Elsystem, del 3 – Batterieladdare

Det finns flera olika laddare ombord som används för att ladda batterier från olika energikällor som generator på motor, landström, solpaneler, vindkraftverk, släpgenerator eller elverk. Det blir lätt komplicerade elinstallationer med olika laddare som ska samarbeta om laddningen av de så viktiga och dyrbara batterierna.

Den här artikeln ger dig mer information om hur batteriladdningen fungerar och är uppbyggd.

Eftersom batterierna vi använder i såna här elsystem är dyrbara och viktiga för säkerheten ombord, använd bara flerstegs automatiska kvalitetsladdare som är avsedda för den typ av batterier båten har i sina batteribanker. Säkerställ att laddarna är rätt installerade, har rätt konfigurering och rätt värde på laddspänningarna.

Då omgivningstemperaturn kan skilja mycket från normtemperaturnen som brukar vara 20 grader Celsius, bör laddarna även kunna känna av batteritemperatur för att använda rätt spänning när batterierna laddas.

3-stegsladdning

Batterier som använder bly-syra eller litiumjon kan laddas efter samma princip, dvs 3-stegsladdning. Men olika typer av batterier kräver olika laddningsparametrar (spänning, ström). Moderna flerstegsladdare för marint bruk kan därför ställas in att ladda de flesta förekommande bly-syra batterier och LFP-batterier.

De 3 olika laddningssteg som alla moderna laddare använder är

  1. Bulk
    Det här steget laddar batteriet med en konstant ström tills batterispänningen uppnår ett visst värde som beror av batterityp och som är inställt i laddaren. När det här värdet uppnås går laddaren över till Absoption.
  2. Absorption
    Det här steget laddar med en konstant späning tills strömmen minskat till ett visst värde som beror av batterityp och batterikapacitet. Värdet är inställt i laddaren. När strömmen minskat till detta värde, går laddaren över i Float.
  3. Float
    När det här steget börjar, sänks spänningen till ett visst värde som beror av batterityp. Spänningsvärdet är inställt i laddaren. Laddaren håller spänningen inom ett visst intervall från det här värdet. Detta kompenserar för batteriets självurladdning samt för viss förbrukning.
    Om batterispänningen sjunker under intervallets lägsta värde längre än viss tid, startas laddningsprocessen om genom att laddaren går över till Bulk igen.

Bilden nedan visar hur spänning och ström ändras i de olika stegen i en 3-stegs laddare.

Volt (röd) och ström (blå) under de tre laddstegen

Equalization (Rekonditionering)

Det finns ett fjärde laddsteg Equalization som är avsett för bly-syra batterier (ej GEL) och innebär att laddaren använder en konstant spänning som är högre än under Absorption (omkring 15.5V för ett batteri med 12V nominell spänning). Syftet är att minska mängden sulfatering, Elsystem, Del 3 – Fakta blybatterier.

En del laddare utför detta automatiskt, medan andra laddare kräver manuell start av det här steget. Kontrollera med batterileverantören för att få uppgift om spänning och hur länge rekonditionering ska göras. När rekonditionering behöver göras, beror hur länge batteriet varit helt eller delvis urladdat. Lyssna med leverantören av batteriet hur ofta du behöver rekonditionera.

Min egen uppfattning är att startbatteriet inte behöver rekonditioneras så länge generatorn fungerar som den ska och motorn är lättstartad. Däremot behöver batterierna till båtens övriga förbukare förmodligen rekonditioneras varje säsong och oftare om du använder båten året om.

Varningar

  • Eftersom spänningen är hög under det här laddnings-steget, finns det risk att batteriet bildar vätgas som släpps ut via säkerhetsventilen. På ett GEL-batteri bildar vätgasen permanenta blåsor i GEL’en och det förstör batteriet.
  • Vid rekonditionering av parallellkopplade batterier, koppla isär och rekonditionera dem separat.
  • Om du ska rekonditionera två seriekopplade 12V batterier, koppla isär dem först och rekonditionera individuellt med 12V laddare.
  • Om du har förbrukare som inte tål den höga spänningen under en rekonditionering, bör du koppla bort batteriet från förbrukarna.

Storage

Vissa moderna laddare har även ett femte laddsteg, Storage, som används när batteriet ska långtidslagras. Det påminner om Float, men med lägre spänning. Framför allt kan det vara användbart för LFP-batterier som ju mår bäst av att långtidslagras delvis urladdade till skillnad från bly-syra batterier som mår bäst av att vara laddade till 100%.

Laddeffekt

Laddarens effekt avgör hur mycket ström den maximalt kan ladda med under bulk-steget och det avgör hur fort den kan ladda upp batteriet till nästan fullt. Det är ingen idé att ha laddare med större effekt (ström) än vad batterierna mår bra av.

Batterier är märkta med max laddström. Har man en batteribank med parallellkopplade batterier, kan den laddas med max laddström multipicerat med antal parallellkopplade batterier.

AGM- och GEL-batterier kan generellt sett laddas med en ström som är omkring 20% av batteriets kapacitet plus den effekt som används av förbrukare under laddning, ex.vis 10A. Det innebär att ett 100Ah batteri bör laddas med minst 20A + 10A = 30A.

Ett urladdat 100Ah batteri (50% SoC) tar då omkring 6 tim att ladda.

LFP-batterier kan laddas med en en ström som är upp till 50% av batteriets kapacitet. Används högre ström kortas batteriets livslängd.

Stäm alltid av laddström med batteritillverkarens uppgifter.

