Tagarchief: Elektrisch Varen

De Cecilia vaart vanaf nu op Lithium accu’s. Eindelijk.

In januari 2017 (!!) schreef ik mijn laatste blog over de accu problemen. De kwaliteit van de AGM lood accu’s was zo slecht dat deze vervangen moesten worden. En na een grondige analyse (lees die laatste blog) was er maar één alternatief: een Lithium accu.

Ik heb in het voorjaar van 2017 een offerte aangevraagd bij Heijnsdijk, een leverancier van onderdelen voor het ombouwen van auto’s en boten. Heijnsdijk levert o.a. Winston cellen van 3.2 Volt nominaal en in diverse capaciteiten vanaf 80Ah. Door 16 cellen in serie te schakelen kom je op een 51,2 Volt accu. Heijnsdijk adviseerde mij 400Ah LiFePo4 cellen. Doordat je de cellen serieel koppelt is een uitgebreid BMS systeem nodig dat elke cel bewaakt en tijdens het laden elke cel apart balanceert. Het BMS kan dan via een zogenaamde Victron Assistent (software oplossing) aangesloten worden op de Victron Quattro inverters/chargers.

Er valt veel te leren over Lithium accu’s

Als je je verder verdiept in de Lithium accu technologie doe je veel kennis op. Lees vooral de artikelen van Battery University en bekijk de Youtube filmpjes eens van Jehu Garcia. Jehu bouwt zelf “Tesla” accu’s uit losse onderdelen. Waardevolle achtergrond info, bijzonder leerzaam! Bijvoorbeeld het verschil tussen een platte accu (telefoons) of een opgerolde penlite accu (Tesla). Technische achtergrond info die helpt om te bepalen welke Lithium Accu geschikt is voor welke toepassing.

Welke Lithium accu moet je dan kiezen?

Een kleine toelichting? Lithium is het lichtste metaal op aarde maar ook een instabiel metaal. De huidige generatie accu’s worden daarom ook niet meer van puur lithium gemaakt, maar er worden Lithium Ionen toegepast, daarom ook wel Li-ion of Lion Accu genoemd. Li-ion is veilig zolang je de voltage en stroom limieten niet overschrijdt. De accu bestaat uit een poreuze Carbon Anode waartussen de Li-ionen zitten gevangen als de accu is geladen, en een Li metaal oxide kathode. De anode en kathode worden gescheiden door een dunne elektrolyt bestaande uit een Lithium-zout oplossing. Innovatie en ontwikkeling heeft de afgelopen 10 jaar zowel aan de anode als aan de kathode plaatsgevonden. De anode is tegenwoordig van grafiet met een kleine toevoeging van silicium waardoor er een hogere dichtheid van elektronen kan plaatsvinden in geladen toestand.

Door verschillende materiaal toevoegingen aan de kathode worden extra eigenschappen aan de accu toegevoegd die ervoor zorgen dat er sneller geladen en/of ontladen kan worden of dat de accu juist geschikt is om langere tijd energie vast te houden zonder verliezen. Bekende varianten zijn LiFePo4 waarbij hogere laad- en ontlaadstromen mogelijk zijn. Maar de LifePo4 accu kent een geringe zelfontlading en is dus minder geschikt voor langdurige opslag en vraagt specifieke aandacht voor het balanceren van seriële cellen. Een ander type is de LiNiCoAlO (Nikkel, Cobalt en Aluminium), ook wel NCA genoemd. Deze heeft een nog hogere energie dichtheid maar ook een hogere interne weerstand en is dus minder geschikt voor het leveren van hoge stromen. Maar wel weer zeer geschikt voor opslagsystemen zoals bij Solar toepassingen. Victron levert sinds kort een NCA accu, specifiek gericht op solar opslag. De accu is veel goedkoper dan een LiFePo4 accu maar heeft wel last van warmte ontwikkeling en moet dus geforceerd gekoeld worden. Voor elektrisch varen is de accu minder geschikt doordat er helaas met lagere stromen gewerkt kan worden. En dan is er nog de NCM accu, ofwel Nikkel, Mangaan, Cobalt Oxide LiNiMnCoO2. Dit type is sterk in opkomst, heeft een hoge dichtheid, lage interne weerstand en grote mate van stabiliteit. En is bovendien goedkoper te produceren dan een LiFePo4 accu.

Lithium batterijen en de nominale spanning – belangrijk voor lader en omvormer.

Nadat ik met collega botenbouwer Daniel Boekel had gesproken over de mogelijkheid om Tesla cellen te gebruiken, heb ik toch besloten uit te zien naar een commercieel verkrijgbaar product. De Tesla cellen zijn gewone 18650 cellen (grote penlite batterij, 18 mm dik, 65mm lang) die als pack 22,5 Volt geven. In serie is dat 45 Volt maar vooral de spanning bij ontladen toestand van 32,5 Volt valt buiten de specs van de Victron inverters/chargers (36 Volt). Overigens kunnen de Tesla cellen zonder problemen overweg met grote laad en ontlaadstromen, juist zo belangrijk voor langdurig gebruik in een elektrische boot. In de Youtube filmpjes van Garcia leer je veel over de specifieke voordelen van de cilindrische 18650 cellen van Tesla en de bijzonder beveiliging die in de packs is ingebouwd.

De Winston LiFePo4 cellen die door Heijnsdijk werden voorgesteld, zijn ook geschikt voor mijn toepassing want ze kunnen een ontlaad stroom hebben van 3C, ofwel 3x400A. Ruim voldoende want in mijn sleepboot wordt de ontlaad stroom niet hoger dan 250A, met een enkele piek van 300A. Vergelijkbare cellen van Sinopoly kunnen ook 3C terwijl Calb maximaal 2C kan verwerken.

De nominale cel spanning van de LiFePo4 cel is 3,2 Volt dus met 16 cellen in serie geschakeld kom je op 51,2 Volt. Bij een diepte ontlading zakt de celspanning naar 2,8 Volt (44,8), bij laden tot maximaal 3,7 Volt (59,2). Dit zijn voltages die ik uitstekend kan verwerken met de Victron Quattro’s.

