LADDNING

Litiumbatterier är lättare att ladda eftersom de kan kallas vara "allätare". De flesta tillverkare av litiumbatterier anger att de bör laddas med så kallad "CC-CV"-teknik för att uppnå bästa resultat. Det betyder att laddningsförloppet skall ge konstant ström under större delen av laddförloppet och att laddningen avslutas med konstant spänning och avtagande ström. Det innebär att de kan laddas med både liten och stor ström. Med liten ström menas att det kan ta upp 10 timmar att ladda dem fulla och med stor menar vi så stor laddström som maximalt rekommenderas av tillverkaren. Maximal laddström anges som regel till 1C. 1C är den ström som krävs för att ladda batteriet fullt på en timme medan 0,1C är den ström som krävs för att ladda batteriet fullt på 10 timmar. För båtägaren är det oftast intressant att veta hur snabbt de kan laddas så att vi kan använda motorns generator optimalt. En normal generator är mycket väl lämpad som laddare. Våra litiumbatterier trivs utmärkt med en laddning som regleras av den spänningsregulator som redan sitter i generatorn. Bäst fungerar det dock om regulatorns slutspänning är 14,4 Volt. Det kan behöva göras förbättringar i ett äldre elsystem för att helt tillgodogöra sig de möjligheter till "snabbladdning" som litiumbatterier erbjuder.

ORDLISTA

LiFePO4 = Litiumjärnfosfat, kemisk benämning för tekniken i de litiumbatterier vi säljer.

Kapacitet = Anges oftast i Ah (Amperetimmar) men ibland även i Wh (Wattimmar). Vi anger kapaciteten i Ah vid urladdning från 14,6 Volt ned till 12,0 Volt. För enkelhetens skull kan vi säga att medelspänningen under urladdningsförloppet är ca 13 volt, då blir kapaciteten för ett 40 Ah-batteri ca 520Wh (13V x 40A = 520Wh).

Cyklingstålighet = Det antal i- och ur-laddningar som ett batteri kan genomgå under gynnsamma omständigheter utan att kapaciteten minskar mer än 20 %. Till exempel visar standarden "SS-EN 60896-21, utg 1:2004" detaljer om hur detta kan provas.

Verkningsgrad = 90% för våra litiumbatterier (mätt vid 0,7C). Enkelt uttryckt är det ett mått på batteriets energieffektivitet räknat i procent. Hög verkningsgrad innebär låga inre förluster och vice versa. Naturligtvis inkluderas här inte förluster i kablar och kopplingar utan mäts direkt på batteriet. Förlusterna resulterar i värmeutveckling inuti batteriet. En intern temperaturstegring vid snabba i och urladdningsförlopp ökar slitaget på batteriet (temperaturspänningar och materialåldring). De låga inre förlusterna bidrar därför till den långa livslängden. Vidare bör påpekas att en låg verkningsgrad i batteriet gör att det dessutom tar längre tid att ladda batteriet givet övriga faktorer är lika. Emellanåt anges verkningsgraden för dessa batterier till 99%. Det gäller förhållandet mellan iladdad och urladdad strömmängd (Ah).

BMS = Battery Management System: Elektronisk krets för att utöka livslängden på litiumbatterier. Den kan t.ex bryta strömmen vid risk för djup urladdning av batteriet. I vårt system utgörs BMS av batterivakten och generatorns regulator.

Matchade celler = De litiumbatterier vi säljer byggs av vad som kallas matchade celler. Varje cell har en polpänning på ca 3 volt 4 celler seriekopplas och monteras i en yttre kapsling (det gula höljet). Eftersom cellerna, som på grund av tillverkningstoleranserna, har något olika egenskaper kommer de normalt att ansträngas olika mycket vid i och urladdning. Matchning av cellerna innebär att dessa sorteras innan montering. Därefter byggs batteriet av celler som har mycket homogena egenskaper inbördes. Resultatet blir ett batteri med förbättrad livslängd tack vare att de enskilda cellerna belastas symmetriskt. Ett batteri byggt av matchade celler behöver ingen intern cellbalansering. Att matcha cellerna i ett batteri ställer högre krav på tillverkningsprocessen men ger en mer driftsäker slutprodukt. Vi rekomenderar dock att man använder en batterivakt.

Cellbalansering = System för att utjämna spänningen över de enskilda cellerna för att förbättra livslängden i ett batteri byggt av celler med olika egenskaper (ej matchade).

