Comment installer des batteries de bateau au lithium

Avec des demandes de puissance toujours croissantes sur les yachts de croisière d'aujourd'hui, Duncan Kent examine les batteries de bateau au lithium et explique ce qui est nécessaire pour garantir un système sûr et sans problème.

Ceux qui naviguent beaucoup, comme les croiseurs hauturiers, bénéficieront de la capacité supplémentaire des batteries de bateau au lithium, alimentées par un certain nombre de sources

Comment installer des batteries de bateau au lithium

Pour les yachts de croisière hauturière, la solution moderne à l'augmentation de la demande électrique consiste à installer un banc de batteries lithium-ion, en particulier si l'on envisage d'éliminer l'utilisation du GPL pour la cuisson.

Cependant, les installations lithium-ion peuvent être complexes et problématiques, et si elles ne sont pas faites correctement, elles peuvent présenter un risque d'incendie grave.

Avant tout, le seul type de chimie des cellules lithium-ion actuellement recommandé comme sûr pour une utilisation à bord d'un bateau est le lithium-fer-phosphate (LiFePO4), généralement abrégé en LFP.

Ces cellules sont pratiquement ignifuges en elles-mêmes, ayant été testées de manière approfondie par les services d'incendie de plusieurs pays, bien qu'elles puissent toujours provoquer un incendie (comme n'importe quelle batterie) si elles sont installées ou utilisées de manière incorrecte.

Les batteries de bateau au lithium rendent possible la cuisson par induction à bord

L'utilisation de mélanges lithium-ion automobiles avec des éléments tels que le nickel, le cobalt et le manganèse est fortement déconseillée pour une utilisation sur un bateau car ils sont beaucoup plus sujets à un «emballement thermique» en cas de défaillance.

Cela exclut effectivement l'utilisation d'anciennes batteries de voitures électriques car il n'existe aucun moyen réel de transférer le même système de protection complexe avec lequel elles ont été conçues à l'origine pour fonctionner.

Les yachts à propulsion électrique auront généralement un système de tension plus élevée (généralement 48V, 72V ou 96V), qui nécessite un système de contrôle très soigneusement conçu.

À ces fins, il est tentant d'incorporer des cellules lithium-ion de densité d'énergie plus élevée, telles que le lithium-cobalt (LiCoO2), mais cela nécessiterait une conception et une installation professionnelles et serait très coûteux.

De plus, si vous ne pouvez pas assurer votre bateau avec ce type de batterie installée, pourquoi le feriez-vous ?

Les principaux avantages des batteries LFP sont qu'elles acceptent une recharge très rapide et à courant élevé, et qu'elles peuvent être déchargées presque vides sans avoir besoin d'être rechargées régulièrement à 100 % de l'état de charge (SoC) comme vous devez le faire avec le plomb. -Batteries acide (LA).

En fait, ils sont plus heureux de s'asseoir entre 20% et 80% de SoC la plupart du temps. Vous pouvez même décharger complètement le LFP sans leur faire de mal, bien que la plupart des systèmes de gestion de batterie (BMS) intégrés les éteignent à environ 12 V, ce qui équivaut à environ 10 % de SoC.

L'emballement thermique et le feu sont le risque de batteries de bateau au lithium mal installées. Crédit : Alamy Banque D'Images

Il en va de même lorsqu'ils sont complètement chargés - le BMS doit éteindre automatiquement la source de charge à environ 14,2 V pour éviter qu'ils ne soient surchargés.

Les batteries LFP fourniront également un nombre de cycles de charge beaucoup plus élevé que la batterie LA de capacité équivalente, et enfin, elles sont également considérablement plus légères que tout type de batterie LA, ce qui peut faire une grande différence pour l'équilibre et les performances d'un voilier.

Avec la capacité d'accepter et de décharger des courants très élevés, tout câblage et protection de circuit associés pour les batteries LFP doivent être à la hauteur de la tâche et adaptés en conséquence.

Toutes les banques LFP nécessitent un système de gestion de batterie complet qui offre une protection contre l'inversion de polarité, un équilibrage des cellules individuelles, une limitation de la tension et du courant de charge, une gestion et une déconnexion d'urgence, une détection de la température de la batterie et de l'alternateur, une limitation et une gestion du courant de décharge, ainsi que des alarmes visuelles/audibles.

Il convient également de noter qu'avec de nombreuses marques de batteries LFP dites "drop-in" (celles avec un BMS intégré), il n'est pas toujours possible d'en joindre plus de deux en série ou en parallèle pour former une banque plus grande.