Elke Lithium Accu kun je gebruiken tussen SOC 10%-90%. Ofwel, diepte ontlading of overlading moet je zien te voorkomen om de levensduur maximaal te houden. De accu lader in combinatie met het BMS moet dus bescherming bieden door vlak voor het bereiken van de eindspanning het laadproces uit te schakelen.

Met een 400Ah accu heb je met een netto SOC van 80% dus circa 320Ah beschikbaar (90%-10%=80%xAh). De laad efficiency van een LiFePo4 cel is dan circa 95% ten opzichte van 80% van een loodaccu. Technisch zijn de LiFePo4 cellen dus superieur ten opzichte van lood accu’s. Een punt van aandacht is overigens dat je de losse cellen wel op de één of andere manier fysiek moet zien samen te bouwen. Met wat aluminium hoeklijn kom je een heel eind maar daarna moet je alle BMS printjes met bijbehorende bedrading solderen en samenkoppelen. Dat is nog even een klusje, misschien ook gevoelig voor storingen maar zo kun je wel heel modulair je eigen accu systeem samenstellen. Maar het is ook duur. De offerte van Heijnsdijk, compleet met het BMS, kwam op ongeveer € 11.500. En dat is best veel geld!

Een alternatief; een Lithium NMC accu van ACES Energy

Vanwege de hoge prijs heb ik eerst besloten nog een tijdje door te varen met de loodaccu’s. Maar deze winter was de capaciteit van de loodaccu’s nog maar goed voor circa 30 minuten elektrisch varen. Er moest dus wat gebeuren dit jaar.

Via mijn blog werd ik in januari benaderd door Wolter Buikema. Wolter heeft vanuit zijn belangstelling voor elektrisch varen en rijden een bedrijf gestart gericht op het ontwikkelen van Lithium accu’s. Dit bedrijf, ACES Energy BV is opgericht in 2015. In de jaren 2015 en 2016 hebben ze een heel programma van Lithium accu’s en laders ontwikkeld. In 2017 hebben ze ca. 100 samples verkocht aan bedrijven en zijn de accu’s in de praktijk getest. Deze accu’s zijn volledig in NL ontwikkeld, inclusief de BMS en de totale constructie. De productie vindt plaats in China.

Toen Wolter mij schreef over de technische eigenschappen van zijn accu’s leek het mij tijd om eens kennis te maken. Hij beschreef een paar technische eigenschappen die ik bij andere aanbieders nog niet had gevonden. En zo kwam het dat wij elkaar troffen tijdens Boot Holland in Leeuwarden. En lang verhaal kort; ik heb 2 stuks ACES Lithium Accu’s type AL48V200HP besteld en inmiddels na 5 maanden levertijd, geleverd gekregen.

Wat maakt deze accu dan zo uniek ten opzichte van de losse cellen van Winston, CALB of Sinopoly? Ten eerste is dat de gekozen materiaal toevoeging. Dit is dus een Nikkel Mangaan Cobalt accu in plaats van het gangbare LiFePo4. De NMC accu heeft weliswaar een iets hogere interne weerstand maar de laad- en ontlaadstroom is nog steeds meer dan voldoende voor mijn toepassing.

De 200Ah accu kent een maximale continue ontlaadstroom van 180A (400A 10s). In de gedrukte specificaties wordt gesproken over 1C, dus 200A.

De accu is een compleet IP67 gesealde RVS kist die een spanning geeft tussen 42V en 58V, afhankelijk van de geladen toestand (SOC). Met 2 van deze accu’s parallel geschakeld heb ik dus een 48 Volt 400Ah accu bank die met een SOC tussen 10% en 90% dan 320Ah capaciteit biedt met een maximale continue ontlaadstroom van 360A.

Maar het meest bijzondere aan deze accu is dat het BMS maar ook diverse beveiligingssystemen compleet ingebouwd zitten in de kist. Je hoeft er dus geen BMS meer bij te zetten! Zelfs een zekering is niet meer nodig omdat de accu kortsluitveilig is en beveiligd is tegen te hoge ontlaadstromen, overlading, onderlading, temperatuur, e.d. Gewoon plaatsen, aansluiten en gaan. Fantastisch toch?

Uitbouwen, inbouwen en aansluiten

De 16 lood accu’s waren op speciaal gemaakte rekjes tussen de spanten in de boot ingebouwd en verdeeld in de boot voor een ideale gewichtsverdeling. De 16 accu’s loskoppelen en verwijderen is wel een pittige klus geweest. Ik heb de mogelijkheid aangegrepen om de vrijgekomen ruimte opnieuw te benutten voor boiler en hydrofoor waardoor er elders kastruimte vrijkwam.

De ACES accu’s, elk 85 cm lang, 85 kg zwaar en 33 cm breed/hoog kregen een nieuw plekje onder het bed. Het past allemaal precies. Het scheelt natuurlijk wel ruim 800kg aan gewicht maar daar merkt de boot vrijwel niks van. Aansluiten was een fluitje van een cent. Met een leuke verrassing. Normaliter krijg je een forse klap als je de Victron omvormers met een accu verbindt, de condensatoren moeten zich immers weer opladen en een accu schakelaar gebruik je niet bij dit soort spanningen en ampères. De ACES accu gaf gewoon geen stroom, geen vonk, geen klap. De accu schakelde pas na een tiental seconden zachtjes in. Je hoorde een paar relais in de kist aan/uit schakelen. Dat was alles. Mooi voorbeeldje hoe het dus ook kan.

Victron Quattro instellingen voor ACES accu.

Er is vrij weinig dat aangepast hoeft te worden in de instellingen van de Victron Quattro omvormers. De Voltage- en Temperature Sensor sluit je op eenzelfde manier aan, hoewel de temperatuursensor er dus niet toe doet. Maar zonder temperatuursensor werkt de Victron niet. De Voltage sensor is noodzakelijk om eventuele kabelverliezen te compenseren tijdens het laadproces.

