Ahora que se ha establecido la base teórica, es hora de pasar a la práctica.

Desde que escribí este artículo he desarrollado un BMS que satisface exactamente las necesidades de protección y longevidad de una batería de litio para la energía de un sitio aislado (bote, camping, casa, sitio industrial). A petición de amigos navegantes lo industrializó. Ahora está a la venta en mi sitio web: https://www.taobms.com

En este artículo vamos a revisar :

• Qué tener antes de empezar
• Preparación para la instalación
• La compra de celdas de litio
• Puesta en marcha de la batería
• Vida a bordo con baterías de litio

Ver en la parte inferior de la página los enlaces a los artículos anteriores.

Qué tener antes de empezar

equipo

• Cargadores, alternadores y reguladores compatibles con los voltajes y ciclos de carga de las baterías de litio LiFePo4 (ver artículo N°4 – Carga de la batería)
• BMS (Sistema de gestión de batería) o equivalente a activar alarmas y relés de control a varios niveles de voltaje de cada celda : la función de equilibrio no es útil (véase el artículo N°3 – Protección del equipo y de la tripulación)
• Fusible Clase-T de tamaño adecuado (Tao : 400A con capacidad de corte de 20kA)
• Un solenoide de tamaño adecuado para aislar la batería (Tao : 250A)
• Relés para controlar el corte de cargadores y/o consumidores en caso de anomalía
• Un controlador de batería (actual, tensión, SOC, Ah consumido)

Recordatorio importante

Todos los sistemas de carga están conectados a la batería de litio y deben estar configurados de forma óptima para cargar esta batería. Se debe proporcionar un sistema separado para cargar la batería del motor :

• o un cargador dc/dc que carga la batería del motor de la batería de litio cuando el motor está en funcionamiento
• o la paralelización de las dos baterías (en este caso, la batería del motor se mantiene cargada en modo Float con un voltaje máximo de 13.8V y consumirá corriente de forma permanente)

En Tao opté por un cargador DC /DC con una corriente de carga máxima de 8A y que se activa cuando el motor del puerto está en funcionamiento.

Otros equipos

• cable de sección alta para reemplazar aquellos que son demasiado "ligeros" en la instalación existente
• crimp louts para tales cables y otras conexiones
• barra de cobre o aluminio (6 éxtasis 30 milímetro) Si los interconectores suministrados con las celdas son demasiado cortos, dependiendo de cómo se ensamblarán las celdas
• DISPOSITIVO PARA MANTENER LAS CELDAS JUNTAS Y COMPRIMIRLAS (Tao : dos placas de aluminio de 4 mm que intercalan las celdas y seis varillas roscados que las aprietan en las baterías a través de ángulos de aluminio en la parte superior e inferior para distribuir las fuerzas)
• protección de conexiones contra cortocircuitos accidentales por caída de objetos metálicos (Tao : una placa de madera contrachapada de 4 mm que cubre la batería)
• DISPOSITIVO PARA ENCAJAR LA BATERÍA EN SU COMPARTIMENTO Y EVITAR EL MOVIMIENTO EN LOS TRES EJES

equipo

• Multímetro digital de buena calidad (capaz de medir con una precisión de 1mV alrededor 3 a 4 Voltios repetitivamente)
• Abrazadera amperemétrica para corriente continua
• Termómetro infrarrojo
• Fuente de alimentación estabilizada en laboratorio (15V – 30A) con control de voltaje y corriente

Preparación para la instalación

Configuración de la batería

Mediante la compra de celdas de litio nominales de 3.2V, será necesario montar varios para obtener la tensión y capacidad deseada para el parque de baterías.

Para una instalación 12 Voltios, La forma más fácil es poner cuatro celdas en serie (Configuración 4S) con el BMS que supervisa el voltaje y la temperatura de cada celda. Se pueden encontrar células de alta capacidad, pero cuanto mayor sea la capacidad, cuanto más grandes son las placas dentro de las celdas. Pero nuestras baterías pueden ser fuertemente arrusionadas por el mar pesado, Estas placas grandes podrían moverse o deformarse… y posiblemente cortocircuito. Es recomendable limitar la capacidad de cada célula a 200 o 300Ah para una instalación marina.