Le plomb-acide reste l'option préférée pour les batteries de démarrage, car les systèmes de gestion de batterie LFP peuvent empêcher une sortie suffisamment rapide. Crédit : Graham Snook/Yachting Monthly

Si vous avez besoin d'une plus grande capacité, il est souvent préférable de créer une banque personnalisée à partir de cellules individuelles de 3,2 V et de connecter un seul BMS externe pour contrôler l'ensemble de la banque simultanément.

Si vous envisagez de construire votre propre groupe de batteries à partir de cellules individuelles, vous devez acheter de nouvelles cellules de classe A.

La plupart des achats budgétaires en ligne en Chine sont des cellules pré-utilisées, souvent remplacées par l'alimentation sans interruption (UPS) d'une banque de stockage de données ou similaire.

Bien que vous puissiez être chanceux, cela ne vaut vraiment pas le coup car les retourner sera pratiquement impossible.

L'ajout de batteries de bateau au lithium est plus compliqué qu'un simple échange

Idéalement, les cellules auront été testées en capacité et arriveront à un niveau de tension très similaire, mais vous devrez toujours les équilibrer initialement pour en être sûr.

Bien que cela soit possible, il n'est pas conseillé d'utiliser des LFP pour le démarrage du moteur ou le fonctionnement du guindeau d'ancre et du propulseur d'étrave. La plupart ne fonctionneront pas de toute façon, car une telle consommation de courant instantanée et élevée de ces appareils peut souvent dépasser le seuil de sortie de leur BMS.

L'élément d'une installation LFP qui suscite le plus de préoccupations est de savoir comment configurer le système en toute sécurité pour la charge.

Comme pour la plupart des choses sur un bateau, il y a des choix personnels et des décisions pratiques à prendre en compte, et nombre d'entre eux varient en fonction de la taille et du type d'embarcation.

Les batteries LFP ont une très faible résistance par rapport aux types plomb-acide (LA), ce qui leur permet d'être chargées et déchargées à un taux beaucoup plus élevé - même jusqu'à 1C (1 x capacité, ou 100A pour une batterie de 100Ah).

Cependant, elles sont généralement chargées entre 0,5 C et 1,0 C jusqu'à ce que le courant de charge tombe entre 0,015 C et 0,03 C, lorsque la charge doit cesser pour ne pas surcharger les cellules.

Construire votre propre batterie à partir de cellules individuelles de 3,2 V avec un système de gestion de batterie externe vous permettra de créer une plus grande banque

Certains fabricants recommandent même d'arrêter la charge à 0,1 C pour réduire davantage le stress des cellules et prolonger leur durée de vie.

Contrairement aux batteries LA, le SoC ne peut pas être déterminé uniquement par la tension de la batterie, car celle-ci peut atteindre son apogée lorsque la batterie LFP n'est qu'à moitié chargée.

De plus, une batterie LFP de 12,8 V complètement chargée a une tension au repos comprise entre 13,4 V et 13,6 V, bien au-dessus des 12,7 V d'une batterie au plomb ordinaire. À 20 %, SoCit lira toujours 13 V, alors qu'une batterie LA sera à 11,8 V.

L'un des domaines les plus déroutants d'une mise à niveau LFP est de savoir comment configurer la charge de l'alternateur en fonction de votre installation et de tout équipement existant que vous souhaitez conserver.

Comme une batterie LFP a une résistance interne très faible, elle tirera autant de courant de l'alternateur que possible, et si elle le fait de manière incontrôlée, elle surchauffera les enroulements de l'alternateur, les détruisant en quelques minutes.

Si vous laissez une batterie de démarrage du moteur LA connectée directement à la sortie de l'alternateur et que vous incorporez un relais de détection de tension (VSR) pour charger le banc de loisirs LFP (comme vous le feriez normalement avec un banc de batteries domestiques LA), vous allez très probablement surcharger l'alternateur, VSR ou les deux.

Des systèmes de gestion de batterie externes sont nécessaires pour les grandes banques

En fait, même si le VSR survivait à ce scénario, il ne fonctionnerait pas comme il se doit en raison de la tension de repos plus élevée des LFP forçant le relais à rester activé en permanence.

Une solution recommandée consiste à installer un régulateur d'alternateur intelligent externe, qui sera équipé de capteurs de température d'alternateur et de batterie et limitera la charge en conséquence pour garantir que l'alternateur reste dans sa plage de température de fonctionnement, tout en permettant à autant de charge que possible d'atteindre le LFP. banque.