Beräkning av laddningstid

Bly-batteri

Laddningstiden för ett blybatteri kan beräknas med formeln (källa Mastervolt https://www.mastervolt.com/charging-batteries/)


Laddtid = 4 tim + (Ah att fylla på * förlustfaktor) / (Max laddström – Ström förbrukning)


Förlustfaktor för GEL-batteri är ungefär 1.1 och för AGM 1.15.

Litiumjon-batteri

Laddningstiden för ett LFP-batteri kan beräknas med formeln (källa Mastervolt https://www.mastervolt.com/charging-batteries/)


Laddtid = (Ah att fylla på * förlustfaktor) / (Max laddström – Ström förbrukning)


Förlustfaktorför LFP-batteri är 1.03.

Spänningsstörningar

Det är viktigt att det inte finns periodiska spänningsstörningar (ripple) i elsystemet, det skapar störande ström som kan skada batterierna.

För att inte skada batterier, ska rippelströmmen vara max 5% av installerade batterikapacitet. Har man 400Ah batteribank, får rippelströmmen vara max 20A.

Har man känsliga förbrukare (navigationsutrustning, vhf och GPS) anslutna till elsystemet bör ripplet hållas under 0.1V för att inte störa utrustningen.

Alla förbrukare som har någon form av spänningsomvandling kan ge upphov till rippel och därför är det viktigt att säkerställa att man inte ansluter utrustning som ger upphov till för mycket rippel.

Exempel på utrustning som kan skapa rippel är laddare, DC/DC konverter, inverter, generator, elmotor.

Flera laddare

Det är vanligt att det finns flera laddare som laddar samma batteri och jag tar upp tre olika fall som jag tror täcker de flesta situationer ombord.

  1. Parallella laddare för att ladda snabbare
    Aktuellt när batteribanken har stor kapacitet och det finns en stor energikälla som landström eller elverk som driver laddarna.
  2. Laddare från olika energikällor sammtidigt
    Aktuellt när man har solpaneler, vind- eller vattenkraft som kan generera energi samtidigt med andra energikällor.
  3. En laddare som laddar olika typer av batterier samtidigt
    Aktuellt när man vill ladda start-batteri och 12V service batteri från motorns 12V generator.

Parallella laddare för att ladda snabbare

På den här bilden som är från Elsystem, Del 3 – Delsystemen, är de inringade laddarna märkta med 1, ett exempel på användning av 2 parallella laddare för att kunna ladda batteribanken för 24V Service med 200A när elverk är igång. Det är inte så viktigt att kunna ladda med 200A vid anslutning till landström eftersom den anslutningen oftast kan vara inkopplad under längre tid.

När det finns tillräcklig effekt (elverket är igång) i delsystemet för 230V kopplas den andra laddaren in automatisk. Laddaren är nätverkskopplad och känner därmed till den andra laddaren och batteribanken som laddas. Den har därmed samma information om batteribankens temperatur, spänningsnivå och vilken laddningsfas den andra laddaren är i. Det gör att laddarna kan synkronisera sin laddning.

Laddare från olika energikällor

På den här bilden har jag markerat laddare med olika energikällor som laddar samma batteri med siffran 2.

Det är tre olika laddare

  • 24V generatorn på motorn med sin regulator (ett annat namn för en laddare)
  • Regulatorn som använder energi från solpanelerna
  • De vanliga laddarna som använder energi i delsystemet för 230V Service (landström eller elverk).

Jag kommer att skriva mer om solpaneler och solpanelregulatorer i en kommande artikel Elsystem, Del 3 – Sol, vind och vatten.

För tillfället räcker det att veta att det finns olika typer av regulatorer för energi från sol vind och vatten. Det de har gemensamt är att energikällan är osäker och spänningen till regulatorn är ojämn. Spänningen beror av hur fort båten går, hur mycket det blåser eller hur soligt det är. Till dessa energikällor bör man använda en regulator som baseras på en teknik som kallas MPPT (Maximum Power Point Tracking). Det är i princip en DC/DC omvandlare som gör om spänningen från energikällan till en batterispänning som passar batteriets aktuella laddningssteg.

Ett batteri trivs bäst med en jämn spänning som beror av var i laddningsprocessen batteriet är. Det gör att det är viktigt att de här laddarna kan synkroniseras med varandra och med de andra laddarna ombord som laddar samma energikälla.

I den fiktiva segelbåten i de här artiklarna, är solpanelregulatorn av typen MPPT och integrerad med den ena 230V laddaren som laddar 24V Service. Det gör att dessa två laddare är synkroniserade.

Eftersom man vill att de här laddarna ska ta tillvara så mycket energi som möjligt, ska de helst arbeta i Bulk-steget. Det gör att batteribanken hela tiden bör ha ett SoC mellan 50% och 90%.

Blir batteriet fulladdat innan solen går ner, använder du för lite energi 🙂

Laddare som laddar olika typer av batterier samtidigt

I den här bilden är motorns generator markerad med 3 eftersom den kan ladda både startbatteri och 12V Service via en batteriseparator som fördelar laddningsströmmen från generatorn till båda batterierna samtidigt. Se Elsystem, Del 3 – Delsystemen.

Batteriväljaren vid A ansluter startbatteriet till startmotorerna i läge 1. I läge 2 ansluter den batteriet i 12V Service till startmotorerna (Emergency connection).

Startbatteriet kan även laddas med upp till 15A från en laddare i 230V Service.

Generatorn på motorn lämnar ström till både 12V Start och 12V Service via batteriseparatorn. När batteriet i 12V Service är uppladdat kopplar batteriet bort laddningen med hjälp av den fjärrstyrda strömbrytaren vid C som också är ansluten till nätverket. Vid denna bortkoppling kan det uppstå något som kallas ”Load dump”. I Elsystem, del 3 – Generator och laddning, kan du läsa mer om detta.

%d bloggare gillar detta: