Muchos no se animan a tener una bicicleta eléctrica porque piensan que el ahorro que conseguirán se escapará cada cierto tiempo que se estropee la batería, no es falso pero tampoco es del todo cierto. A priori las baterías son las que menos vida útil tienen pero, si las cuidamos bien, siempre almacenándolas con carga a ser posible a tope, porque como sabemos si olvidamos la batería en un rincón y no la cargamos durante mucho tiempo es muy probable que al intentar recargarla de nuevo no consigamos una carga completa. Nuestros sistemas eléctricos no trabajan justos, respetando un 8 - 10% de margen de la intensidad con la que debería trabajar el sistema eléctrico nos aseguramos una vida útil mucho más larga.
Podemos encontrar baterías de iones de litio a partir de 200€, a continuación veremos como podemos montar nuestro propio pack de baterías de iones de litio por mucho menos. No necesitamos mucha experiencia, con un estañador y aclarándonos un poco con el montón de cables resulta bastante fácil.
El corazón de las baterías son las celdas en este caso 18650, y el PCB (protection circuit modules PCB/PCM/BMS/CMB) es el cerebro.
Protection Circuit Modules (PCB/PCM/BMS/CMB) para baterías de litio - Los pack de baterias Li-ion y Li-Poly siempre deben ser usadas con un circuito de protección para prevenir que las celdas tengan sobrecarga, sobre-descarga o exceso consumo. Elegir el circuito correcto y aplicarlo es vital para asegurar la longevidad de las baterías y por nuestra propia seguridad. Para celdas > 5 o 18,5v li-ion packs, deberías escoger un PCM con función de equilibrio para mantener cada celda en el mejor balance y otorgue un buen servicio durante su vida útil. Para un pack de baterias Li-ion de alto voltaje (celdas > 20) debemos escoger un BMS (battery manage system) para supervisar el rendimiento de cada celda y asegurar que la batería trabaja de forma correcta. BMS o sistema de gestión de baterías es un sistema electrónico que controla una batería recargable, como monitorizar su estado, calculando los datos secundarios, reportando esos datos, protegiendo la batería, controlando el entorno y haciendo que trabaje en equilibrio.
El BMS monitoriza diversos datos como:
- Voltaje: Voltaje total, o voltaje individual de cada celda.
- Temperatura: Temperatura media o temperatura de las celdas individuales
- Estado de carga (SOC) o profundidad de descarga (DOD) para ajustar el nivel de la batería.
- Estado de la salud (SOH) medidas sobre el estado general de la batería
- Corriente, Entrada ó salida de la batería.
Los distintos PCB se presentan con diferentes versiones dependiendo del número de células, voltaje y capacidad. El que vamos a coger como ejemplo cuesta unos 8€, hasta 14,8V pack de baterías de Li-ion (5A limite) Especificaciones:
- Tensión de protección de sobrecarga para una sola célula: 4.35 V ± 0.025V
El PCB previene la sobrecarga. Debido a que la delicada química de la batería de iones de litio se puede dañar si se carga con una tensión demasiado alta, el PCB se encarga de cortar la corriente a las células. Esto no debería ser un problema si realizamos la carga con un cargador inteligente. Si carga un teléfono móvil con 4,2 voltios, entonces el voltaje de la celda no se elevará por encima de 4,2 voltios, incluso si cargas la celda durante semanas. Nadie quiere cargar una celda más allá de su punto de carga. Un cargador inteligente se apagará una vez que la batería ha terminado de cargar.
- Sobre voltaje protección de la descarga de una sola célula: 2.40 V ± 0.080V
Si el voltaje de una batería de iones de litio caé a cero, o incluso simplemente por debajo de 2 voltios, se verá seriamente perjudicada, y nunca serás capaz de volver a cargarla. Los teléfonos móviles tienen esta misma protección. Si mides el voltaje de una batería de un móvil "muerto" verás que entrega 2.5 voltios.
- Protección de detección ante exceso de corriente: 4 ～ 6A
Sobre la protección de exceso de corriente es necesario porque un PCB es relativamente pequeño con componentes diminutos y no puede manejar demasiada corriente. Se apagará para ahorrar cuando se encuentre entre los 4 y 6 amperios.
