- med over 25 års erfaring fra elektrofaget
Installasjoner av Litiumbatterier i båt krever en nøye gjennomgang og planlegging, basert på en god forståelse av denne batteriteknologien. Denne artikkelen gir en teknisk og kortfattet gjennomgang av utfordringer og løsninger knyttet til installasjon av Litiumbatterier i båt. Denne er på ingen måte fullt ut dekkende for alle de detaljer som kan nevnes.
Litiumbatterier har blitt et foretrukket valg for mobile energilagringssystemer, hvor Litiumjernfosfat (LiFePO4) batterier har blitt et populært valg for maritime applikasjoner grunnet deres robusthet, kombinert med relativt høye energitetthet, lave vekt og lange levetid.
Denne artikkelen vil også belyse noen utfordringer og problemer i forbindelse med såkalte “drop-in” løsninger i en maritim installasjon. Å “bare bytte ut” batteriene medfører en rekke problemstillinger som må tas hensyn til, spesielt fra et sikkerhetsmessig perspektiv. Vi mener derfor at begrepet «drop-in» er villedende markedsføring, og anbefaler i utgangspunktet ikke denne typen batterier installert i en fritidsbåt. Dette er ikke det samme som at det ikke fungerer under gitte forutsetninger, men sikkerheten er ikke tilstrekkelig ivaretatt.
Når en båt bygges av et verft, kreves det at verftet leverer et produkt som er i henhold til en lang rekke regler og standarder. Det er et krav om at produktet som leveres er trygt å bruke. Her i Europa kreves CE-merking, noe som innbefatter at produsenten skal oppfylle en lang rekke sikkerhetsmessige og funksjonsmessige krav.
I de fleste tilfeller er utgangspunktet for designet av de elektriske systemene om bord – en kontinuerlig energikilde. I praksis en forbruksbank med ett eller flere blybatteri. Dette er batterier som ikke plutselig kan koble fra strømtilførselen til fartøyets sikkerhetskritiske utstyr som f.eks. Lensepumper, VHF og lanterner.
Når man endrer på forutsetningene ved å montere et Litiumbatteri, må man også kjenne til de mest vesentlige risikofaktorene ved denne teknologien, hvor styring (BMS) i forbindelse med energikilden; med eller uten forvarsel kan kutte energiforsyningen.
Mange batteriproduktene som selges i dagens marked er ikke spesielt tilpasset de driftsmessige utfordringene som er typisk for en fritidsbåt eller maritim installasjon, selv om produktene holder en høy kvalitet og er sertifisert på ulike nivå – isolert sett. Man bør med andre ord vurdere batteriene som en komponent av et større system – båten. Endrer man en komponent i et maskineri, må man vurdere hvilke konsekvenser dette kan få for den totale sammensetningen av enkeltkomponenter. Båtfolkets årelange tradisjon med å «bare bytte batterier» har sjelden løst alle utfordringer med strøm i båt, og slik er det også med Litiumbatterier.
Et såkalt “drop-in” Litiumbatteri er i så måte en sikkerhetsmessig utfordring, blant annet ved at BMS som har til oppgave å beskytte cellene i batteriet uten å ta hensyn til utstyret som er tilkoblet. Er det en BMS bygget på billige elektroniske komponenter som skal ta valget for deg: Trenger du strøm akkurat nå?
LiFePO4-batterier er en type litium-ion-batterier som i seg har mange gode egenskaper:
LiFePO4 har også en nesten flat spenningskurve som gir stabil spenning til systemene om bord.
I praksis er dette en stor fordel, samtidig som måling av spenning gir lite informasjon om ladestatus. Man må bruke andre metoder for å kunne beregne batteriets ladetilstand, ofte omtalt som SOC – State Of Charge. En såkalt Coloumb telling gjennom en shunt er en mye brukt metode.
Vi anbefaler derfor en BMS løsning som bruker denne målemetoden for beregning av SOC – State Of Charge, og kommuniserer dette ut til omverdenen.
