Batterier

Vad krävs för batteri till en elmotor i en båt? På denna sidan samlar vi all information om litiumbatteriet i vår båt.

Batterikonstruktion

Chassi Låda ca 85 liter byggd i 12 mm björkplywood förstärkt med glasfiber.
Spänning 48 V
Kappacitet Ca 14 kWh
Konstruktion 16s
Celler 280 Ah, LiFePO4
BMS JKBMS, 200 A, 2 A aktiv balansering
Huvudsäkring 300 A
Huvudbrytare 250 A (max 2 kA under 5 s)
Mätshunt Victron BMV 700
Kablage Förtennad mångtrådig koppar 70 mmmed hydraliskt pressade kabelskor

Räckviddsångest

Den i särklass vanligaste frågan vi får när vi pratar om vårt projekt med elmotor är ”hur långt kommer du med elmotor och batterier?” Om vi vänder på steken, hur mycket brukar vi köra med motor under en sommar? Med vår gamla båt brukade vi tanka 10 liter per år, max och då var det alltid kvar tills nästa år. Ja men man kanske blir kvar i Skagen när det är stiltje, eller det kanske vrider emot när semestern är slut. Båda låter som bortförklaringar för dålig planering, att man inte läst väderleksprognosen eller båda. Vi har alltid seglat vår segelbåt, en elmotor kommer knappast ändra på det.

Jag tycker det är intressant var denna ångest över räckvidd kommer ifrån. Att gubbar som kör törstiga motorbåtar i +20 knop ojar sig över räckvidd är ingen överraskning. Köra båt, eller bil med stor motor är en del av mansidealet. Naturligtvis är alla människor unika individer men trots det syns ett mönster. I dag  har de flesta vant sig vid bekvämligheten att kunna köra i princip hur långt som helst med fossilt bränsle men är det inte dags att tänka om nu? För oss handlar seglingen till stor del om att vara ett med naturen.

Livslängd och laddning

Cellerna är specificerade till 4 000 cykler vid 80% DoD, vilket betyder att cellens kapacitet utnyttjas mellan 10% och 90% laddning. Om vi laddar ur och i en gång om dagen så håller cellerna i 11 år. I praktiken kanske vi gör det 5 eller 10 gånger per år. Batteriet kommer med andra ord att överleva både oss och barnen. Om man istället nöjer sig med 50% DoD så ökar livslängden till det dubbla - minst.

Litiumjärnfosfat (LiFePO4)

Den andra mest vanliga frågan vi får är om det inte är farligt med litium-jon-batterier. Jo det är det men det är inte litium vi har utan litiumjärnfosfat. "Vanliga" litium-jon-batterier som finns i bärbara datorer, telefoner kameror etc. är brandfarliga, kan svälla och börja brinna våldsamt vid fel laddning. De innehåller dessutom nickel och kobolt vars utvinningen är problematisk, minst sagt. LiFePO4 däremot innehåller inte nickel och kobolt och dras inte med brandproblemen som lithiumbatterier gör. Nackdelen är att de har en aning lägre energitäthet, d.v.s. för samma vikt kan de inte lagra riktigt lika mycket energi. Mer om litiumjärnfosfat finns på wikipedia.

Fördelar jämfört med blybatterier

Vikt Ca 50% av ett blybatteri.
Linjär effekt och energi Ett LiFePO4-batteri levererar lika mycket energi oavsett strömuttag. Ett blybatteri levererar mindre i takt med ökat strömuttag i och med peukerts lag.
Låg självurladdning En tiondel jämfört med blybatterier, vilket betyder att de inte behöver underhållsladdas. Alla som glömt ett blybatteri utan laddare i båten över vintern vet att det är utslaget på våren. Med ett LiFePO4-batteri däremot är det bara att lämna halvfyllt på hösten och komma tillbaka till ett halvfullt på våren.
Låg och konstant inre resistans. Ett LiFePO4-batteri laddas med konstant ström hela vägen från tomt till fullt. I blybatterier ökar den inre resistansen i takt med laddningen, d.v.s. det blir trögare och trögare att ladda ett blybatter allt eftersom batteriet närmar sig full laddning.
Högre kapacitet Ett blybatteri kan sällan laddas ur lägre än till 50% laddning utan att riskera att skadas. Ett LiFePO4-batter kan laddas ur ned till 10% laddning vilket gör att får man ut högre kapacitet för "samma märkning".
Snabbare laddning Den låga och konstanta inre resistansen gör att man kan ladda ett LiFePO4-batteri på 1/4 av tiden jämfört med ett blybatteri.
Kapacitet vid låg temperatur Ett LiFePO4-batteri levererar 90% av sin kapacitet vid  0 ℃ jämfört med 50% hos ett blybatteri. Dock skall LiFePO4-batterier generellt inte laddas under 0 ℃, även om en del celler idag klarar detta ner till -5 ℃.
Kapacitet vid hög temperatur Ett LiFePO4 har ungefär dubbelt så hög kapacitet vid 50 ℃.
Ökad livslängd Med uppemot 8 000 laddcykler håller ett LiFePO4-batteri uppemot 20 gånger så lång tid som ett blybatteri.
Lägre underhåll