Si se necesita más capacidad, es necesario poner varias celdas en paralelo antes de ponerlas en serie. En esta configuración el BMS controla el voltaje de cada grupo de celdas en paralelo.

Otra opción sería ensamblar las celdas primero en serie para obtener módulos a la tensión nominal de la flota, A continuación, coloque estos módulos en paralelo para obtener la capacidad deseada. La desventaja de este enfoque es que se necesitan tantos BMS como módulos haya para poder controlar el voltaje de cada celda.

En Tao me reuní 8 Celdas 300Ah en configuración 2P4S (serialización de cuatro grupos de dos celdas en paralelo) para obtener una flota de 600Ah en 12 Voltios.

La ubicación de la batería

Es necesario elegir la ubicación del parque de baterías en el barco. La forma más fácil de minimizar el cableado es ponerlos en lugar de las baterías de plomo a plomo más antiguas… Si esta ubicación cumple los criterios siguientes :

• seco y ventilado
• temperatura que no supera los 30 °C, lo que excluye la retención del motor
• sin riesgo de congelación
• fácil acceso

En Tao, las baterías de acción de plomo estaban debajo de una litera trasera en un gran maletero de fácil acceso. Puse la batería de litio en el mismo lugar.

Debajo del piso hay otra protección de madera contrachapada

El diseño de la instalación

No es a la hora de configurar la nueva batería y conectar los cables que debemos hacernos las cuestiones de diseño de la instalación. Es recomendable planificar cuidadosamente esta instalación para que solo tengas que seguir el plan en el momento de la instalación.

Dependiendo del grado de modificación de la instalación existente los siguientes diagramas podrían ser útiles :

• diagrama de bloques de toda la instalación con los productores y consumidores de energía más significativos, características de seguridad…

• diagrama de cableado de la batería (servicio y motor) con cargadores, sistemas de seguridad…

• diagrama de detalle de conexión del BMS y los relés que controla

• diagrama detallado de cualquier instalación de nuevos equipos (Por ejemplo alternadores)

Dadas las corrientes más fuertes que permite la batería de litio, Es bueno comprobar si la sección de los cables existentes es adecuada. Prever la sustitución de las de una sección demasiado débil. Definir sección, largura, y los louts en cada extremo con el fin de tenerlos cortados y engarzados profesionalmente (alicates de prensado con mandíbulas hexagonales).

Un sistema para localizar cables eléctricos puede ser una buena idea… con una matriz para explicar la función de cada conexión.

Implementación y cableado de componentes

Cuatro objetivos para la aplicación y el cableado de los distintos componentes :

• simplificar tanto como sea posible y eliminar todo lo superfluo (selector de batería, corte de batería, relés de carga automáticos…)
• poner la mayor distancia entre las conexiones positivas y negativas
• reducir la longitud del cable y el número de conexiones
• tener buena accesibilidad de conexiones, Relé de, Fusibles, Disyuntores…

Por ejemplo en Tao :

• todas las conexiones (positivo y negativo) estaban en la misma partición – Moví todas las conexiones negativas a otra partición "negativa"
• ambos autobuses estaban a bordo con sólo 10 cm entre las conexiones positivas y negativas – Moví el bus positivo a la partición "positiva" y puse en una caja de derivación

• tres cortadores de batería y un selector de batería : solo guardé el cortador de batería para el motor de la batería y otro para posiblemente iniciar el motor en el servicio de la batería

Conexiones en las caras traseras de las particiones

Predecir la ubicación del BMS (cerca de la batería) y los relés que controla (generalmente cerca de los circuitos controlados)

La compra de celdas de litio

Hay varios fabricantes de buena reputación… todos con sede en China : CALB, Sinopolio, Winston, Sistemas GB (Gbs)…

Al comprar las celdas de un distribuidor, es importante especificar que estas celdas deben provenir del mismo lote y, si es posible, con números de serie consecutivos. Esto es con el fin de tener la mínima diferencia en las características y el comportamiento entre estas células. De hecho, si una célula tiene, Como qué, una resistencia interna muy ligeramente diferente de la de otras células, esto cargará y descargará diferentemente de los otros y un desequilibrio entre las células ocurrirá con el envejecimiento prematuro de algunos.

