la cantidad de ciclos de uso son
siempre muy inferiores a los indicados por los fabricantes. En
un mundo real ocurre la sulfatación y tenemos despistes que
abusan de las descargas muy profundas que machacan las baterías
de ácido plomo.
La realidad se impone y en países
como EEUU, la venta de baterías de LiFePO4 (química basada en
litio, hierro y fosfato) ya es el DOBLE, respecto a las ventas
de baterías de ácido plomo de ciclo profundo. Esta es la
realidad que se impone y que ciertamente va a acabar por barrer
totalmente con el ácido plomo en unos pocos años más (de hecho
ya lo está haciendo…).
La “historia” de los ciclos de
carga y descarga
Aunque los fabricantes de ácido plomo
indican de 600 a 1.200 ciclos de carga y descarga, esto es
simplemente una broma (o una estafa, según lo quiera entender el
cliente…). Basta someter a las baterías a unas pocas decenas de
ciclos profundos de verdad, para simplemente acabar con la vida de
todo el parque. Que se lo pregunten a los armadores de los barcos de
chárter, en dónde los clientes no tienen ningún reparo en someter al
parque, a ciclos profundos hasta simplemente agotarlas tras cada
madrugada. Conozco barcos de chárter que han tenido que cambiar
todas las baterías de servicio, DOS veces durante una misma
temporada.
Algunos armadores argumentan por el
contrario, que sus baterías de plomo duran 8 ó 10 años y siguen tan bien como
el primer días… Falso, si no abusamos de ellas y utilizamos sólo el
40% de la capacidad de carga total y sobretodo, disponemos de
paneles solares que las mantengan día tras día a sus 13,5 voltios,
la afirmación pudiera parecer cierta, cogida con alfileres, pero NO
lo es… Así lo comprobé en mi anterior barco, con unos 500 Ah que
tenía instalados (4 baterías x 120 Ah), de los cuales jamás utilicé
ni la mitad de esta capacidad y a pesar de todo, a los pocos años de
uso, la capacidad de carga real era muy inferior a la indicada por
el fabricante (posiblemente menos de la mitad de la capacidad de
almacenamiento indicada). Pero claro… el hecho
de verlas todos los días por la mañana, a 13,5 volt gracias al chute
de amperios de los paneles solares, siempre me hizo creer que tenía
un parque de servicio superdotado, cuando lo único que realmente
estaba superdotado era la producción de amperios gracias a los
paneles solares sobre el bimini (totalmente imprescindible para
vivir a gusto en el barco).
La realidad es que incluso con
baterías de reconocido prestigio y mejores tecnologías tipo Gel o
AGM, la capacidad de almacenamiento decae muy rápido incluso con un
uso razonable. Según los estándares de mercado, si una batería
entrega menos de un 80% de su capacidad nominal de almacenamiento es
de suponer que ha llegado al final de su vida. Esto es simplemente
una broma, pues lo sepan o no los armadores, la inmensa mayoría de
los barcos está por debajo del 60 ó 70% cómo mucho. Por ejemplo,
para alguna famosa marca de mucho prestigio (no quiero decir su
nombre) tras realizar 30 ciclos de carga y descarga al 50% de
profundidad, comprobamos como habíamos perdido un 35% de la
capacidad de almacenamiento. Es decir teníamos un parque nuevo, pero
de sólo el 65% de su capacidad nominal…
Si lo comparamos con los ciclos de
vida reales de una batería LiFePo4 que puede oscilar entre los 3.000
y 5.000 ciclos utilizando casi el 100% de su capacidad, empezaremos
a entender las cifras de ventas actuales.
El precio se impone
El precio actual (2024) del AGM es de
unos 6 €/Ah, teniendo en cuenta que sólo podemos utilizar la mitad
(para ser generosos) de lo que instalamos para no cargarnos el
parque en 30 días, el precio real de cada AH, será el doble…
Por el contrario el precio del LiFePO4
no ha hecho más que bajar, y continúa su descenso. Este veranos
(agosto 2024) el precio es de 0,15 €/wh para baterías montadas a
partir de células individuales a las que hemos instalado un BMS. Más
caras son las baterías tipo “drop-in” (es decir que se sustituyen en
formato a las de plomo- ojo pues debemos tener en cuenta varias
consideraciones que luego comentamos) y que llevan su control BMS
integrado e incluso tienen dimensiones parecidas a las de ácido
plomo, para que encajen en las cajas del parque actual del barco.