Het meest ingewikkelde is eigenlijk het kiezen van de juiste laad curve., zie de afbeelding hierboven. De Victron acculader is oorspronkelijk bedoeld voor loodaccu’s. Deze kennen verschillende stadia waarbij laadstroom en laadspanning in tijd variëren. Van bulk (lage spanning, hoge laadstroom) gaat het proces over naar de absorptie fase (hoge spanning, lage stroom). En bij een drietraps lader wordt er na afloop teruggeschakeld op een zogenaamde float spanning. Alleen natte loodaccus kennen nog een periodieke egalisatie fase met een extra hoge spanning. Die is funest voor Lithium accu’s en moet dus uitgeschakeld worden. En eigenlijk is zelfs de absorptie en float fase verkeerd. Tijdens absorptie kan de spanning namelijk te lang te hoog blijven. En een Lithium accu mag je niet onder een float spanning houden, dan gaat de accu kapot. Kijk maar eens naar telefoons waarbij de platte accu na enkele jaren dikker en dikker wordt en uiteindelijk letterlijk uit z’n jasje knapt.

Ik heb als eerste test de volgende parameters ingesteld:

Absorptie voltage 57,0 Volt
Float voltage 53,0 Volt
Charge Current 70A (per lader)
Max. Absorption time 1 hr

Dit heeft geresulteerd in de volgende curve:

Bij de start is de geladen toestand SOC onbekend, het is namelijk een nieuwe accu. Ik veronderstel dat deze is geleverd in een toestand van circa 40%. De spanning bedroeg op dat moment 51.0 Volt. De laders hebben (beperkt door de walstroom aansluiting) een laadstroom van 85A gegenereerd. Bij het bereiken van de absorptie spanning van 57.0 Volt wordt de laadstroom teruggebracht tot 5% van de opgegeven Ah waarde: 5%x400Ah=20A.

In de grafiek is een korte load test te zien met een piek ontlading van circa 250A. Daarna is de instelling voor de aborptiespanning tijdelijk verhoogd naar 57,5 Volt en is het laden nog een uurtje vervolgd.

SOC ontlading tot 18%

De tweede test is een ontlading tot SOC 18% door totaal 3 uur vaartijd en een lading vanaf de generator tijdens het varen. De maximale piekbelasting is 225A, de maximale laadstroom via de generator is 180A. Dit is minder dan de berekende waarde van 3x70A en komt door een te hoge temperatuur waardoor de laadstroom automatisch wordt gereduceerd. Ik moet nog wat aandacht aan koeling geven….. Totaal is er in deze sessie 302Ah * 51 Volt = 15,4 kWh elektrische energie verbruikt.

Weer terug naar geladen accu, SOC=96%

De laatste grafiek toont het laadproces via de walaansluiting. Bij de vorige sessie was er via de generator geladen tot een SOC van circa 65% (52 Volt). Via de walstroom met een laadstroom van wederom circa 85A loopt de spanning weer op tot 57,15 Volt. De laadstroom neemt dan weer af totdat na 1 uur absorptie fase de float fase wordt ingeschakeld. Er wordt dan geen laadstroom meer gegenereerd. Volgens de batterij monitor was op dat moment de SOC 96,5% en was de batterij dus nog niet helemaal vol. Belangrijk om te beseffen is dat er nog geen goede kalibratie is uitgevoerd. In een volgende test zal de ik de absorptie spanning nog iets verhogen tot 57,5 Volt. Dat is nog steeds onder de opgegeven grenswaarde van ACES van 58,5 Volt.

Vragen voor de volgende test

De vraag is natuurlijk wanneer 100% SOC wordt behaald? Is dat bij 58,5 Volt? En wat is dan de SOC bij 58 Volt? Of andersom geredeneerd, wat is een veilige spanning bij 95%? En hoe lang zou de absorptie spanning gehanteerd moeten worden of moet na het bereiken van de absorptie spanning de lader direct afgeschakeld worden?

Uiteindelijk wil ik de opgedane ervaringen delen met ACES Energy zodat zij een manual kunnen samenstellen voor nieuwe klanten. Ik moest het nu doen met zeer summiere informatie op de accu afgedrukt en aangevuld met een A4-tje met wat overige info.

En wat doen we met die 16 stuks lood accu?

Die staan nu buiten in de regen te wachten totdat we een Energy Storage System, denk aan een Tesla Power Wall, gaan bouwen. Een klusje voor in de winter.

Praktijkervaringen met Victron omvormers voor Elektrisch Varen

Mijn sleepboot van 22 ton is uitgerust met een industriële draaistroommotor die op krachtstroom (380 Volt wisselspanning) draait. Daarmee is mijn gekozen concept van elektrisch varen afwijkend van andere projecten waarbij er over het algemeen gekozen wordt voor een gelijkstroommotor. Bijvoorbeeld een Brushless DC-motor die direct via een motorcontroller aan een 48-96 volt accu is gekoppeld of een DC controller die via accu’s een AC inductiemotor aanstuurt waarbij de spanningen wel tot honderden Volts kunnen oplopen, net zoals in een elektrische auto.

De reden om te kiezen voor een industrie draaistroommotor heb ik in een ander artikel toegelicht. Om dit type motor via een frequentie regelaar te kunnen laten draaien, is dus een 3-fase krachtbron noodzakelijk. Dat kan via een krachtige 3-fase generator of via een aantal omvormers van Victron die speciaal worden geschakeld in een 3-fase setup. Dit laatste heb ik gedaan met behulp van 3 stuks Victron Quattro’s 5000 die samen maximaal 12 kW energie kunnen leveren via accu’s of in een hybride setup samen met de generator (theoretisch) tot 48 kW kan leveren. Vanaf het moment van bouwen heb ik veel kennis opgedaan van de Victron’s en dan met name van de enorme hoeveelheid instellingen die je kunt verrichten. In dit artikel behandel ik de belangrijkste omdat deze van toepassing kunnen zijn bij gelijksoortige projecten. Maak er gebruik van zou ik zeggen.

Victron Software tools

Er zijn twee mogelijkheden om de Victron’s te configureren; VE.bus System Configurator verbonden met een USB-adapter aan de Ve.bus of dezelfde tool via VE Power Setup met behulp van een Internet verbinding via een Victron CCGX. Gebruik altijd de directe USB (COM) verbinding en niet de remote verbinding. Hoewel de remote verbinding via VRM ook de VE.bus System Configurator opstart, blijkt met name de 3-fase configuratie setup niet geheel hetzelfde resultaat op te leveren.