- Máxima corriente de descarga continua: 4A
- Suministro de Corriente: 50uA Max
El suministro de alimentación es el consumo de corriente de los componentes electrónicos en el PCB. Es prácticamente nada y no agotará en ningún caso la batería.
- Protección del cortocircuito: Recuperación automática
La protección del cortocircuito significará que el PCB se apagará si detecta un cortocircuito; si un cable se desconectó o si tenemos un cables pelado.
- Resistencia circuitos de protección: <= 50mohms
Resistencia circuito de protección es la resistencia causada por el PCB. Todos los circuitos producen un poco de resistencia. Una vez más el consumo es tan pequeño que no se aprecia.
- Tamaño: 50mm(1,96") x 16mm (0,6") x 4mm (0,2")
- Peso: 2 gramos
Baterías o celdas se usan indistintamente, la diferencia es que una celda es la parte más pequeña e indivisible de la batería, la cual almacena la energía y una batería puede estar hecha de muchas celdas.
Tomaremos una batería ejemplo con 16 celdas. Tenemos varios tipos de configuraciones 4S4P - Esto significa 4 en serie y 4 en paralelo. También podría ser 1S4P significa que la capacidad se multiplica por cuatro pero la tensión sigue siendo la misma. 4S1P la capacidad sigue siendo la misma pero la tensión se multiplica por cuatro. 4S4P significa que es una batería con 4 veces la tensión/voltaje y 4 veces la capacidad de una sola celda.
Las ultimas celdas 18650s trabajan en 2,6 amperios hora(también existen ultrafire de 4,2voltios). 4S1P son 16,8 voltios y 2,6 amperios-hora. 4S2P son 16,8 voltios y 5,2 amperios-hora. 4S4P son 16,8 voltios y 10,4 amperios hora. Sobre el papel las celdas 18650s pierden capacidad después de varios ciclos. Lo mejor es coger un vatímetro y sabrás la capacidad exacta.
Todas las celdas tienen un formato común, por lo tanto puedes encontrarlas con facilidad y con precios realmente baratos, se llaman 18650s porque tienen unas dimensiones de 18 mm por 65 mm. Por poner un ejemplo, el exclusivo Tesla Roadster utiliza 6800 celdas 18650s!
La mayoría de ordenadores portátiles viejos son alimentados por celdas de este tipo. Puedes conocer las fechas de fabricación y la capacidad buscando en los números de identificación de las celdas. No hay forma de saber cuántos ciclos tienen de uso pero piensa que el ahorro es tan grande que realmente merece la pena.
Las celdas nuevas cuestan en torno 8€ cada una, se pueden encontrar más caras y seguro que más baratas, si no tienes oportunidad de encontrar celdas usadas desechadas que sean aprovechables, a veces se pueden encontrar celdas usadas 18650s en eBay.
Nuestro siguiente paso será conectar todas las celdas. Podemos hacerlo de varias maneras, desde cinta aislante ó americana(aunque no es la mejor opción, seguro que en un momento u otro se acaba soltando), pasando por el recurrente estañador hasta maquinas de soldadura por puntos que es lo que usan los fabricantes profesionales.
También podemos construir nuestro propio soldador por puntos.
Los portapilas son una opción limpia y fácil porque se puede poner y reemplazar las celdas fácilmente si se agotan. Algo más que probable, si trabajas con pilas usadas. No te olvides de soldar los contactos en la parte posterior juntos así todos los positivos están conectados con los otros positivos y lo mismo con los negativos. Al final del proceso solo tendremos dos cables que sobresalen, uno positivo y uno negativo.
El portapilas que más me gusta es en el que puedes tratar las pilas de forma individual y conectarlo como si de un puzzle se tratara.
En el porta-pilas de la foto inferior hay espacio para cuatro celdas que actuarán como una sola, una vez que se conecta al PCB. Las pilas en este soporte quedarán con una configuración 1S4P. Se puede utilizar cualquier número de celdas siempre y cuando disponga de un número divisible por 4.