Marca como “Epoch”, “Battle zone”, “Vatrer”, “Li-Time”, nos
permitirán una migración segura, si decidimos instalar este tipo de
batería….
¿Sustituir y listo?
No tan rápido… A pesar de utilizar
baterías “drop-in” (las que se parecen en formato y tensión a las
típicas de ácido plomo), la cosa es más complicada, por varios
asuntos; Debemos tener un cargador de baterías que esté preparado
para poder cargar baterías de litio, pues la tensión de carga es
distinta a las de plomo, y además debemos tener un alternador del
motor que también acepte las nuevas baterías de litio, pues estás
chupan amperios a tal velocidad que pueden “freir” el generador por
exceso de temperatura. Para esto existen varias soluciones, como más
adelante comentamos en este texto.
Baterías tipo
“Drop-In”
Drop-In en
inglés significa “meterlas” tal cual en el mismo sitio. Son
baterías de “litio, hierro, fosfato”, con una caja o formato
de tamaño idéntico al estándar de mercado utilizado para las
de plomo y que además lleva dentro un circuito protector
llamado BMS, que se encarga de proteger a la batería de todas
los abusos a las que podríamos someter por desconocimiento o
torpeza; Cargarlas a temperaturas por debajo de cero grados
centígrados, ponerlas en corto o exigirlas una descarga
salvaje, sobrecargarlas a demasiada tensión, o protegerlas
contra un exceso de calor interno debido a una corriente de
consumo demasiado alta.
Internamente una
batería “drop-in” de 12 voltios tiene en su interior 4 células
de LIFePo4 cada una de ellas de 3,2 Volts, conectadas en
serie, para obtener un voltaje de 12,8 Volts.
Las células de
3,2 voltios se fabrican en varios formatos de los cuales el
“prismático” consiste en un bloque rectangular que debe ser
empaquetado a presión para evitar que se deformen y expandan
durante la carga.
Existen también células cilíndricas de
diferentes tamaños y tienen la ventaja de no expandirse
durante la carga por la resistencia mecánica de los
contenedores cilíndricos, frente a los bloques
rectangulares. Estas cilíndricas tienen menor capacidad de
almacenamiento por lo que se necesitan conexiones en paralelo
previo al enlace serie y por tanto más soldaduras y trabajo de
fabricación. A más soldaduras más posibilidades de fallos y
roturas debido a vibraciones o movimientos del barco, por lo
que es más aconsejable utilizar células prismáticas.
También
existe un tercer formato conocido como “bolsas”, que es muy
parecido al que utilizan muchos dispositivos electrónicos como
los teléfonos móviles, pero que no se utilizan en baterías
para barcos, pues estas bolsas pueden estropearse en entornos
con mucho movimiento, vibraciones o pantocazos.
El Circuito
digital BMS está metido dentro de la batería, y además de
efectuar las labores de protección que ya hemos indicado,
también permite balancear la carga de las células (que no es
otra cosa más que gestionar la carga de forma individualizada
célula a célula, para que todas estas células estén a la misma
tensión de trabajo).
Cuidado con los
precios más baratos que se consiguen para las baterías
“Drop-In” en Ali-Express, eBay, Temu y otros sitios
parecidos, pues es probable que nos envíen baterías con
células de segundas calidades y especificaciones “tramposas”.
Es mejor acudir a algún importador que “mueva” volumen y por
tanto importe en máxima calidad y no se la juegue ofreciendo
malas calidades.
En definitiva
una buena batería debe tener un buen BMS que acepte los
consumos más altos que pueda necesitar nuestro barco. Si el
motor del molinete o la hélice de proa o winch eléctrico
indica una potencia de 2.000 watios, ésta será mucho mayor en
el momento de ponerlo en marcha. Un motor de 2.000 watios
puede exigir el doble de potencia durante los primeros 300 ó
400 milisegundos de arranque.