Selv om LiFePO4 regnes som en av de sikreste litiumkjemiene, finnes det en risikoer som må håndteres:
Løsning: Bruk av et batteristyringssystem (BMS) med temperaturovervåking som begrenser lading og utlading under ugunstige forhold. Selve plasseringen av temperatursensorer samt hvordan disse brukes av BMS er derfor kritisk.
Som man kan se i mange av videoene til f.eks. Will Prowse på YouTube, er en lang rekke batteriprodukter på det amerikanske markedet uegnet for bruk i en båt. De samme produktene er i praksis det man finner på det nordiske markedet: Produsert av et fåtall fabrikker i Kina og solgt med forskjellige merkenavn rundt i verden.
Batterier som holdes sammen med tape, loddetinn og i noen tilfeller skumgummi er uegnet i en maritim installasjon.
Hva får du egentlig når du kjøper en hermetisk lukket løsning?
Svært få batteriutsalg kan fremvise fullstendige datablad eller er ærlige på hva de egentlig selger. De har gjerne god kompetanse på salg, men begrenset kompetanse på maritime elektriske installasjoner. Man kan gjerne kjøpe verdens beste batteri, men dette blir aldri bedre enn installasjonen dette er en del av. Det er med andre ord mange forhold som skal vurderes ved bytte av batteriteknologi. Dette er ikke noe nytt som har kommet med Litiumbatterier, men problemet forsterkes ved at batteriet nå inneholder en liten datamaskin som baserer seg på halvledere og printkort.
Det er større energimengder og ikke minst høyere potensielle kortslutningsstrømmer – momenter som ofte blir utelatt når man er i kontakt med selgere av nye løsninger som skal løse alle dine problemer med strøm om bord. De fleste batteriutsalg selger faktisk talt ikke kortslutningsvern som passer med produktene som de selv selger, og kan heller ikke svare på hvilke sikringer man skal beskytte installasjonen med. De kommer ofte med lettvinte løsninger på teknisk kompliserte utfordringer.
I tillegg til kvaliteten på batteriene, bør man vurdere den fysiske plasseringen av batteriene om bord for å unngå overoppheting, samt at de monteres sted som har lav fukteksponering. Original plassering er ofte den beste, men ikke alltid. Er den beste plasseringen for din nødstrømkilde under dørken eller inne i et motorrom?
Mange hevder BMS vil beskytte båten fra et branntilløp, noe som utgangspunktet er feil.
Kan din batterileverandør legge frem datablad som forteller noe om gjennomsluppet energi ved en full kortslutning?
Det er heller ingen forskriftsmessig anledning til å bruke BMS hverken som regulerende komponent eller som et kortslutningsvern. Svært få batterileverandører oppgir kortslutningsytelsen på batteriene de selger.
Det er også begrensninger for hvor høy ladestrøm eller utladningsstrøm et LiFePO4 batteri tåler: Store belastninger må tas hensyn til. Det må også tas hensyn til de begrensninger dynamo og andre ladekilder kan ha, samt hvordan en frakobling håndteres: Dersom dynamo plutselig ikke har en last, vil man kunne få en svært høy ladespenning. Enkelte har også mange kraftige ladekilder og en koordinering av ladekilder vil derfor være kunne påkrevd.
Batteriet må også sikres på en slik måte at det ikke løsner eller blir hengende etter batterikablene ved en kantring eller kullseiling.
Med dette sagt, representerer alle typer batterier inkludert LiFePO4 en potensiell brannrisiko. Man bør derfor gjøre de tiltak som er nødvendige for å redusere denne så mye som mulig, samt være klar over farepotensialet med et batterisystem.
Under et par videoeksempler på brann i LiFePO4 celler, og andre Litiumbaserte løsninger.