Une alternative, appréciée pour sa simplicité, consiste à envoyer la charge de l'alternateur directement à la batterie de démarrage, puis à installer un chargeur DC-DC (B2B) entre celle-ci et la batterie interne LFP.

Suite ci-dessous…

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Le principal avantage de cette méthode est qu'un chargeur DC-DC limitera le courant tiré de la batterie de démarrage, et donc de l'alternateur, tout en garantissant que les paramètres de charge de sortie sont entièrement compatibles avec la banque interne LFP.

Cela signifie également que les diodes de l'alternateur sont protégées si le LFP BMS s'arrête pour une raison quelconque, car il peut continuer à charger la batterie de démarrage normalement, et un chargeur DC-DC est également considérablement moins cher qu'un régulateur intelligent.

Le seul véritable inconvénient est que la charge allant à la banque sera limitée à la sortie maximale du chargeur DC-DC, bien que cela puisse être surmonté en installant plus d'un chargeur DC-DC en parallèle si un courant de charge total plus important est requis.

Il existe une méthode 'minimale' que j'ai rencontrée récemment, souvent appelée 'règlement à long fil'.

Il s'agit de connecter l'alternateur (avec régulateur intégré standard) directement à la banque LFP, puis de réguler la quantité de courant consommé en ajustant la taille et la longueur du câble, en utilisant la loi d'Ohm pour calculer la résistance requise pour réduire le courant de charge afin qu'il soit dans les limites de charge de travail sûres de l'alternateur.

Si vous naviguez dans des climats froids, méfiez-vous, les batteries de bateau au lithium n'acceptent pas la charge en dessous de 0°C.

Bien que cette théorie fonctionne, l'utilisation d'un fil comme résistance chauffera le fil et n'est pas recommandée par les institutions électriques marines professionnelles et serait certainement mal vue par les compagnies d'assurance en cas d'incident.

Un problème avec les batteries LFP de type "drop-in" est qu'une fois que le BMS décide que la batterie est complètement chargée, il déconnecte simplement la source de charge.

S'il s'agit d'un chargeur solaire ou DC-DC, tout ira bien. Mais s'il s'agit de votre alternateur, couper instantanément la charge fera sans aucun doute sauter ses diodes de sortie.

Enfin, il convient de noter que les batteries LFP n'acceptent aucune charge à 0°C ou moins.

Ainsi, si votre boîtier de batterie tombe régulièrement à de telles températures, vous devrez les placer sur des coussins chauffants pour les maintenir à 5°C ou plus.

Un chargeur DC-DC peut relier des batteries au lithium et au plomb

Cela entraînera une certaine consommation d'énergie mais au moins ils accepteront alors une charge.

Il y a aussi un aspect physique important à garder à l'esprit lors de la conversion aux batteries LFP.

Parce que les taux de charge plus élevés placeront une charge plus lourde sur votre alternateur, vous devrez vous assurer que votre courroie d'entraînement est à la hauteur.

Assurez-vous qu'il s'agit du bon type de courroie, en bon état et correctement tendue.

Une courroie trapézoïdale standard n'est suffisante que pour les alternateurs jusqu'à 75 A.

Au-dessus de cela, vous devrez passer à une courroie et à des poulies robustes telles que la transmission par courroie multicanal serpentine.

En raison de la capacité du LFP à accepter une charge de masse à courant élevé, certains propriétaires choisissent de les charger exclusivement à partir de l'énergie solaire.

Cela fonctionne bien, de toute façon dans des climats raisonnablement ensoleillés, en ce sens que vous pouvez verser autant d'énergie dans la banque que les panneaux en produiront pendant leur partie la plus productive de la journée.

Les panneaux solaires fonctionnent bien avec les batteries de bateau au lithium, car ils peuvent stocker des taux élevés de charge de pointe et ne gaspillent pas l'énergie solaire comme le font les batteries au plomb-acide à charge plus lente. Crédit : Richard Langdon

Cela signifie également que le BMS peut simplement éteindre les panneaux photovoltaïques sans dommage lorsque les batteries ont atteint leur SoC prérequis.

L'inconvénient évident si vous naviguez toute l'année est le manque de soleil en hiver.

Dans ce cas, je vous conseillerais soit d'ajouter une charge d'alternateur via un chargeur DC-DC, soit de garder un petit générateur portable et un chargeur secteur compatible LFP à bord pour les courtes journées d'hiver nuageuses.

La plupart des chargeurs de batterie marine modernes sont désormais équipés d'un régime de charge LiFePO4 intégré pour garantir que les tensions de charge sont maintenues dans les paramètres corrects.