También deben
ser resistente frente a vibraciones y pantocazos por tanto
fuertes aceleraciones. El BMS debe avisarnos mediante señal
acústica o un piloto de salida por el bus de datos, de
posibles fallos por calentamiento o desconexión. Esto está ya
indicado como requerimiento en las normas ISO para este tipo
de nuevas baterías. El BMS también debe proteger las células
frente a bajas temperaturas, altas temperaturas o tensiones
extremas tanto bajas como altas.
|
¿Son seguras frente a fuegos y
explosiones?
Hay mucha desinformación sobre este
particular… Algunos armadores creen que son peligrosas y pueden
arder (como ya ha ocurrido con los coches eléctricos). Pero no
todas las baterías de litio son iguales. Las de los coches son de
tipo LiCoO2 (litio y cobalto) “otra” química de litio de mayor
densidad energética, pero susceptibles de arder bajo determinadas
condiciones extremas.
Esto es IMPOSIBLE con las LiFePO4 y
para dejarlo claro, la comparación es como si estuviéramos
tratando con agua y otras con gasolina. Las LiFePO4 de las que
hablamos en este artículo, son extremadamente seguras y es muy
improbable que se desencadene un fenómeno de calentamiento
descontrolado (lo que los anglosajones llaman “thermal runaway”),
como si puede ocurrir con químicas de litio del tipo LiCoO2 y LiMnNi
(Litio cobalto o Litio Manganeso) utilizadas en los coches.
Incluso en caso de fallo del regulador
de carga, o fallo de un cargador que entregara una tensión de
“locos” (por ejemplo 100 voltios en vez de los 14 volt a los que
deben cargar), e incluso si además fallara el BMS de protección de
la batería, las células de LiFePO4, se hincharían quedando
estropeadas, pero sin fuegos ni peligro de incendio.
Que es el BMS y cómo funciona
Acrónimo de “Battery Management
System”,
o sistema de control de la batería, se trata de un circuito
electrónico con un controlador digital y una etapa de potencia con
transistores MOSFET, que crea una “frontera” de control entre las
células de la batería y la salida hacia los consumos o la carga. El
BMS protege cada una de las células de la batería de litio contra
sobre cargas, sobre descargas, y temperaturas, además de funcionar
como balanceador para que todas las células trabajen a la misma
tensión y por tanto se aproveche al máximo la capacidad de
almacenamiento de la batería. El BMS desconectará la batería de la
fuente de carga o de de los consumos en caso necesario.
Debemos tener presente que los
molinetes de ancla o las hélices de proa demandan corrientes
puntuales muy intensas de varios cientos de amperios (Por ejemplo,
el motor de una hélice de proa de 4 KW a 12 voltios demandará una
corriente de 350 amperios y algunas de más potencia pueden exigir
descargas de hasta 600 A). El BMS de la batería debe ser capaz de
entregar esas intensidades, que en montajes de parques en paralelo
se dividirá por el número de baterías instaladas.
No deberíamos aceptar baterías cuya
corriente máxima de descarga sea 100 ó 120 A, y buscaremos otras
cuyos BMS sean capaces de controlar descargas de 300 ó 400 A. Por
ejemplo, el BMS de Mastervolt o el de Lithionics para baterías
marinas de litio, es capaz de entregar 500A de forma continua o
hasta 1450 A en un período de 30 segundos.
Muchas baterías de tipo "Drop-in"
tienen por desgracia una corriente máxima limitada e inadecuada a
los picos de intensidad que necesitamos a veces en nuestros barcos.
Por ello en muchas instalaciones se opta por montar baterías que
ofrecen mayores intensidades o diseñadas y construidas con celdas,
para que cumplan las especificaciones que necesitemos en nuestro
barco.
Un motor de arranque de un barco
también exige una muy alta corriente durante los primeros
milisegundos y es casi como un cortocircuito para los transistores
de potencia del BMS. Esta exigencia puede forzar demasiado a los
MOSFET del BMS y acortar la vida del circuito de protección. Esta es
la razón por la que debemos quedarnos por ahora con baterías de
plomo para el arranque del motor del barco.
Pero como ya hemos explicado, si
conectamos varias baterías en paralelo, además de multiplicar la
capacidad del parque total instalado, también estaremos
incrementando la máxima capacidad de ofrecer amperios a un gran
consumo, como lo es por ejemplo una hélice de proa o un molinete de
ancla o un inversor. Por ejemplo, 4 baterías de 100 Ah 1C pueden en
principio, si están bien cableadas e instaladas, soportar una
descarga continuada de 400 A. El cableado debe estar bien efectuado
para que la descarga se reparta a partes iguales entre las 4
baterías.