Recuerde controlar un número suficiente de conectores entre celdas para poner todas las celdas en paralelo.

Las nuevas células deben cargarse en la fábrica entre 50% y 60% SOC, estar fuera de la fábrica hace menos de seis meses, y nunca han estado conectados a nada.

Sobre todo no comprar celdas denominadas "pre-equilibradas" porque si el distribuidor no las ha descargado al 50% SOC tan pronto como se lleve a cabo el equilibrado, células sufridas.

En la recepción de las células es importante medir el voltaje de cada celda con un multímetro electrónico de buena calidad. La tensión de cada celda debe ser del orden de 3,3 V con una diferencia de tensión entre celdas de menos de 2 mV. Cualquier desviación mayor que 2mV es una indicación de que la célula tiene características diferentes a las de otras células o que la célula podría haber sido utilizada antes de entregársela a usted…

Para Tao compré ocho celdas Winston de 300Ah directamente del distribuidor Winston en China. No hay problema particular para realizar el pedido, excepto que usted tiene que pagar por transferencia bancaria antes de la entrega… Pero no es de extrañar. En 2016 me costó 3000 $US más 370 USD para el envío a EE.UU. (Me encargué de la consolidación y reenviación a San Martín).

Las celdas estaban empacadas y encajadas en una caja de madera con espumas por todos lados. Recibí ocho celdas con números de serie consecutivos e inmediatamente desempaquetado comprobé su voltaje en 3,307V sin espacio entre las celdas.

La caja de madera en el descenso del camión

Las células están bien cuñadas

Puesta en marcha de la batería

Modificar la instalación

Antes de equilibrar las celdas y configurar la batería, es necesario asegurarse de que todos los componentes necesarios estén en su lugar y que el cableado se lleve a cabo de acuerdo con el plan..

• Desconecte las baterías existentes
• Implementar los nuevos componentes (solenoide de, Fusibles, Relé de, BMS, Cargadores, Convertidores, Alternadores…)
• Conectar el todo de acuerdo con el plan (Reemplazar los cables que son demasiado delgados, pase los conectores al papel de lija y recubrirlos con grasa dieléctrica, identificar los cables de acuerdo con el plan…)
• El BMS y sus periféricos están cableados, y listo para estar conectado
• Programación de cargadores y reguladores para baterías existentes
• Vuelva a conectar las baterías existentes
• Alimentar el control solenoide para que se cierre
• Compruebe que todo está en orden y funciona normalmente

Mi regulador solar Victron MPPT 150/70 no tiene una sonda de voltaje separada. Por lo tanto, regula la carga de acuerdo con la tensión en sus propios terminales… esto significa que el voltaje de regulación es igual al voltaje a través de la batería MENOS las caídas de voltaje en los cables y conexiones (un cable de 25mm2 tiene una resistencia de 0,7 milliohms por metro y una conexión tiene una resistencia de contacto de la orden 0,1 a 0.3milliohm dependiendo de su calidad). Con una corriente de carga de 50A estas caídas de tensión no son despreciables y pueden alcanzar 0,3 a 0.4V si no tiene cuidado (esto corresponde a una resistencia total del circuito entre 6 y 8 milliohms) … y nunca podrás cargar tu batería.

De hecho para este ejemplo, supongamos que el voltaje de bulk/absorción se establece en 13.8V. Cuando el voltaje alcanza este nivel (a nivel del regulador solar), el voltaje de la batería es sólo de 13.4V a 13.5V… que no es suficiente para cargar la batería !!