Met name de 2e AC input wordt via de remote VRM setup altijd op ‘Switch as group’ ingesteld. Dat is handig voor de generator maar niet altijd noodzakelijk voor de wal aansluiting. Want die wil je misschien wisselend in 1-fase of in 3 fase kunnen aansluiten. Vink deze optie voor Input 2 dus uit zodat je zowel 3-fase als 1-fase kunt laden.

TIP: gebruik altijd VE.bus System Configurator verbonden met een USB-adapter.

TIP: schakel AC Input 2 switch as group uit om zowel 3-fase als 1-fase walstroom te kunnen gebruiken.

Firmware Victron Quattro en Current Boost factor

Voor de Victron’s zijn er twee soorten Firmware via Victron te verkrijgen: met of zonder Assistants. In principe kun je zonder de Assistants uit te voeten, tenzij je een speciaal BMS voor Lithium accu’s van plan bent te gebruiken. De Generator Start/Stop functionaliteit (zie verderop) heb je niet nodig als Assistent. En experimenteer nooit met Assistents want ze laten software sporen achter waar je later last van kunt hebben. Die sporen kun je alleen wissen door een nieuwe Firmware installatie uit te voeren.

Firmware versie 26xx159 was de versie die met mijn Quattro’s was uitgerust. Hier heb ik een aardige tijd mee gevaren maar met name op vol vermogen stopten de omvormers ermee. Er is één parameter die hiervoor verantwoordelijk is: Power Assist Current Boost Factor. De waarde van deze parameter kan in de oude firmware tussen 1.0 en 3.0 ingesteld worden en bepaald de hoeveelheid stroom (current) die door de inverter wordt toegevoegd aan de stroom die afkomstig is van de generator.
Als ik op full power wil varen heb ik 37kW nodig, ofwel 37.000/400 (Volt) = 93A. De maximale stroom die de generator kan leveren is 65A, ik kom dus 32A tekort. De inverter zal dus via Power Assist stroom moeten bijleveren en gebruikt hiervoor de Current Boost Factor parameter om te bepalen hoeveel stroom dat is: AC1 Input Current Limit (= max gen current, = 65A) en vermenigvuldigt dit met de factor (minimaal 1, maximaal 3). Dus bij factor 1 zou de inverter dan ook 65A moeten leveren. En dat kan natuurlijk niet want de inverter kan maximaal 4kW = 20A leveren. Het resultaat is dat de inverter overbelast wordt en zichzelf uitschakelt.

Een lagere waarde dan 1.0 voor Assist Current Boost Factor kan pas vanaf firmware 26xx4xx ingesteld worden. De te kiezen waarde is afhankelijk van de maximale generator stroom en de zwaarte van de omvormers. Vermoedelijk redeneerde Victron bij de oude firmware nog vanuit het gegeven dat iedereen met een generator werkt die kleiner is dan de omvormers. Maar met elektrisch varen in een hybride systeem is dat dus juist niet het geval. In mijn geval werkt de situatie het beste met een waarde van 0.3. In de praktijk betekent dit dat maximaal 0.3*65A = 20A bijgeleverd kan worden. Dat is haalbaar voor maximaal 30 seconden en voldoet om snelle belastingen op te vangen. En voor full power kan continue 10-15A bijgeleverd worden aan de generator, genoeg om 48kW voorstuwingsvermogen te leveren (afgeregeld op 37kW maximaal)

TIP: gebruik Firmware versie 26x4xx als de generator stroom > is dan de maximale stroom van de inverter.

Victron functies die je niet moet gebruiken

Er zijn ook functies die handig lijken maar die je juist niet moet gebruiken. De belangrijkste is de UPS Function. Deze moet je ten allen tijden uitschakelen. Ook de Virtual Switch (VS) houd ik uitgeschakeld. De belangrijkste functie die VS kan leveren is het automatisch aan- en uitschakelen van de generator. Dit laat ik uitvoeren door de Victron CCGX. De paramaters die je in de CCGX kunt instellen zijn veel uitgebreider. Er is bovendien een risico bij besturing van de generator via de Victron omvormers. Als de omvormers uitgeschakeld worden door een ernstige fout, zou dit tot gevolg kunnen hebben dat ook de aansturing van de generator wegvalt en je dus stroomloos wordt. De CCGX is in mijn situatie dus een extra beveiliging. Bovendien kun je op de CCGX instellen dat een reset of powerdown van de CCGX zelf geen gevolg heeft voor de generator autostart functie. En daarnaast heb ik ook nog eens ingesteld op de generator dat een autostop functie via een timer van 180 seconden werkt.

TIP: gebruik de CCGX Genset Auto Start/Stop functie ipv de Virtual Switch of Assistents functie.

TIP: Schakel UPS functie UIT.

Geen verschillende spanningsgroepen meten met CCGX

De omvormers draaien op 48 Volt maar ik heb ook een 24 volt systeem in gebruik waarop de gehele automatisering, boordlichten, marifoon, koelkast en diverse pompen draaien. Het 24 Volt systeem is geheel gescheiden en heeft daarom eigen accu’s, een eigen oplader, een eigen batterij management systeem en kabelsysteem. En ik heb 2 zonnepanelen op het dak liggen die de 24 Volt accu’s opgeladen houden. Daarvoor wordt een Victron MPPT lader gebruikt en deze heeft een VE.direct interface die je direct op de CCGX kunt aansluiten en kunt monitoren. Dat werkt maar geeft een verwarrend plaatje op het scherm omdat de CCGX denkt dat de MPPT lader de primaire (48Volt) accu laadt. Maar dit levert ook regelmatig een error #6 waardoor het gehele Victron systeem uitvalt en herstart moet worden.

Dit probleem doet zich voor als het 48 Volt systeem in de absorptie fase zit terwijl de 24 Volt zonnelader schakelt naar Float. Dan raakt de VE.Bus in de stress en schakelt alles af. Je kunt een herstart dan alleen uitvoeren door alle omvormers via de hardware schakelaars uit te zetten en na enkele seconden weer aan te schakelen. Een software reset helpt dus niet. Error #6 is niet gedocumenteerd. Ik kon de oorzaak alleen achterhalen door nauwgezet de logfiles via de VRM portal te analyseren.