DU BEHÖVER INGET SEPARAT STARTBATTERI

Med vår tillförlitliga batterilösning i båten behöver du inte längre ett separat startbatteri. Det gamla tänket om ökad säkerhet med ett separat startbatteri ersätter vi med en batterivakt. Batterivakten ser till att dina elförbrukare kan nyttja nästan hela energin i din batteribank men lämnar också gott om kraft kvar för säkra motorstarter.

När vi gör installationer möter vi ofta på elsystem som kan förenklas. Med färre kopplingspunkter och ofta kortare kabeldragning minskar förlusterna och tiden du behöver ladda. Detta ger särskilt stora fördelar med våra batterier då dessa tar emot stora laddströmmar betydligt bättre än blybatterier. Vi förordar EN batteribank för både start och förbrukning men även för eventuell bogpropeller.

Det blir också billigare utan ett extra batteri för start som bara används till någon procent.

PROJEKT HARRIET

För att göra teori till praktik har vi genomfört ett projekt som utgår från de praktiska förutsättningar som råder i segelbåten Harriet. Harriet används både för kappsegling och semestersegling med de behov av elektrisk energi ombord som en besättning på 5-6 personer har. Harriet är en X-119 byggd 1993, hon har en 18hk dieselmotor med 100A-generator, kylskåp, värmare, elektriska pentry- och toa-pumpar, 10´-plotter och en del andra elförbrukare. Tack vare framförallt allt litiumbatteriernas egenskaper gick detta att lösa. Idag räcker en halv timmes motorgång för att ladda ett dygns förbrukning.

Energibudget

Det är viktigt att känna till behovet av elektrisk energi ombord. Man kan räkna i antingen amperetimmar (Ah) eller watt-timmar (Wh) beroende på vilket man föredrar men vi valde det senare. Vi skall här inte gå in på hur vi genomförde detta, det finns fullt av information om det på nätet. Vi kom dock fram till att vi gör av med ca 550 Wh per dygn och det är då nödvändigt att även tillföra batteribanken denna energi.

Laddning

Vi skulle kunna använda solceller, vindgenerator, motorns generator eller landström för att återladda batterierna. I Harriets fall valde vi att endast ladda med hjälp av motorns generator. Skälen till detta, våra högst personliga preferenser var att slippa ha solceller på rufftaket, slippa surret från en vindsnurra men även vara oberoende av eventuell landström. Vi ville också hålla systemet så enkelt som möjligt.

Det nya systemet

Den gamla batteribanken på sammanlagt 240Ah (170 Ah förbrukning och 70Ah för start, sammanlagd vikt 67kg) monterades ur och en ny batteribank bestående av 3 st. 40Ah litiumjonbatterier installerades.

Energibudget

Det är viktigt att känna till behovet av elektrisk energi ombord. Man kan räkna i antingen amperetimmar (Ah) eller watt-timmar (Wh) beroende på vilket man föredrar men vi valde det senare. Vi skall här inte gå in på hur vi genomförde detta, det finns fullt av information om det på nätet. Vi kom dock fram till att vi gör av med ca 550 Wh per dygn och det är då nödvändigt att även tillföra batteribanken denna energi.

Laddning

Vi skulle kunna använda solceller, vindgenerator, motorns generator eller landström för att återladda batterierna. I Harriets fall valde vi att endast ladda med hjälp av motorns generator. Skälen till detta, våra högst personliga preferenser var att slippa ha solceller på rufftaket, slippa surret från en vindsnurra men även vara oberoende av eventuell landström. Vi ville också hålla systemet så enkelt som möjligt.

Det nya systemet

Den gamla batteribanken på sammanlagt 240Ah (170 Ah förbrukning och 70Ah för start, sammanlagd vikt 67kg) monterades ur och en ny batteribank bestående av 3 st. 40Ah litiumjonbatterier installerades.

Tanken var att kunna lagra tillräcklig energi för att ligga en dag extra emellanåt under semestern. Medvetet valde vi dock att snåla lite för att göra testet lite tuffare. Vikten för de nya batterierna är sammanlagt 25kg och de kräver klart mindre utrymme, en av batterilådorna togs bort och extra stuvutrymme frigjordes under ena salongssoffan. Den gamla generatorn (50A) byttes mot en på 100A och vi pressade nya 50mm2-kablar för att minska förlusterna. Vi monterade även en batterivakt. Dess funktion är att bryta spänningen till elcentralen när polspänningen sjunkit till 12,5 volt.