Acerca de Tao, Medí una caída de voltaje entre 0.2V y 0.3V con una corriente de carga de 40A. Para reducir esta caída de voltaje a 0.1-0.2V, Conecté el regulador directamente entre la salida de derivación y la salida solenoide y pasé todas las conexiones al papel de lija + grasa dieléctrica. Al establecer el voltaje de volumen / absorción a 13.95V, el regulador entra en modo de flotación cuando la batería se carga entre 90% y 95%.

Equilibrio de celdas

Recordatorio sobre la necesidad de equilibrar las células

• La capacidad utilizable de la batería de litio se define entre el momento en que una de las celdas está llena y el momento en que una de las celdas está vacía.. Si las celdas en serie no están todas exactamente al mismo nivel de carga cuando se monta la batería, La celda más cargada definirá el límite de carga alta y la celda menos cargada definirá el límite de descarga baja. Por lo tanto, hay una pérdida de capacidad.
  • la célula que está llena primero corre el riesgo de estar sobrecargada y deteriorarse
  • La celda que está vacía por primera vez puede caer por debajo del nivel de carga mínimo y deteriorarse

• El propósito del equilibrio de celdas es sincronizar la carga de las celdas para que estén todas llenas o vacías al mismo tiempo

Si las celdas no están equilibradas :

• con un BMS, las alarmas altas y bajas pueden activarse prematuramente y desconectar la batería
• sin BMS, existe un riesgo de daño o destrucción celular

Por lo tanto, es imperativo equilibrar las células antes de ensamblarlas en serie.

Principio de equilibrio

• Como dos celdas no tienen exactamente la misma capacidad es necesario elegir si queremos que estén llenas al mismo tiempo (Balanceo 100% SOC), o si van a estar vacíos al mismo tiempo (equilibrio al 0% SOC). En nuestras aplicaciones puede ser probable e indeseable descargar células al 0% SOC. Por lo tanto, el equilibrio se realiza al 100% SOC.
• nota : Las diferencias entre celdas se pueden minimizar comprando celdas del mismo lote con números de serie consecutivos

• Las celdas se conectan en paralelo y se cargan con una tensión máxima de lo que aceptan sin dañarlas. Cuando la corriente de carga es cero, todas las celdas están llenas.

Cómo equilibrar las celdas

Instalación para equilibrar celdas

• • Esta operación debe hacerse justo antes de poner la batería en servicio porque las celdas no deben dejarse 100% SOC cargadas durante mucho tiempo a riesgo de dañarlas..
  • Coloque todas las celdas en paralelo utilizando conectores proporcionados por el fabricante. Asegúrese de que los contactos estén limpios (posiblemente pasarlos a papel de lija fina) y apriete los pernos correctamente de acuerdo con las instrucciones del fabricante.
  • Antes de conectarlo a las celdas, ajuste la fuente de alimentación estabilizada con un voltaje de 3,45V y una corriente limitada a 80% la capacidad máxima de la fuente de alimentación (si la fuente de alimentación 30A, limitar la corriente a 24A)
  • Conecte la salida de energía a las celdas (nunca detenga la energía siempre y cuando esté conectada a las células : debe desconectarse de las celdas antes de detenerla)
  • El voltaje permanecerá alrededor de 3.3V durante muchas horas / días (dependiendo de la capacidad de las células, su número y estado de acusación). Este proceso debe hacerse con un poco de supervisión – Detengo el cargo cuando estoy lejos y por la noche.
  • Compruebe regularmente la temperatura de cada celda con termómetro infrarrojo (apuntar al terminal celular siempre en el mismo lugar). Si una célula está más caliente esto es una indicación de que su conexión es de mala calidad (desatornillar, limpiar y atornillar hacia atrás), o que la célula está enferma…
  • Espere a que el voltaje se estabilice en 3,45V y que la corriente es cero (medido con voltímetro digital y abrazadera-a-ser)
  • Desconecte la energía estabilizada de las células, Establezca el voltaje en 3,65V y compruebe la configuración con multímetro digital
  • Conecte las celdas a la fuente de alimentación estabilizada y monitoree el voltaje con el multímetro
  • En pocos minutos el voltaje debe subir a 3,65V y estabilizar
  • La corriente (medido con el amperímetro de la abrazadera) gota – cuando chupa sus células están equilibradas
  • Desconecte la alimentación estabilizada
  • Deje las celdas en paralelo para 30 minutos, luego mida su voltaje: si está por debajo de 3.50V, vuelva a conectarlos durante unos minutos a la fuente de alimentación estabilizada establecida en 3.65V

Conecte la batería

Las celdas de litio se dañarán si se mantienen cargadas en 100%. Por lo tanto, la batería de litio debe montarse y ponerse en marcha rápidamente.