LiFePO4-batterier kräver inget som helst underhåll

Lägre ägandekostnad  25% - 50% av ett blybatteri. Trots att ett LiFePO4-batteri kostar betydligt mer än ett blybatteri blir den totala ägandekostnaden lägre.

Tack vare högre användbar kapacitet, snabbare laddning och lägre självurladdning räcker det med ett mindre LiFePO4-batteri än vad man hade behövt med ett blybatteri.

  40 Ah LiFePO4-batteri * 75 Ah marinbateri bly **
Användbar kapacitet 36 Ah 37,5 Ah
Laddtid 3 h 12 h
Vikt 8,3 Kg 18 Kg
Laddcykler 4 000 120
Kostnad 2 000 1 200
Pris / laddcykel 0,5 kronor 10 kronor

* GWL / Winston 40 Ah
** varta marin 75ah

Storlek på batteriet

Dimensioneringen av batterit görs utifrån två parametrar.
    1. Batteriet måste kunna leverera så mycket ström som motorn kräver vid maximal effekt.
    2. Efter strömuttaget är det gångtiden som avgör.

Motorn är på 10 kW, utmatad effekt. Räknat med en verkningsgrad på 80 % krävs en inmatad effekt på ca 13 kW, vilket ger en ström på ungefär 270 A. Batteriet behöver alltså klara att leverera 270 A.

Maximalt strömuttag från ett batteri anges i C. Ett batteri på 150 Ah med 0,5 C kan mata ut 75 A. Cellerna vi övervägde har 1 C i konstant urladdning och 2 C under en minut. I praktiken kommer vi aldrig att köra så hårt, förutom vid testkörningen och möjligtvis vid en olycka men det skall i alla fall gå att göra det om det verkligen behövs.

Istället för att köpa ett färdigt batteri har vi valt att bygga ett själva. Vi har köpte in 16 stycken LiFePO4 ackumulatorer som seriekopplas och bildar ett batteri med följande egenskaper.

Spänning 48 V (40-58)
Kapacitet 14 kWh
I och ur-laddningsström 280 A (1C)
Vikt 85 Kg
Cellspänning 2,5 - 3,65 V
Cellkapacitet 280 Ah

BMS

För att ha koll på batteriet krävs en BMS (Battery Management System). Dess uppgift är att koppla bort batteriet när spänningen på någon cell antingen går under eller över en viss spänning. Detta görs för att inte skada cellen genom överladdning eller man tömmer den helt. BMSen ser också till att alla celler håller samma spänning.

Batteriövervakning

För att ha koll på hur mycket energi som fins kar i batteriet ansluts en liten manick som kontinuerligt mäter hur mycket ström som går i eller ur batteriet. Den kan då visa hur mycket energi använts, hur mycket som finns kvar och tillgänglig gångtid utifrån aktuell belastning. Man kan med andra ord direkt se hur långt man kommer vid ett givet gaspådrag.

Laddning

Till att börja med kommer vi kunna ladda batteriet på två sätt. Med propellern, som en dynamo när vi seglar och med en landströmsladdare när vi ligger vid kaj. En av sakerna som skiljer ett litiumjärnfosfat-batteri från ett blybatteri är laddningen. Blybatterier har hög självurladdning och behöver därför i princip konstant underhållsladdas. Eftersom ett LiFePO4-batteri har mycket låg självurladdning skall det inte heller underhållsladdas. Framöver hoppas vi kunna montera kraftiga solpaneler som kan ladda det stora batteriet men det blir ett annat år.

Hastighet kontra räckvidd

Hur långt räcker då detta i vår fyra ton tunga Grinde? Tja det återstår att se. Att beräkna detta är både för komplext och för komplicerat för mig, utan vi helt enkelt göra en uppskattning och sedan göra tester i verkligheten. Det borde räcka till 20-30 Nm i 3-4 knop. Allt beror så klart på vind, vågor, ström, hur slätt skrovet är, propellern och hur många barn som badar i en tamp bakom. I det här blogginlägget kan du läsa mer om vad räckvidden borde bli.

Bloggämnen