banco de ocio del LFP (como lo haría normalmente con un banco de baterías doméstico de Los Ángeles), es muy probable que sobrecargue el alternador. VSR o ambos.

Los bancos más grandes necesitan sistemas de gestión de baterías externos

De hecho, incluso si el VSR sobreviviera a este escenario, no funcionaría como debería debido al mayor voltaje en reposo de los LFP, lo que obligaría al relé a permanecer activado permanentemente.

Una solución recomendada es instalar un regulador de alternador inteligente externo, que tendrá sensores de temperatura del alternador y de la batería instalados y limitará la carga en consecuencia para garantizar que el alternador se mantenga dentro de su rango de temperatura de funcionamiento, al tiempo que permitirá que la mayor cantidad de carga posible llegue al LFP de forma segura. banco.

Una alternativa, popular por su simplicidad, es enviar la carga del alternador directamente a la batería de arranque, pero luego instalar un cargador DC-DC (B2B) entre ésta y el banco interno de LFP.

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La principal ventaja de este método es que un cargador CC-CC limitará la corriente que se extrae de la batería de arranque y, por tanto, del alternador, al tiempo que garantiza que los parámetros de carga de salida sean totalmente compatibles con el banco interno de LFP.

También significa que los diodos del alternador están protegidos si el LFP BMS se apaga por cualquier motivo, ya que puede continuar cargando la batería de arranque normalmente, y un cargador CC-CC también es considerablemente más barato que un regulador inteligente.

El único inconveniente real es que la carga que va al banco se limitará a la salida máxima del cargador DC-DC, aunque esto se puede superar instalando más de un cargador DC-DC en paralelo si se requiere una corriente de carga total mayor.

Existe un método de "poco consumo" con el que me he encontrado recientemente, a menudo llamado "regulación de cable largo".

Implica conectar el alternador (con regulador incorporado estándar) directamente al banco LFP y luego regular la cantidad de corriente consumida ajustando el tamaño y la longitud del cable, utilizando la ley de Ohm para calcular la resistencia requerida para reducir la corriente de carga. de modo que esté dentro de los límites de carga de trabajo segura del alternador.

Si navegas en climas fríos, ten cuidado, las baterías de litio de los barcos no aceptarán carga cuando estén por debajo de 0°C.

Si bien esta teoría funciona, el uso de un cable como resistencia calentará el cable y las instituciones eléctricas marinas profesionales no lo recomiendan y, sin duda, las compañías de seguros lo desaprobarían en caso de un incidente.

Un problema con las baterías LFP de tipo "directo" es que una vez que el BMS decide que la batería está completamente cargada, simplemente desconectará la fuente de carga.

Si se trata de un cargador solar o DC-DC, estará bien. Pero si se trata de su alternador, al cortar instantáneamente la carga, sin duda se quemarán sus diodos de salida.

Por último, cabe señalar que las baterías LFP no aceptan carga a 0°C o menos.

Por lo tanto, si la caja de la batería cae regularmente a esas temperaturas, deberá colocarlas sobre almohadillas térmicas para mantenerlas a 5°C o más.

Un cargador DC-DC puede conectar baterías de litio y plomo-ácido

Esto resultará en cierto consumo de energía, pero al menos aceptarán una carga.

También hay un aspecto físico importante a tener en cuenta al realizar la conversión a baterías LFP.

Debido a que las tasas de carga más altas supondrán una carga más pesada para su alternador, deberá asegurarse de que su correa de transmisión esté a la altura del trabajo.

Asegúrate de que sea el tipo correcto de correa, que esté en buenas condiciones y correctamente tensada.

Una correa trapecial estándar sólo es suficiente para alternadores con potencia nominal de hasta 75 A.

Por encima de esto, deberá convertir a una correa y poleas de alta resistencia, como la transmisión por correa serpentina multicanal.

Debido a la capacidad del LFP para aceptar una carga masiva de corriente elevada, algunos propietarios optan por cargarlo exclusivamente con energía solar.

Esto funciona bien, de todos modos en climas razonablemente soleados, ya que puede inyectar tanta energía en el banco como la que producirán los paneles durante la parte más productiva del día.

Los paneles solares funcionan bien con las baterías de litio para barcos, ya que pueden almacenar altas tasas de carga máxima y no desperdician energía solar como lo hacen las baterías de plomo-ácido de carga más lenta. Crédito: Richard Langdon

También significa que el BMS puede simplemente apagar los paneles fotovoltaicos sin sufrir daños cuando las baterías hayan alcanzado su SoC previo.