Si tienes 8 portapilas con capacidad para cuatro celdas cada uno y dispones de 32 celdas se podría hacer un paquete 4S8P. Si sólo disponemos de 4 celdas se podría hacer una configuración de 4S1P. Necesitamos una buena carcasa para introducir los portapilas o el paquete de celdas que hemos montado, una carcasa donde queden holgadas pero sin que puedan rebotar dentro de esta, para evitar futuros fallos por culpa de baches o cualquier pequeño golpe. No solo debemos preparar espacio para las celdas, también para el esencial cableado, aunque a priori puede parecer que no ocupan espacio, si no se cortan bien ajustados a medida, todos los cables, una vez terminado el pack ocupan un espacio sustancial. No olvides atornillarlos firmemente.
Es recomendable usar algún tipo de aislamiento entre las capas de baterías. Los soportes de las baterías están recubiertos con objetos metálicos puntiagudos que podrían causar un cortocircuito.
Hasta ahora todo parece fácil, tenemos que coger el BMS/PCB/PCM que compramos y conectar nuestro paquete de baterías. La forma más sencilla de unir todo el cableado es usar terminales en bloque europeos, fáciles de usar y de aspecto limpio, al ser terminales tipo tornillo si nos confundimos será muy sencillo y rápido cambiar las conexiones. No te olvides de tomar las precauciones oportunas, no te puedes electrocutar con 16,8 voltios, pero si una pequeña quemadura. O aún peor, podría dañar las celdas o el PCB.
Un paquete de baterías de 16,8voltios es técnicamente una batería de 14,4 voltios. El voltaje comprende un rango entre 9,6 y 16,8 voltios dependiendo de su estado de carga. 14,4 voltios está en el medio, sería su voltaje nominal. Es una buena guía y todo debería salir bien. Una vez que hayamos terminado el proceso todavía no recibiremos carga en P + y P-. Para ser claros no me refiero a celdas individuales 18650. Sino 4 piezas 18650s ubicados en el porta-pilas. Para el PCB trabajará como una sola célula.
Celda 1+ va con a B +
Celda 1 - va con a B1 -
Celda 2 + va con a B1 -
Celda 2 - va con a B2 -
Celda 3 + va con a B2 -
Celda 3 - va a B3 -
Celda 4 + va con a B3 -
Celda 4 - va con a B -
Los cables con la potencia principal están conectados en P + y P-
Nos faltan los últimos conectores que usaremos para cargar la batería muchos fabricantes caseros utilizan los tipo JST son fáciles de encontrar y dan buen resultado.
Coloca el cable rojo en el mismo lugar donde la celda 1 positiva y la B positiva del PCB están cableados dentro del bloque de terminales. Cablear el resto de los cables negros siguiendo el orden con el resto de las celdas.
En esta web encontrarás diagramas de cableado y diferentes formas de cablear las baterías según configuraciónes.
Hay dos maneras de cargar un pack de baterías. Se puede alimentar con 4,2 voltios a las celdas individuales o se puede cargar toda la batería de 16,8 voltios que es lo más lógico. Si estamos utilizando pilas usadas que hemos reutilizado esta última forma no servirá porque cada celda tendrá un nivel de carga distinto. Cuando se montan paquetes nuevos, todos ellos utilizan pilas a estrenar con la misma capacidad de amperios hora. De esta manera se pueden recargar cientos de veces sin que una pila llegue a tener más carga que otra. Este equilibrio extenderá la vida útil de cualquier pack de baterías.
Que significa que las celdas no este en equilibrio y por qué es realmente malo. Inevitablemente las celdas trabajarán en diferentes ratios. Digamos que el voltaje de cada celda del pack es de 4,2 voltios después de tenerlas cargadas cuando son nuevas.
La Celda 1 tiene 4.2v
Celda 2 tiene 4.2v
Celda 3 tiene de 4,2v
Celda 4 tiene 4.2v
La Batería entera tiene 16.8 voltios
Imaginemos que una de las celdas no consigue llegar hasta 4,2 voltios. Ahora la celda 1 solo carga hasta 3,8 voltios. El cargador no lo sabe y todavía carga hasta 16.8 voltios soportando las otras celdas más voltaje para compensar, en este caso podría ser hasta 4,3.