Pero siempre será mejor montar dos
baterías de 300 Amperios que 6 baterías de 100 A montadas en
paralelo. El balanceo de cargas con demasiadas baterías en paralelo
puede llegar a convertirse en un dolor de cabeza, y por ello me
mejor montar menos baterías pero de mayor capacidad de
almacenamiento de energía.
Un buen BMS debe ser capaz de
comunicarse a través de un bus de datos con el resto de los equipos
de potencia, cargadores o inversores. Muchos de ellos permiten
comunicarse mediante BlueTooth para poder consultar detalles de
funcionamiento de la batería. Debemos tener presente que bastantes
BMS solo controlan los fallos catastróficos y protegen de
temperaturas extremas, pero no efectúan correctamente el balanceo
entre células, por lo que a la hora de escoger, debemos fijarnos
bien en las especificaciones del fabricante.
Esto es fundamental para conseguir
maximizar la vida del parque y disfrutar de miles de ciclos de carga
a plena capacidad de carga. Para ello el BMS debe proteger y no
apurar al máximo las tensiones de corte, tanto por arriba como por
abajo (HVC y LVC: Tensión de corte en ciclo de carga y tensión de
corte en descarga). En parques de 12 voltios, debemos evitar
baterías que apuren los extremos de tensión por encima de los 14,6
voltios a máxima carga y descargas por debajo de los 10 voltios.
Ojo con los alternadores de
siempre
La baterías LiFePO4 son capaces de
absorber energía a mucha velocidad, debido a su extremadamente baja
resistencia interna. Los alternadores típicos están pensados para
ser montados con baterías de ácido plomo que no son capaces de
cargar a este alto régimen. Esto hace que los generadores intenten
suministrar potencia de forma intensiva, produciendo su
calentamiento y en muchos casos su destrucción.
Además, el BMS de una batería de litio
puede interrumpir la carga de repente cuando sea necesario para la
batería, o cuando la batería está totalmente cargada, mientras el
alternador se esfuerza en entregar lo máximo que puede. Esto genera
un transitorio de alto voltaje (100 o más voltios durante 300 ó 400
milisegundos) en el circuito, que puede acabar con la vida de los
diodos rectificadores o el regulador del alternador o de otros
equipos conectados al circuito de cargas (equipamiento del barco ,
electrónica,…). Esto se arregla con diodos de tipo “avalancha”
utilizados en alternadores más modernos como los “Balmar”, pero el
resto de las cargas del barco quedarán desprotegidas. Más adelante
explicaremos un eficaz montaje para solventar toda esta problemática
mediante un cargador de tipo DC-DC.
Por este motivo es muy importante
instalar un dispositivo que pueda aislar el alternador mientras lo
protege de estos fenómenos, como por ejemplo el Sterling APD o el
APM de Balmar. En alternadores con regulación externa que podemos
programar, encontramos en el mercado el ArcoZeus, BalarMC-618 o el
Wakespeed WS-500.
Algunos BMS avanzados tiene un cable
de señal de aviso de desconexión que nos permitirá activar un relay
que desacople los equipos de carga (cargador, regulador solar, o el
alternador abriendo el circuito de excitación del alternador B+),
antes del corte de la batería.
Utilizar un cargador DC-DC
Es una de las mejores soluciones para
convertir el barco a Litio sin tener que cambiar el alternador del
barco. La idea consiste en dejar que el alternador del barco trabaje
con una (o unas) batería de ácido plomo utilizada para el arranque
del motor y que desde esta batería cargada por el alternador, se
alimente al parque de litio a través de un “puente” que aísla los
dos sistemas. Con este tipo de montaje evitamos toda la problemática
del alternador y los picos de tensión en el circuito eléctrico, que
se puede generar en la desconexión del litio cuando éste quede en
carga máxima.
El cargador DC a DC, bombea energía
entre los dos sistemas aislándolos entre sí y permitiendo configurar
un perfil de carga a las necesidades del Litio. Uno de estos equipos
es el Orion de Victron y otro es el TR Smart del fabricante Sterlin,
que además pueden absorber el transitorio cuando el BMS de la
batería desconecta la batería del circuito.