TIP: koppel geen verschillende boardnetten via één Victron CCGX VE.Direct interface maar gebruik hiervoor individuele CCGX netwerken. Of beperk je tot het primaire systeem.

Wil je meer weten over Victron Energy producten? Kijk dan ook eens op de website van Hetslimmehuis.

Lithium Accu’s

Ik heb eindelijk nieuwe Lithium accu’s besteld ter vervanging van de AGM lood accu’s. Dat zal tot gevolg hebben dat de laadkarakteristieken van de Victron laders aangepast moeten worden. De ACES Lithium accu’s hebben een eigen ingebouwd BMS dus ik hoef geen gebruik te maken van een extern BMS of van Temperatuur sensor/Spanning sensor van Victron. Hierover zal ik een apart blog artikel schrijven met mijn bevindingen. Ik hoop dat de nieuwe accu’s begin juli binnen komen maar zal daarna nog wel enkele weken bezig zijn met inbouw omdat ik hiervoor verschillende aanpassingen moet verrichten in de boot. Wordt weer vervolgd…….

Brand in de Motorruimte

Vrijdag 21 april 2017 had ik een paar gasten te logeren die het leuk vonden om met de boot naar Amsterdam te gaan. Het is ongeveer 2 ½ uur varen van Oostknollendam, over de Zaan en het Noordzeekanaal naar Amsterdam. Leuk reisje met veel bezienswaardigheden langs de oevers van de Zaan. De gasten vermaakten zich aan dek maar vonden het ook leuk om wetenswaardigheden van mij te horen over de Zaanstreek en over de elektrische sleepboot.

Voor de Wilhelminasluis in Zaandam moesten we lang wachten. Er lagen aan beide zijden diverse vrachtschepen te wachten voordat zij geschut konden worden. Achterop kwam een monumentaal beurtscheepje dat niet meer mee kon met de vrachtschepen maar door de lage hoogte wel de Oudesluis kon nemen. Inmiddels waren wij geschut en voer ik achter twee vrachtschepen aan de Voorzaan op. Ter hoogte van Het Eiland hoorde ik iemand vanaf de wal schreeuwen. Ik keek om en zag plotseling rook uit het dekluik komen. Of de schreeuw bedoeld was om mij te attenderen of voor iemand anders, het deed er op dat moment niet toe. Ik had een probleem.

Waar rook is, is vuur

Eerst draaide ik het roer om om uit de vaargeul te komen. Het luik wilde ik nog even niet opendoen. Het leek mij verstandig om eerst alle apparatuur uit te zetten. Als eerste besloot ik om de Victron omvormers via het CCGX console uit te zetten. Ondertussen zag ik dat het display van de Digitale Motorcontroller knipperde en uitviel maar ook weer terugkwam. Voor de zekerheid riep ik via de marifoon de havendienst op maar die moesten nog door de sluis en hadden dus nog zeker 10 minuten nodig om mij uit de vaargeul te halen.

Inmiddels had ik het luik voorzichtig toch geopend. Naast het luik zag ik het dek een donkere kleur krijgen en achter de enorme hoeveelheid zwarte rook onder het dek zag ik een klein vuur. De schuimbrandblusser had ik binnen handbereik in de stuurhut en heb ik dus leeggespoten. En daarna nog een paar emmers water er achteraan. Daarmee was het vuur gedoofd en trok de rook langzaam uit het ruim weg. Gelukkig kwam het beurtscheepje aangevaren om ons een klein duwtje te geven richting de werf van Vooruit. En enkele minuten later lag de Havendienst langszij om ons te helpen af te meren.

Na een half uur was het ruim voldoende rookvrij om eens een kijkje te nemen naar wat er eigenlijk allemaal aan de hand was. De conclusie kon snel getrokken worden: het distributiepunt tussen de accu’s voorin het schip en de Victron omvormers achterin was volledig gesmolten en deels verbrand. Daar was de brand dus ontstaan. De geluidsisolerende bekleding tegen het dek was gaan smelten en had een olie-achtige smurrie achtergelaten en ook de verschillende kabels waren ernstig beschadigd. De kabel voor de analoge motorbesturing was dusdanig beschadigd dat varen op deze manier niet meer mogelijk was.

De gasten hebben de fietsen van boord gehaald en zijn zelf naar Amsterdam gefietst en ik bleef achter in overpeinzingen hoe dit op te lossen. Eerst heb ik de accu’s afgekoppeld door de zekeringen bij de accu’s te verwijderen. Zo kon er in ieder geval geen sluiting meer ontstaan. De gesmolten kabel van de analoge motorbesturing loopt langs bakboord terwijl de digitale motorbesturing over stuurboord loopt. Een ontwerp specificatie die ik destijds met een goede reden had genomen en die mij nu uitkomst kon bieden. Maar eerst moest ik de stroomvoorziening herstellen. En dat kon door de generator rechtstreeks aan te sluiten op de frequentieregelaar van de motor. Een kwestie van diverse kabels loshalen en op een ander punt weer vastmaken.

Figuur 1: Gesmolten DC distributiepunt

Figuur 2: doorgesmolten kabels

Na een kleine twee uur kon ik de generator starten en via de digitale besturing de motor opnieuw programmeren. De analoge besturing moest immers afgesloten worden. Dat bleek nog niet zo eenvoudig want de handleiding lag thuis en deze via Internet op een smartphone uitlezen, dat vereist wat geduld. Maar het is gelukt en ik ben dus in de loop van de middag zelfstandig naar huis gevaren.

Rook en vetvrij maken

Vervolgens natuurlijk de verzekering gebeld en deze zouden een week later een expert sturen. Inmiddels had ik zelf geconstateerd dat het distributiepunt versmolten was maar ook dat er vermoedelijk rook- en waterschade in de apparatuur was ontstaan. Hiervoor bestaan reinigingsbedrijven en na wat zoeken op Internet heb ik er eentje offerte laten doen. Ook deze firma stuurde eerst een expert en die vond dat de hele motorruimte rook- en vetvrij gemaakt moest worden want de roet en de smurrie zat werkelijk overal. Als ik de apparatuur losmaakte zouden zij deze reinigen en na twee weken weer terugsturen.