Slutsatser efter tre säsonger med nya systemet

Ca 30 minuters motorgång vid 1800 rpm ger uppmätta 600Wh i laddning (= ca ett dygns förbrukning)

Förbrukningsbatterierna laddas fulla (1200Wh) vid 1800 rpm i 60 minuter.

Båten har blivit drygt 40 kg lättare på kappseglingsbanan.

Vi behöver inte ens ladda batterierna vid hemmabryggan.

Litiumbatterierna lever väl upp till förväntningarna.

Systemet kommer hålla många år tack vare batterivakten och batteriernas höga cyklingstålighet.

TESTER

Kapacitet

Vi har utfört egna kapacitetsmätningar på våra batterier. Detta görs genom att vi laddar ett batteri med ca 28A (0,7C) till slutspänning 14,4 Volt under 5 timmar i rumstemperatur (19°C). Batteriet är i det närmaste fulladdat redan efter 1,5 timmar men vi vill här ”mätta” även de sista procenten. Därefter laddas batteriet ur med ca 105 Watt tills polspänningen är 11,0 Volt. Under urladdningsförloppet övervakas effekten genom upprepad mätning av ström och polspänning. Efter ca 5 timmar har polspänningen sjunkit till 11,0 V och batteriet är ”urladdat”, och strömmen bryts. Vi beräknar antalet uttagna Wattimmar som produkten av urladdningstiden och medeleffekten.

Cyklingstålighet

Att verifiera cyklingståligheten för ett litiumbatteri kräver tålamod. Vi är dock angelägna om att redovisa öppet för våra kunder vad vi vet. Formuleringen ”upp till” 2000 laddcykler tycker vi inte att ni ska nöja er med. I det följande kan ni läsa om vad vi menar med laddcykler i verkligheten. Vi på L.I.M.E Power har formulerat verkligheten i en egen metod. Vi testar våra batterier under omständigheter som vi anser kan uppstå i en fritidsbåt. Vi har satt upp en egen provbänk där vi testat litiumbatterier under tuffa förhållanden. Vi laddar och laddar ur vid ca 0,7C, det vill säga ca 28A mellan 14,8 och 11,0 volt. Mätt i wattimmar laddar vi ur ca 480Wh/cykel och laddar i ca 530Wh/cykel (skillnaden är inre förluster). Det betyder att vi tar nästan hela batteriets kapacitet i anspråk (DOD90%).

Vi har genomfört drygt 500 cykler.

Kapaciteten sjönk med 10,8%

Vi kan konstatera att batteriet mycket väl kan klara 80% av ursprunglig kapacitet efter 1000 cykler. Dessa 500 cykler innebär sannolikt att batterierna även efter 10 års användning i fritidsbåt har en försämring i användbar kapacitet som knappt märks. (Antag här att en full urladdningscykel inträffar vart annat dygn när båten används, batterikapaciteten dimensioneras lämpligen för att klara ett par dagar utan laddning. 500 cykler x 2 dygn blir då 1000 (!) dagar på sjön.)

SÄKERHET

I kontakt med våra kunder kommer då och då frågan om säkerhet upp. Jämförelsen med de batterier som fattade eld vid två skilda tillfällen i två flygmaskiner av typen "Dreamliner" har vi mött flera gånger. Vi tar frågan om säkerhet i våra fritidsbåtar på stort allvar och det är här viktigt att påpeka att våra batterier är av en betydligt säkrare kemi än de som används i Boeing 787.

Mer information finns för den intresserade att tillgå på National Transportation Safety Board, i rapporten påtalas en del brister både inom tillverkning och validering av det Litium-Kobolt-Dioxid- batteri som skapade kraftig rökutveckling efter en inre kortslutning. Notera att våra Litiumjärnfosfat-batterier är erkänt säkrare. Orsakerna till detta är främst ett lägre specifikt energiinnehåll och en högre termisk stabilitet. Batteryuniversity skriver "very safe, even if fully charged". Vi ser alltid till att förse de båtar vi själva utför installationer i med en ordentlig huvudsäkring. Säkringen monterar vi i allmänhet på minussidan så nära batterierna som det över huvudtaget går. Det är en god försäkring mot brand vid en eventuell kortslutning i startmotor, generator eller de kraftiga kablarna mellan batterier och motor. Ofta saknas denna typ av huvudsäkring.

Länkar:

National Transportation Safety Board

Battery university (mer om litiumbatterier och säkerhet).