Con este tipo de solución es
importante dimensionar bien la capacidad del cargador DC-DC, que
debe estar como máximo en un 50% de la potencia que pueda entregar
el alternador. Si nuestro alternador llega a generar 90 Amperios,
pues podemos montar un DC-DC de 40 ó 50 Amperios, para de esta
manera evitar llevar al alternador al límite en la carga del litio,
evitando someterlo a posibles sobrecalentamientos.
Litio en serie o en paralelo
Bastantes barcos tienen el parque de
baterías a 24 voltios, muchas veces conseguido mediante conexionado
en serie por parejas y a su vez conectando estas parejas en
paralelo.
No es demasiado aconsejado con
baterías Litio de tipo ‘Drop-in’, a no ser que éstas tengan cables
de comunicación para balancearse internamente en pareja y entre
ellas. En paralelo el tema no es tan crítico y si es posible que
esten conexionadas entre si por un cable de señales. El balanceo entre ellas se efectúa de forma
individual contralado por el BMS de cada batería, pero a pesar de
ello no deberíamos pasar de 4 baterías en paralelo o en cualquier
caso consultar con el fabricante. Es importante que la longitud de
grueso cable eléctrico que va desde cada una de ellas a la barra de
negativos y positivos tenga la misma longitud para que no se
produzcan desequilibrios de algunos milivoltios entre ellas.
Si necesitamos en
litio parques de 24 voltios, debemos montar baterías que sean
directamente de 24 voltios, evitando las conexiones en serie de 2 de
ellas aunque también se puede hacer previa consulta con el
fabricante.
Mezclar distintos tipos de
baterías
Totalmente desaconsejado y sin
sentido, pero si muy peligro. En definitiva NO podemos mezclar
baterías de plomo con baterías de LiFePO4, pues las tensiones y
parámetros de carga, así como la resistencia interna, son distintas
y si una de plomo cortocircuita un vaso, la de Litio la podría hacer
explotar.
No debemos mezclar distintas químicas,
de ninguna manera. Tampoco es buena idea mezcla baterías de litio de
diferentes fabricantes, pues sus distintos BMS tendrán ligeras
diferencias en los valores de tensión de corte y carga que
conducirían a problemas de balanceos de las células de alguna de las
baterías.
Pero si tiene todo el sentido, montar
“capas” de energía en diferentes tecnologías. Ya hemos hablado de
conservar la instalación de plomo, aunque sea de forma más reducida
(conservando solo una o dos baterías) y hacer un puente mediante un
DC-DC, hacia el LiFePO4, que pasará a ser el verdadero parque de
servicio de gran capacidad y alto almacenamiento.
Cuidado con el cargador actual
del barco
Debemos asegurarnos que el cargador
actual permita el uso de baterías LiFePO4, pues las tensiones y
parámetros de carga son distintos. Al poner varias baterías en
paralelo por primera vez, debemos asegurarnos que estén a la misma
tensión, con diferencias por debajo de los 50 mVolt entre ellas,
evitando así problemas de balanceo.
La tensión de carga para varias
baterías LiFePo2 conectadas en paralelo debe estar entre los 13,8 y
los 14,2 voltios, y si se trata de una sola batería la tensión será
de 14,6 voltios. En cuanto a la corriente máxima de carga, no
debemos sobrepasar el 50% de la capacidad instalada (o lo que es lo
mismo 0,5 C). Cuando a esta tensión la corriente de carga caiga un
5%, el cargador debe detener la carga de las LiFePO4.
Que es la tensión de flotación
Dato típico de la época de baterías de
plomo, (AGM, Gel, y otras), pues una batería de plomo se protege y
beneficia al estar sometida a la tensión de máxima carga, conocida
como tensión de flotación (ojo no confundir con la tensión de carga
que en ácido plomo es ligeramente mayor a esta tensión de
flotación).
Pero las LiFePO4 odian estar sometidas
a una tensión de máxima carga, o a ninguna tensión de flotación,
como ocurre con el plomo, y se encuentran mucho más cómodas durante
períodos largos sin uso, en tensiones algo por debajo de su tensión
de carga máxima. De esta manera se alarga la vida de la batería y la
cantidad de ciclos que pueden ofrecer.