• Coloque las celdas en el dispositivo que ha planeado para mantenerlas juntas y comprimirlas
• Conecte las celdas con los conectores proporcionados por el fabricante o las barras de cobre que habrá proporcionado para este propósito
• Programe reguladores de carga para su batería de litio ( véase el artículo N°4 : Carga de la batería – Volumen / Absorción = 13.8V, Flotador = 13,2 V, Tiempo mínimo de absorción)
• Coloque la batería de litio en su lugar e inmovilicela
• Conecte los sensores de voltaje y temperatura de bms
• Conecte el BMS y los componentes que controla (solenoide y relé)
• Conecte los terminales de la batería a los buses negativos y positivos

El controlador de la batería

Este instrumento tan práctico, y en mi opinión indispensable, mide el voltaje de la batería, así como la corriente que entra o sale de la batería. Calcula el consumo acumulado y muestra un estado de carga de la batería (SOC).

teóricamente, esto es perfecto… pero a menudo la información que proporciona es totalmente falsa si el controlador no ha sido cuidadosamente parametrizada y calibrada.

Una configuración incorrecta no será visible inmediatamente, pero por lo general después de unas semanas. El controlador indicará un estado incorrecto de carga, Como qué :

• será capaz de indicar 80%SOC mientras que la batería está en 100%SOC (no demasiado grave porque los reguladores de carga entran en modo float y el controlador se restablecerá a 100% SOC)
• más grave… será capaz de indicar 20%SOC mientras que la batería está en 0%SOC… los frigoríficos y congeladores han estado detenidos durante mucho tiempo y, en el mejor de los casos, el BMS desconecta la batería ! Si no hay BMS… las celdas están dañadas.

De todos modos, dado el número de parámetros, es imposible que su indicación SOC sea precisa. En vista de los dos ejemplos anteriores, Prefiero que su indicación de carga esté infravalorada en lugar de sobrevalorada.

Tomemos un ejemplo sencillo con un solo parámetro establecido incorrectamente… digamos que la calibración en 0 Los amplificadores del controlador se realizan mientras que el consumo real es 0,1 amperio (BMS conso, solenoide, controlador de batería…). En un día el error acumulado es 2.4A… y en cinco semanas este error acumulativo es 84Ah ! Si el parque de la batería es de 400Ah, Esto representa un error en el SOC de más de 20% ! Pero puede el controlador medir de forma fiable una corriente por debajo de 0.1A ?

Mi controlador de batería es el Victron BMV-702. Después de varias pruebas de parametrización aquí es el que utilizo para subestimar muy ligeramente el %SOC :

• Capacidad de la batería de 600Ah
• voltaje a 100%SOC 13.8V
• actual al 100% SOC 0.025C (2,5% capacidad de la batería)
• tiempo para restablecer a 100% SOC 4 minutos
• Exponente Peukert 1,00
• Eficiencia de carga 100%
• Límite de detección actual 0.01A
• Calibración de corriente cero (0A) teniendo cuidado de desconectar todo de la batería… exceptuar, Claro, El propio controlador que consume un poco cuando funciona su retroiluminación.

También puse las alarmas del controlador más conservadoramente que las del BMS. Esto me da una alerta temprana sobre la que puedo actuar :

• %SOC bajo 20%
• bajo voltaje 12.8V
• alto voltaje 14.1V

Las baterías de litio nunca necesitan ser cargadas a 100%, pero lo hago cada cuatro a seis semanas para que el controlador de la batería se restablece a 100%SOC automáticamente cuando el voltaje alcanza 13.8V y la corriente está por debajo de 15A durante dos minutos (ver parámetros arriba).