La desventaja obvia si navegas durante todo el año es la escasez de sol en invierno.

En este caso, le recomendaría agregar carga por alternador a través de un cargador CC-CC o tener a bordo un pequeño generador portátil y un cargador de red compatible con LFP para esos días cortos y nublados de invierno.

La mayoría de los cargadores de baterías marinas modernos ahora vienen con un régimen de carga LiFePO4 incorporado para garantizar que los voltajes de carga se mantengan dentro de los parámetros correctos.

Como los LFP odian que los carguen continuamente, incluso en modo flotante, el uso de un cargador compatible con LFP les permite dejarlos desatendidos de forma segura.

Un controlador de carga solar MPPT decente le ayudará a aprovechar al máximo su energía solar

Sin embargo, es posible utilizar un cargador de batería LA estándar de una sola etapa en modo AGM, siempre que controle constantemente el estado de las baterías y desconecte el cargador inmediatamente cuando se alcance el SoC deseado o el voltaje máximo (definitivamente no superior a 14,6 V). 14,2 V es más seguro).

Una función vital para comprobar si se utiliza un cargador de energía costera que no sea LFP es si está configurado para realizar un ciclo automático de desulfatación (ecualización), en el que el voltaje de carga aumenta a 15,5 V o más durante varias horas.

Esto debe desactivarse ya que destruirá las células LFP si se activa.

Después de años de advertir a los navegantes que nunca mezclaran diferentes químicas de baterías en un solo banco, los "expertos" proclamaron que, en el caso de LA/LFP, ocurre lo contrario y que un banco híbrido LA/LFP es perfectamente seguro e incluso puede ofrecer lo mejor de ambos mundos.

No estamos hablando aquí de una división 50/50 LA/LFP, sino más bien de una única LFP para aumentar la capacidad de un banco propio existente en Los Ángeles.

La teoría detrás de esto es que la batería de LA modula los excesos del LFP, mientras se mantiene en óptimas condiciones.

RELION es un buen ejemplo de batería LFP con BMS interno

La batería LFP, que simplemente se conecta en paralelo con el banco interno de Los Ángeles, aceptará la mayor parte de cualquier carga hasta que alcance el umbral de voltaje superior preprogramado en el BMS (generalmente configurado en alrededor del 90% de SoC).

En este punto, el BMS cerrará el cargo al LFP y el banco de Los Ángeles continuará cobrando solo.

Al descargarse, el LFP naturalmente se drenará primero hasta que su voltaje alcance los 12,8 V, momento en el cual los LA también comenzarán a suministrar energía.

Una vez que el banco cae por debajo del umbral de bajo voltaje BMS del LFP, simplemente se apaga y deja que las baterías LA continúen funcionando normalmente.

El objetivo de un sistema híbrido de este tipo es que las baterías LA tienen mucho menos trabajo que hacer y la batería LFP las mantiene recargadas permanentemente.

También significa que los diodos del alternador están seguros cuando el BMS se apaga mientras la carga se transfiere al banco de Los Ángeles.

A pesar de que varios electricistas marinos cualificados han probado y demostrado que esta idea funciona de forma segura, tanto la Organización Internacional de Normalización (ISO) como el American Boat and Yacht Council (ABYC) han declarado que mezclar productos químicos de baterías como Li-ion y LA es no recomendado y no será aprobado para la certificación.

Considere si la energía en tierra es parte de su régimen de carga habitual

Es esto último lo que los proveedores de seguros marítimos tendrán en cuenta al formular sus pólizas.

Sólo confiaríamos en las baterías LFP en un barco. Otras baterías de iones de litio disponibles actualmente simplemente no son adecuadas para el entorno marino.

Sin embargo, le recomendamos que considere instalar un banco de baterías domésticas LFP la próxima vez que actualice, ya que los beneficios de una carga rápida, una mayor capacidad utilizable, una vida útil más larga y la posibilidad de dejarlas a media carga durante períodos prolongados superan con creces el ligero aumento en la carga inicial. coste y la necesidad de cambiar algunos aspectos del sistema de tarificación.

También recomendamos instalar instalaciones de carga solar, por pequeñas que sean, ya que funcionan de la mano con las células LFP, incluso en los climas menos soleados del Reino Unido.

Cada barco es diferente, dependiendo del equipamiento, las cargas eléctricas previstas y el tipo de uso.

Vale la pena buscar el consejo de un profesional antes de seguir adelante y añadir una batería de litio a su embarcación.

Hay mucho más que un simple intercambio.

Los tres métodos de instalación más comunes que utilizan arranque de motor LA y baterías domésticas LFP son:

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