Enhver Litiumbasert batteriinstallasjon har på grunn av sin lave interne motstand, en relativt sett høy kortslutningsytelse. Dette krever sikringer og kortslutningsvern som er riktig dimensjonert og koordinert. Ofte er dette i utgangspunktet dimensjonert for blybatterier, og representerer per definisjon en brannfare.
For å lage en sammenlikning som kanskje mange kjenner seg igjen i. Når man trimmer motoren på en bil, så må man også gjøre noe med bremsene. Sportsbiler samt tunge og motorsterke elbiler har ikke store bremser kun på grunn av forfengelighet. Jo mer krefter som skal stoppes, desto mer bremsekraft trengs det. På samme måte blir det også med kortslutningsvern i et elektrisk anlegg. Dette er det dessverre svært få batteriselgere som forteller deg, eller har noe særlig kunnskap om.
Ikke få ganger ser jeg «sykkelbremser» montert bak hjulene på det som i praksis er å anse for å være en lastebil.
I denne YouTube episoden tester man ulike «drop-in» batterier og deres BMS løsninger sin evne til å kutte strømmen ved en full kortsluning. Tør du stole på at elektronikken forhindrer en uønsket tennkilde om bord i din båt?
Se gjerne våre produkter for kortslutningsvern egnet for batteriinstallasjoner i maritime elektriske anlegg.
Et kvalitets BMS er avgjørende for sikker drift:
Avanserte BMS-funksjoner:
Enkelte BMS produkter som er gode på papiret, er imidlertid dårlig egnet for installasjon i en båt: Det kan være åpne printkort som ikke er beskyttet mot fukt, eller svake koblingspunkt som har dårlig motstand mot vibrasjon, og representerer fare for vakkel og dårlig kontakt.
FET baserte BMS løsninger kan være uegnet for installasjoner med høye DC laster og indusert høy spenning.
Field Effect Transistor (FET)-baserte BMS-er er populære på grunn av deres lave strømforbruk og raske respons. Likevel kan de introdusere spesifikke risikoer i maritime applikasjoner, spesielt i systemer med store induktive laster.
Hvorfor FET-er blir ødelagt av høy spenning
Field Effect Transistorer (FET-er) er følsomme for spenninger som overstiger deres maksimale spesifikasjoner. Hver FET har en definert maksimal “Drain-Source Voltage” (Vds), som representerer den høyeste spenningen den kan tåle mellom drenerings- og kilde-terminalene.
Når spenningen overskrider denne grensen, kan følgende skje:
De fleste leverandører av såkalte “drop-in” batterier kan ikke fremlegge god nok dokumentasjon på hvor høy spenning FET trinn på batterienes integrerte BMS tolerer, eller kan si noe om hvilken beskyttelse de har på designet.
Det er ofte heller ingen enkel måte du om sluttkunde kan kontrollere om BMS faktisk fungerer slik som den skal ved at f.eks. en eller flere FET er kortsluttet og alltid vil gi strøm. Tilsynelatende fungerer batteriet: Problemet er at det kanskje ikke klarer å koble fra når dette blir nødvendig. Resultatet kan bli fatalt.
Løsninger:
DVCC er en funksjon som finnes i avanserte batteri- og ladesystemer, spesielt innen marine applikasjoner, som gir bedre kontroll og distribusjon av spenning og strøm mellom ulike komponenter.
Fordeler med DVCC:
Les mer om DVCC – hos Victron Energy.
En avansert laderegulator for dynamo vil bruke reelle målinger for ladestrøm, samt regulere ladestrøm basert på faktisk behov. Den bruker ikke lengre “antakelsesmetoden” som har vært den tradisjonelle løsningen for blybatterier. CAN kommunikasjon sørger for at dynamo lades på batteriets premisser, og innenfor dynamoens og motorens begrensninger.
En «blackout» eller «black ship»-situasjon oppstår når all elektrisk kraft om bord går tapt, noe som kan føre til tap av fremdrift, navigasjon og kritiske systemer.
I Litiuminstallasjoner finnes det spesifikke årsaker og løsninger for å forhindre slike scenarioer.