Verbeteringen aanbrengen

Dit soort onvoorziene problemen geven je gelukkig wel de mogelijkheid om een paar ontwerpfouten te verbeteren. Ik heb een compleet nieuw DC distributiepunt gemaakt, dubbele DC bekabeling tussen het distributiepunt en de 3 Victron omvormers gelegd en ik heb een nieuwe AC distrbutiekast gemaakt met extra relais die de belasting kan afschakelen in geval van onvoorziene problemen. En een relais dat in geval van storing aan de omvormers, de generator rechtstreeks kan verbinden met de frequentieregelaar. Ook heb ik een nieuwe demper voor de uitlaat gemaakt en verbeterde isolatie voor de uitlaat en nog een paar klusjes. Maar nog veel belangrijker, ik heb temperatuur sensoren geplaatst op kritische punten en deze samen met rookdetectie melders gekoppeld en naar het dashboard gevoerd.

Figuur 3: Nieuwe uitlaatdemper

Brand door los contact…….

Toen de apparatuur verwijderd was kreeg ik ook de kans om de versmolten DC kast voorzichtig te ontleden. Je wilt natuurlijk wel graag weten wat er nou voor heeft gezorgd dat deze brand kon gebeuren. In de kast zat naast een distributieconnector (M8 draadeind), de hoofdzekering en een capacitor-relais. Die laatste heeft nooit gefunctioneerd en stond gewoon op doorverbinden. Tussen de hoofdzekering en het relais zit een korte verbindingskabel van enkele centimeters (70mm2) en het bleek dat de pool die aan de zekering was verbonden, los zat. De M10 moer zat zo los dat ik deze met de hand kon verdraaien. En ook aan de knijpconnector was te zien dat door die losse moer het probleem moest zijn ontstaan: een losse verbinding die hoge stromen krijgt te verwerken, werkt als een lasapparaat en kan voor brand zorgen! Hoe deze los kon zijn blijft een raadsel. Waarschijnlijk onzorgvuldigheid, over het hoofd gezien of wat dan ook. Reden genoeg om hier dus voortaan meer tijd en controles aan te besteden!

Schoonmaakbedrijf monteert onderdelen verkeerd

Toen na enkele weken de Victron omvormers en de LS/IS frequentieregelaar schoon werden afgeleverd, kon ik alles afbouwen en aansluiten. Maar zodra ik het systeem in bedrijf schakelde, hoorde ik een vreemde brom uit de frequentieregelaar komen. Hij weigerde het te doen en ook het display lichtte niet op. De omvormers deden gewoon wat zij behoorden te doen en ook direct op de generator wilde de frequentie regelaar het niet doen. Ik heb hem weer uit de boot gehaald (65kg, onderdeks, leuk klusje ) en hem op de testbank gelegd. Zodra de regelaar werd aangeschakeld kwam er gelijk een enorme brom. Ik heb de regelaar zorgvuldig uit elkaar gehaald en gecontroleerd op een los contact e.d. Er viel niks aan te zien maar na de boel weer in elkaar gezet te hebben bleef de brom maar het display deed het wel. En toen na ongeveer een minuut een enorme klap, rook en de licht viel uit. Ah ha, nu kunnen we echt op zoek gaan. Het euvel was gauw gevonden. Een Elco die verkeerd was teruggeplaatst na de reinigingsbeurt. Sukkels. Foto’s gemaakt, schadeclaim indienen, verzekering weer bellen, allemaal geneuzel. Uiteindelijk heb ik een nieuwe Elco besteld en de regelaar werkte weer. Maar na een uurtje varen gaf de temperatuur sensor een onwaarschijnlijk hoge waarde en gaf de regelaar een hoge pieptoon. Dat ding had het duidelijk niet naar de zin. Ik was het inmiddels zat en heb een nieuwe regelaar besteld. Bij het ombouwen ontdekte ik dat de beide ventilatoren verkeerd om waren gemonteerd…… Een korte test liet blijken dat alles nu weer goed functioneerde en ook de pieptoon als gevolg van de hoge temperatuur verdwenen was. De oude unit heb ik 2e hands verkocht en vaar nu dus weer met een nieuwe regelaar.

Figuur 4: rechtsonder een geplofte Elco, rechtsboven de foutief geplaatste

PVC van kabels geeft zoutzuur en oxidatie

Daarmee was nog niet alle brand-ellende ten einde. Na enkele maanden bleek één vd Victron omvormers storing te geven bij het laden van de accu’s. De spanning die de sensor mat liep langzaam op naar 60 volt en hoger. Dat had gelukkig geen effect voor de accu’s, het was slechts een meetfout, maar het laadproces werd er natuurlijk nadelig door beïnvloed. Het bleek dat de print van de Victron Quattro waarop alle besturingselektronica en de CPU zit, oxidatie sporen had. Bij het verbranden van de pvc-mantel van kabels komt chloor vrij en dit reageert met bluswater tot zoutzuur. En dat was duidelijk te zien op de print en op diverse componenten. Ik heb de stellige indruk dat het reinigingsbedrijf alleen de buitenkant van de unit heeft schoongemaakt maar de binnenkant heeft overgeslagen. Ik heb de print met sop onder de lauwe kraan en met een afwasborstel schoongespoeld. Daarna met een föhn de print weer gedroogd en alle soldeerverbindingen opnieuw gesoldeerd. Op zo een moment komt een MTS Elektronica opleiding toch goed van pas! Inmiddels werkt alles weer naar behoren en is de boot dit najaar bij Teerenstra in Den Helder gestraald en voorzien van een echt goede coating en antifouling.

Geleerde lessen?

  1. Controleer regelmatig de verbindingen van de kabels,
  2. Monteer eventueel temperatuur sensoren en rookdetectors op belangrijke plaatsen zoals distributiepunten en in de motorruimte,
  3. Vertrouw niet op een schoonmaakbedrijf na brand maar doe zelf de schoonmaak werkzaamheden,
  4. Overleg met de verzekering over de te nemen stappen en de momenten waarop je claims indient,
  5. En gebruik de tijd om goed na te denken hoe je de installatie kunt verbeteren.