Comme les LFP détestent être chargés en continu, même en mode flottant, l'utilisation d'un chargeur compatible LFP leur permet d'être laissés sans surveillance en toute sécurité.

Un contrôleur de charge solaire MPPT décent vous aidera à tirer le meilleur parti de votre énergie solaire

Il est cependant possible d'utiliser un chargeur de batterie LA standard à un étage en mode AGM, à condition de surveiller en permanence l'état des batteries et de déconnecter le chargeur immédiatement lorsque le SoC ou la tension de crête souhaitée est atteinte (certainement pas supérieure à 14,6 V - 14,2 V est plus sûr).

Une fonction essentielle à vérifier si vous utilisez un chargeur d'alimentation à quai non LFP est de savoir s'il est configuré pour effectuer un cycle de désulfatation automatique (égalisation), dans lequel la tension de charge est augmentée à 15,5 V ou plus pendant plusieurs heures.

Ceci doit être désactivé car il détruira les cellules LFP s'il est activé.

Après des années à avertir les plaisanciers de ne jamais mélanger différentes chimies de batterie dans une même banque, les «experts» ont proclamé que, dans le cas de LA/LFP, l'inverse est vrai et qu'une banque hybride LA/LFP est parfaitement sûre et peut même offrir le meilleur des deux mondes.

Nous ne parlons pas ici d'une répartition 50/50 LA/LFP, plus généralement d'un seul LFP pour augmenter la capacité d'une banque interne LA existante.

La théorie sous-jacente est que la batterie LA module les excès du LFP, tout en étant elle-même maintenue en parfait état.

RELION est un bon exemple de batterie LFP avec un BMS interne

La batterie LFP, qui est simplement connectée en parallèle avec la banque de maison LA, acceptera l'essentiel de toute charge jusqu'à ce qu'elle atteigne le seuil de tension supérieur préprogrammé sur le BMS (généralement défini pour environ 90 % de SoC).

À ce stade, le BMS arrêtera la charge du LFP et la banque LA continuera à facturer seule.

Lors de la décharge, le LFP sera naturellement drainé en premier jusqu'à ce que sa tension atteigne 12,8 V, moment auquel les LA commenceront également à fournir de l'énergie.

Une fois que la banque tombe en dessous du seuil de basse tension BMS du LFP, elle s'éteint simplement et laisse les batteries LA continuer à fonctionner normalement.

L'intérêt d'un tel système hybride est que les batteries LA ont beaucoup moins de travail à faire et sont maintenues en permanence rechargées par la batterie LFP.

Cela signifie également que les diodes de l'alternateur sont en sécurité lorsque le BMS s'arrête lorsque la charge est transférée à la banque LA.

Bien que cette idée ait été testée et prouvée comme fonctionnant en toute sécurité par un certain nombre d'électriciens marins qualifiés, l'Organisation internationale de normalisation (ISO) et l'American Boat and Yacht Council (ABYC) ont déclaré que le mélange de chimies de batterie telles que Li-ion et LA est n'est pas recommandé et ne sera pas approuvé pour la certification.

Déterminez si l'alimentation à quai fait partie de votre régime de charge régulier

C'est ce dernier que les assureurs maritimes écouteront lors de la formulation de leurs polices.

On ne ferait confiance qu'aux batteries LFP sur un bateau. Les autres batteries li-ion existantes actuellement disponibles ne sont tout simplement pas adaptées à l'environnement marin.

Cependant, nous vous recommandons d'envisager d'installer un groupe de batteries domestiques LFP lors de votre prochaine mise à niveau, car les avantages d'une charge rapide, d'une plus grande capacité utilisable, d'une durée de vie plus longue et de la possibilité de les laisser à moitié chargées pendant de longues périodes, l'emportent de loin sur la légère augmentation de la charge initiale. coût et la nécessité de changer quelques aspects du système de tarification.

Nous recommandons également d'installer des installations de recharge solaire, aussi petites soient-elles, car elles fonctionnent main dans la main avec les cellules LFP, même dans les climats les moins ensoleillés du Royaume-Uni.

Chaque bateau est différent, selon l'équipement, les charges électriques prévues et le type d'utilisation.

Il vaut la peine de demander l'avis d'un professionnel avant de se lancer et d'ajouter une batterie au lithium dans votre bateau.

Il y a bien plus qu'un simple échange.

Les trois méthodes d'installation les plus courantes utilisant le démarrage du moteur LA et les batteries de maison LFP sont :

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