Mulige årsaker til blackout:
Løsninger:
Eksempel: En fritidsbåt opplevde en blackout under tøffe værforhold etter at BMS-en kuttet batteriet grunnet overspenning på én enkeltcelle. Årsaken var feil konfigurert laderegulator på dynamo.
Sikkerhet Om Bord fører derfor et nøye tilpasset og begrenset utvalg av LiFEPO4 komponenter. Produktene vi fører er nøye utvalgt og tilpasset maritime installasjoner. Vi kan gi råd om hvordan løsningene på en sikrest mulig måte kan integreres i din båt.
Vi kan også bistå med integrasjon mot fartøyets instrumentsystem slik at et ladesystem er fullt ut integrert med båtens øvrige systemer.
Litium-ion-batterier blir stadig mer populære i fritidsbåter på grunn av deres lave vekt, høye kapasitet og lange levetid. De gir mer kraft og tar mindre plass enn tradisjonelle blybatterier, men kommer også med egne sikkerhetsutfordringer som alle båteiere bør være oppmerksomme på.
En av risikoene med størst konsekvens er «thermal runaway» – eller såkalt «termisk rømling», eller «termisk rusing». En ukontrollerbar oppheting av batteriet som kan føre til brann eller eksplosjon. Dette kan utløses av overoppheting, mekaniske skader på batteriet eller feil ved lading. Derfor er det viktig å bruke batterier av høy kvalitet som er tilpasset maritime forhold, og alltid følge produsentens anbefalinger for montering og bruk.
Her er noen viktige momenter for å sikre trygg bruk av litiumbatterier i fritidsbåten:
Litiumbaserte batterier er svært ladevillige, frem til de er nesten helt fulladet. Dette gir seg positive utslag ved at man får rask lading og maks uttelling fra f.eks. solceller. Samtidig krever dette at man tar hensyn til at tilkoblet utstyr må være dimensjonert for maks belastning over lang tid. I mange tilfeller anbefaler vi å bytte ut både ladekilder, kortslutningsvern og kabler – som gjerne ikke er dimensjonert for den relativt harde bruken en Litiumbasert batteriløsning representerer. I motsetning til tradisjonelle blybatterier, kan omtrent hele kapasiteten på et Litiumbatteri brukes: Kjøper du et batteri med 100Ah kan du benytte hele denne kapasiteten, og ikke 50% som gjerne var tommelfingerregelen tidligere. BMS vil uansett forhindre deg fra å overlade batteriet, eller lade det for mye ut.
En fordel med Litiumbaserte batteriløsninger er at de i utgangspunktet ikke avgir eksplosjonsfarlig gass, noe som er en stor fordel til fordel for bly baserte batterier som er kjent for sine utfordringer med knallgass.
Dersom du vurderer litiumbatterier til fritidsbåten, er batterier basert på LiFePO4 det tryggeste valget. Brukte celler fra en elbil har ikke noe i en fritidsbåt å gjøre, såfremt du ikke har en helt spesiell kompetanse som sikrer deg at dette blir en trygg installasjoner. LiFEPO4 batterikjemien er mer stabil enn andre litium-ion-varianter og har betydelig lavere risiko for thermal runaway. Mens tradisjonelle litium-koboltoksid-batterier kan gå inn i termisk rømling ved temperaturer rundt 150°C, tåler LiFePO4-batterier høyere temperaturer og har en termisk rømlingsterskel på rundt 250–270°C. Dette reduserer risikoen for brann betraktelig og gjør LiFePO4 til et tryggere alternativ for fritidsbåter.
Ønsker du å lære mer? Vi anbefaler artiklene fra Battery University: BU-205 Types of Lithium-ion
Ved å ta disse forholdsreglene kan du dra nytte av fordelene litiumbatterier gir, samtidig som du reduserer risikoen for uønskede hendelser.
Husk at sikkerhet til sjøs alltid starter med gode rutiner og riktig utstyr.