Accu Problemen (2)

Na mijn vorige blog waarin ik de problemen met de accu’s constateerde heb ik contact gehad met mijn leverancier Daveco. Nadat ik ze alle meetresultaten en de link naar de website artikelen heb toegemaild, hebben zij mij aangeboden om met een echte accu tester te bekijken wat de status is van elke individuele accu.

Omdat ik voor werk toch naar Rotterdam moest, heb ik begin december in Werkendam bij Daveco een Alfabat accutester opgehaald. Een duur apparaat (€ 1.500,-) waarmee je zeer nauwkeurig kunt meten welke capaciteit een accu nog heeft. Om deze test uit te voeren moest eerst elke accu individueel volgeladen worden tot de float spanning wordt bereikt. Afhankelijk van de status van elke accu, duurde dit 6-12 uur per accu. Voordat je daarna de Alfabat aansluit, stel je op de Alfabat in wat de nominale capaciteit is van de accu (214Ah/C20) en daarna wordt de accu met een ontlaadstroom van 30A leeg getrokken. Dat duurt enkele uren en na afloop kun je op een display uitlezen hoeveel procent capaciteit er nog over is. Groter als 80% is OK, alles daaronder geeft de status Failed.

Dit was dus een langdurig proces van totaal 10 dagen accu’s laden en weer ontladen en weer volladen want leeg achterlaten is funest. En het resultaat was schokkend!

De Alfabat accu tester aan het werk

Slechts 3 accu’s werken nog binnen de specificaties en de rest is stuk. Natuurlijk heb ik een paar keer naar mijn eerdere metingen zitten kijken. Maar ik kon geen enkele relatie leggen tussen de gemeten spanningen in rust of onder last en de resultaten uit deze tests.

De afbeelding hierboven toont een deel van de setup van de AGM accu’s. Links boven de balancers, daaronder shunt en zekeringen kast.

Tussendoor volgde ik een training bij Victron Energy en tijdens de middag sessie werd uitgebreid ingegaan op Lithium Accu techniek terwijl in de ochtend sessie het Energy Storage System werd behandeld. Super interessant en veel geleerd. Vooral over loodzuuraccu’s ;-(

Accu’s balanceren kán een oplossing zijn.

Van veel loodzuuraccu eigenschappen wist ik al het een en ander. Tijdens de ontwerp fase had ik bewust gekozen voor de AGM accu in plaats van een tractie accu, niet alleen vanwege de prijs of de fysieke maatvoering. Een AGM accu heeft een gemiddelde gebruiksrange van 50% terwijl een tractie accu tot 70% kan gaan. Door de AGM accu’s serieel/parallel te schakelen kon ik toch de gewenste ontlaadstromen krijgen en voldoende capaciteit. En ik had ruimte onder de bedden voor 16 accu’s van elk 62 kilo. Maar daar waar de cellen van een tractie accu redelijk gebalanceerd zijn, blijken de interne weerstandsverschillen van AGM accu’s onderling in de praktijk behoorlijk te verschillen, ondanks dat ik een levering heb uit een zelfde productie badge. En in een uitgebreide serieel/parallel schakeling leidt dit tot ongelijkwaardige lading en ontlading. Ik had dat in april al vastgesteld door met een stroomklem elk van de 4 strings te vergelijken. Met een totaal van 100A merkte ik dat twee strings ruim 30A gaven en de andere twee strings beduidend minder. Eigenlijk was dat al een teken aan de wand…. Want op deze wijze zouden die twee strings altijd eerder ontladen zijn én het risico lopen dat zij tijdens het laden niet geheel volgeladen zouden worden. Immers, de andere twee strings zouden het laadproces kunnen instrueren om naar absorptie fase en dan naar float fase over te gaan terwijl sommige accu’s feitelijk nog niet vol waren. En daar kan een loodzuuraccu niet goed tegen. Er treed sulfatie op waardoor de capaciteit terugloopt. Een natte tractie accu kun je dan een egalisatielading geven waardoor deze gaat gassen en de sulfatie weer oplost. Maar bij een droge AGM kan dat niet.

Accu’s balanceren is een moeilijke klus

En het wordt nog veel erger als blijkt dat de laadspanning van één accu in een string zover stijgt dat die AGM accu toch gaat gassen. Of noem het maar droogkoken. Boven een spanning van 15Volt kan dat zomaar gebeuren. En in één van mijn eerdere tests werd er met gemak 17Volt bereikt. Ga maar na, 4 accu’s in verschillende ladingstoestand bijv. A:13,6 + B:13,8 + C:17 + D:14,6 = 58,8Volt. Voor de lader niets aan de hand, die denkt dat de absorptie fase is aangebroken en houdt dit wel een paar uur vol. Maar accu C is al vol en wordt dus overladen, D is bijna vol en A en B nog lang niet……

Eigenlijk is daar met AGM accu’s (geldt ook voor gel) maar één oplossing voor: de balancers die ik (te laat) heb geplaatst moeten het onbalans alarm signaal doorschakelen naar de laders zodat deze onmiddellijk stoppen met laden om onderladen/overladen te voorkomen. En daarna moet elke accu een individuele lading krijgen. Maar ja, dat proces kan zo maar 10 dagen duren en is dus onwerkbaar.

Onvoldoende ervaring met uitgebreide serieel/parallel accu’s

Ik heb mijn bevindingen en de theorie voorgelegd aan Daveco en ook op een paar forums besproken met andere ervaringsdeskundigen. Het komt er op neer dat men eigenlijk onvoldoende ervaring heeft met dit soort setups. “Theoretisch zou het moeten kunnen”, krijg je als commentaar. Maar veelal gebruikt men dan tractie accu’s. En als men AGM of Gel accu’s combineert gaat dit goed tot maximaal 2 parallelle en/of seriële accu’s maar 4 zoals in mijn setup, komt nauwelijks voor. Terwijl 4 seriele accu’s voor een elektrische aandrijving toch echt noodzakelijk is, want 48 Volt zorgt voor lagere stromen, dus minder kabel verliezen e.d. Veelal staan grote loodzuur accubanken continue onder een float spanning, zoals bij een zonenergie centrale. En worden deze ontladen met een relatief lage stroomwaarde zodat er van een diepte ontlading eigenlijk nauwelijks sprake is. Of zoals bij gebruikersaccu’s in een boot of caravan waarbij het chemische proces in de accu de kans krijgt om zich op rustige momenten te herstellen. Het chemische proces in een loodaccu is onderhevig aan vele invloeden en die invloeden zijn moeilijk te controleren. Goedkoop is duurkoop? Ja, misschien wel. En nu?