Para el último restablecimiento (un mes después del anterior) el controlador indicó 96% SOC antes de restablecer a 100% SOC basado en el voltaje medido y la corriente. Para mi batería de 600Ah esto corresponde a un error de 24Ah en 30 día, o un error de medición de corriente de 0.033A – error bastante aceptable e intrascendente.

100% SOC pop-up reset

A medida que la batería se acerca a la carga completa con un voltaje de 13.8V, Podría ser que la combinación de varios eventos externos reduzca la corriente por debajo del umbral en el que el controlador de la batería se restablece al 100% SOC. Por ejemplo, cuando la producción de paneles solares disminuye a medida que pasa una nube, ralentíes de velocidad del motor, o se inicia un consumidor…

Para limitar este riesgo es necesario aumentar el tiempo durante el cual las condiciones de restablecimiento (tensión >= 13.8V y corriente <= 0,025C) debe estar presente antes de restablecer a 100% SOC. Algunas observaciones y ajustes pueden ser necesarios. Por mi parte he puesto este temporizador en 4 minutos.

Vida a bordo con baterías de litio

Si la instalación tiene el tamaño correcto, diseñado y realizado, la batería será olvidada. La mayor preocupación que tiene es aprender un nuevo comportamiento para la gestión de la energía :

• No se asuste cuando la carga de la batería caiga por debajo 50% (es alrededor del 50% SOC que lo está haciendo mejor)
• no busque alcanzar el 100% SOC sistemáticamente
• cargar la batería cuando alcance el 20-25% SOC
• el voltaje de la batería en reposo le dará menos información que para una batería de bajada de plomo, pero todavía hay algunas indicaciones útiles para dibujar cuando la batería está casi llena o casi vacía…

Voltaje de la batería "U"	Estado de acusación
u > 13,30V	SOC > 80%
13,20V < u < 13,30V	70% < SOC > 80%
13,15V < u < 13,20V	40% < SOC< 70%
13,00V < u < 13,15V	25% < SOC < 40%
12,80V < u < 13,00V	10% < SOC < 25%
u < 12,80V	SOC < 10%

• Cuando el día es soleado y la carga de la batería está por encima 70% Aprovecho para poner en marcha el desalinizador y traer el SOC a continuación 50%

Operaciones de mantenimiento regulares

La única operación que hago cada cuatro a seis semanas con el fin de restablecer el controlador de la batería es cargar las baterías a 100%. Detengo la carga cuando el voltaje alcanza los 13.8V, La corriente está por debajo de 15A y el controlador se ha restablecido a 100%.

Durante la carga y al final de la carga controlo la temperatura de cada célula para detectar cualquier anomalía (esto me permitió detectar una conexión ligeramente oxidada y /o menos apretada en una de las células y remediarla)

Al final de la carga desconecto la batería (con el solenoide) y mido el voltaje de cada celda para comprobar su equilibrio. Mi batería ha estado en servicio durante un año y la diferencia de voltaje entre las celdas cuando se carga al 100% SOC es estable y menos de 0.01V (en la celda cuya conexión era defectuosa). Por lo tanto, hay poca deriva en este primer año y esta información me dirá si y cuándo será necesario reequilibrar las células.

Estar lejos del barco durante varias semanas / mes

Si estás lejos del barco debes asegurarte de que los sistemas de carga (solar y eólica) no mantendrá la batería constantemente al 100% SOC o que las baterías no se descargarán por debajo del 40% SOC.

La forma más fácil es cargarlos a 50-60% SOC y desconectarlos por completo (cuidadoso, Abrir el solenoide no es suficiente porque el BMS todavía está conectado, así como el controlador de la batería). Es necesario desconectar los cables que llegan a la batería.

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Entradas siguientes :

• concepción, realización y puesta en marcha del nuevo BMS
• comentarios a lo largo del tiempo…