Tan es así, que algunos sistemas de
baterías de litio como las de los drones de DJI, pasado un tiempo
sin uso, ponen en marcha un mecanismo para descargarse
automáticamente mediante una resistencia, hasta bajar la batería a
un 60% o incluso algo menos, pues es en esta capacidad de carga en
dónde se alarga la vida de la batería y por tanto conseguiremos
4.000 ó 5.000 ciclos de carga.
Una vez cargadas, la LiFePO4 cortan la
carga y NO quieren recibir tensión alguna del cargador. No existe
por tanto la tensión de flotación y algunos fabricantes la mantienen
como herencia de un pasado que está desapareciendo.
Por tanto si hibernamos el barco con
LiFePO4, lo suyo no es cargar el parque de baterías a tope y será
mejor dejar el parque a media carga, y tras 6 o más meses de
inactividad, es bueno hacer un ciclo completo de carga para
balancear las células. Por esta misma razón, aunque parezca
contra-intuitivo, en un barco con LiFePO4 y paneles solares, cuando
nos vayamos por largas temporadas, lo suyo es desconectar los
paneles solares para que estos no entreguen energía y el parque
quede cargado en torno al 50% de su capacidad total.
Ojo con la carga de los paneles
solares
La tendencia entre los armadores (y
propietarios de casas con instalaciones solares) es la de poner
varios paneles en serie y sumar voltajes hacia un regulador MPPT que
trabaje en el punto de máxima potencia y así aprovechar los primeros
rayos solares de la mañana y del atardecer. Bien es correcto, Pero…
Ojo con el regulador solar que
ponemos, porque como este falle, estaremos inyectando 100 ó 200
voltios en continua hacia las baterías. En un parque de ácido plomo
ésto conduce a una explosión de las baterías y con salpicaduras de
ácido sulfúrico por todo el barco. En LiFePO4, freiremos los BMS (Lo
cual es siempre mucho mejor a lo que ocurre con las de plomo). A
partir de ese momento si el BMS se pone en corto, los 100 voltios
entrarían a las células destruyendo estos módulos (eso sí, sin
explosiones ni incendio). Por este motivo, cuánto más alta sea la
tensión de pico de la salida de su parque solar (lo cual está bien),
más debemos contar con primeras marcas en su regulador MPPT (Victron,
Mastervolt, etc..) que están fabricados con salidas y entradas
aisladas y de las que no se tiene conocimiento de fallos, como si ha
ocurrido con algunas otras marcas de vendedores tipo Aliexpres, Temu
y similares. En el regulador solar, si este trabaja con paneles
solares serializados, no conviene jugársela con marcas poco
conocidas aunque sean notablemente más económicas.
La solución también pasa por hacer un
montaje de paneles en serie y paralelo y no sumar todos los paneles
“a saco” (lo cual tampoco sería la solución más optimizada en caso
de entrada en sombra de alguno de ellos).
Por ejemplo, podemos montar parejas de
paneles de misma potencia en serie y si tenemos espacio para 4 ó 6
paneles en el barco hacer 3 parejas en paralelo, e incluso cada
pareja llevarla a un MPPT dedicado para cada 2 paneles y por tanto
de menor intensidad. En este asunto lo importante es limitar el
voltaje de pico a 50 ó 60 voltios o quedarnos mejor en el límite de
tensión que el BMS es capaz de soportar, de forma que en caso de
fallo en el regulador solar, el BMS de la batería tome el relevo y
corte la carga si fuera necesario.
Cuidado con los consumos
exagerados
Ya hemos hablado de la importancia de
no someter al parque a corrientes de salida salvajes, como a veces
ocurre con la hélice de proa o el molinete en menor medida. Y por
supuesto que NO es buena idea hacer uso del molinete mientras
estamos dándole a la hélice de proa…
Es bueno hacerse con un instrumento de
medida de tipo pinza amperimétrica y medir el consumo real de
nuestros equipos más tragones de amperios (sin lugar a dudas la
hélice de proa). Tampoco está de más conocer la corriente que chupa
nuestro inversor a 220 volts, especialmente si tenemos en el barco
una vitrocerámica en la cocina. Ojo con las pinzas amperimétricas
pues muchas de ellas no dan medidas correctas y mejor será medirlas
con un buen “Fluke” que no engaña.
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