Daveco wil graag met mij meedenken in het vinden van een oplossing. En volgens hen komt een tractie pakket dan het dichtst in de buurt. Garantie van Leoch hoef ik niet te verwachten. De loodprijs is op dit moment zeer hoog, dus er is enige inruil maar alles bij elkaar kost deze hobby dus best veel geld. Met de opgedane kennis tijdens mijn Lithium training ben ik nu op zoek naar alternatieven. Daarover zal ik in een volgende blog schrijven.

Accu problemen met elektrisch varen

Na een jaar met veel tevredenheid elektrisch te hebben gevaren, bemerk ik sinds enige maanden serieuze problemen. Het eerste signaal dat ik opving was dat de generator eerder aansprong dan ik had geprogrammeerd. Een snelle blik op de meetinstrumenten leerde dat de accuspanning Udc onder een vooraf ingestelde drempel viel. Deze drempel had ik ingesteld op 48,8 Volt. Hierdoor werd de SoC waarde van 50% niet gehaald.

Aanvankelijk dacht ik dat de accu’s vanwege hun nieuwigheid meer dan de specificaties konden leveren en dat na 12 ontladingen van <65% en ruim 30 synchronisaties > 65% de accu’s nu ‘ingewerkt’ zouden zijn. Ik heb de Udc grenswaarde verlaagd naar 48 Volt en de Ah waarde van de Victron BMV batterij monitor verlaagd van 850 (4×214) naar 800. Maar dit hielp niet. De generator sloeg al snel weer aan omdat de lage spanning bereikt werd. En na enkele keren varen was dit al op het bedenkelijke niveau van SoC=80%. De accu’s konden het vermogen dus niet meer leveren dat nodig was om te kunnen varen. Dit vroeg om grondig onderzoek.

Ik heb een aantal metingen verricht onder verschillende omstandigheden. Tijdens de eerste meting van 7 oktober waren de 4 banken van elk 4 serieel geschakelde accu’s zonder crosskabels verbonden. Uit de meting blijkt dat bij volle accu’s (Floating laadspanning) er spanningsverschil is tussen de accu’s. Er is dus sprake van onbalans. Op advies van Victron Energy heb ik 3 batterij balancers geplaatst maar hiervoor moesten er wel cross kabels worden gemonteerd, totaal 9 stuks 35mm2. Door de ietwat ongelukkige plaatsing tussen de spanten en verdeling over de bodem van het schip betekent dit behoorlijk wat lengte kabel. En natuurlijk zijn alle kabels van gelijke lengte om onderlinge weerstandsverschillen zo veel als mogelijk te beperken. Dit resulteert in onderstaand schema:

De meetwaarden in het schema corresponderen met de laatste meting van 26 november.

Ondanks de balancers en de crosskabels en een aantal maal langdurig laden maakt het geen enkel verschil. De SoC bereikt circa 75%-80% bij een ingestelde Udc van inmiddels 44 Volt. Als de accu’s daarna 24 uur rust wordt gegeven, herstellen deze zich enigszins waardoor een tweede run kon worden uitgevoerd maar met een load van niet meer dan 2kW, anders zakt de spanning te snel in, zelfs tot onder de kritische grens van circa 38 Volt. Met deze loadtest kon ik een SoC bereiken van 65% maar toen was de prik echt op. Er zit dus een defecte, of zelfs meerdere, accu tussen.

Ik heb aan de hand van alle logs die via de Victron VRM Portal zijn bewaard een analyse gedaan om te bekijken of er een patroon is te vinden. En of daar een aanwijsbare oorzaak voor is.

Bovenstaande grafiek toont de 12 cycli die zijn gemeten. Totaal zijn dit overigens 12+40=52 ontlaad en laadsessies. 12 stuks waarbij dus een SoC van <65% is gehaald. De trendlijnen zijn duidelijk: de SoC ligt steeds hoger terwijl de Udc steeds lager komt te liggen. Opmerkelijk is meting 9, hier is bewust een diepte ontlading opgewekt op te bekijken hoe het systeem zich bij een lagere Udc zou gedragen. Maar uit de grafiek kan uitgelezen worden dat de S0C waarde toen al niet meer beneden circa 65% kon komen. En je kunt ook zien dat het een geleidelijk proces is. Er is geen direct aanwijsbaar moment te vinden wat zou corresponderen met een gewijzigde instelling, ander gebruik of wat dan ook. Nog enkele getallen die verwerkt zitten in deze logs:

  • Ontlaadstroom gemiddeld 200A (dus circa 50A per bank)
  • Laadstroom via generator 140-170A
  • Laadstroom via walstroom 20A

Dit weekend heb ik alle accu’s na de ontlaadtest (26 november) losgekoppeld en de waarden genoteerd (zie het schema en de tabel hiervoor). Vervolgens heb ik toen één bank van 4 accu’s (bank 1) samengesteld, met balancers en aan de lader aangesloten (I=20A). Toen de status Floating werd gesignaleerd ben ik gaan meten aan de accu’s en schrok hevig: Accu 1A bleek een spanning van ruim 17 Volt te hebben, was warm en stond hoorbaar te gassen. Die is nu dus stuk en de vraag is of deze al stuk was of stuk is gegaan tijdens dit laadproces?

Ik ben nu gestart om elke individuele accu vol te laden met een aparte 12 Volt 4 staps lader (max 15A). Daarmee kan ik geen schade meer aanbrengen aan andere accu’s. En ik heb dit verhaal geschreven om het voor te leggen aan de leverancier van de accu’s zodat zij een verklaring kunnen geven. Wordt snel vervolgd dus!