Celda 1 tiene 3,8v
Celda 2 tiene 4.3v
Celda 3 tiene 4.3v
Celda 4 tiene 4.3v
La batería entera tiene 16.8 voltios
Es frecuente ver como una celda en mal estado puede echar a perder las celdas en buen estado que albergan más carga. Los cargadores de balance nunca entregan más potencia a las celdas por encima de 4,2 voltios y nos indica si una celda se niega a cargar al completo. Un voltímetro es ideal para mantener la salud de las celdas vigilada.
Los cargadores de balance son muy utilizados en las baterías comunes tipo Lipo.
La gente usan baterías de polímero de litio (Li-Po para abreviar) baterías para alimentar vehículos radiocontrol como helicópteros, aviones, barcos, etc. Las bate´rias LIPOS son más baratas y más duras, son las más recomendadas para sobrevivir a inevitables accidentes mientras conducimos. Requieren equilibrarlas y más cuidados que las baterías de iones de litio. Algunas tienen tasas de 50 C! Eso significa que a 5 amperios hora, la batería podría suministrar 250 amperios y descargarse por completo en tan sólo unos minutos! La química utilizada son casi idénticas por lo que los cargadores pueden intercambiarse.
PCB
La primera vez que conectas todo, la preocupación por descubrir que no esta bien conectado aflora, y si lo conecto y lo chamusco todo? Una vez completado todo el montaje tenemos que asegurarnos que todo esta bien conectado, que las baterías tienen carga y que el PCB esta activado y funciona correctamente.
Si el PCB no funciona, todo está bien conectado y las baterías tienen carga, según el fabricante hay que "engañar" al PCB y aplicar 16,8v a los terminales P+ y P-, esto es porque el PCB fue diseñado para ser cargado en serie y hay que hacerle creer que está siendo cargado a través del P+ y P- (simplemente debemos de tocar durante apenas un segundo y activa el PCB) Deberiamos hacer lo mismo si se suelta un cable y el PCB pierde la conectividad con las celdas, el PCB asume que algo no está funcionando correctamente y se apaga para evitar cortocircuitos. El PCB asume que debemos haber vuelto a conectar el cable si tratamos de cargar la batería.
Se oye hablar mucho acerca del Ratio C en la construcción de paquetes de baterías. C significa capacidad y representa lo que pasa a ser la capacidad de la batería. Si tengo una batería de 8 amperios horas y carga a 8 amperios, entonces se está cargando a 1C de carga y podría terminar en una hora. Si carga a 2 amperios hora, como la mayoría de cargadores, entonces estaría cargando a un cuarto C, y tardaría 4 horas en cargar. Si agoto una batería de 8 amperios tendrá una duración de una hora; Eso es un consumo de 1C.
La capacidad de la batería se mide en vatios hora. Para saber los Watt horas debemos utilizar la fórmula (Watts = Voltios x Amperios) para multiplicar la capacidad (8 amperios hora) con tensión (14,4) para obtener 115 vatios hora. Trabajará utilizando un vatio durante 115 horas o cualquier otra relación proporcional que sea mas coherente... Por supuesto, que todo es teoría sobre el papel. El tiempo real será menor.
Una vez terminado el pack de baterías necesitaremos conectarlo, los conectores RCA son una buena opción. El grosor del cable y la calidad de las conexiones son suficientemente buenas para packs de 1,5 amperios, si queremos más potencia debemos buscar algo más caro.
En este pack, la máxima corriente continua posible serán 12 amperios, podemos calcularlo si cogemos el ratio de una pila 18650 que es 1,5C. Multiplicamos el ratio de una pila por el total de amperios del pack, 1,5C x 8 Amperios hora y el resultado son 12 amperios. Por supuesto que las baterías pueden aguantarlo, pero en este caso los cables son demasiado delgados y no puede pasar mucha corriente a la vez, si queremos que nuestro pack tenga más potencia recuerda usar cables más gordos. En la tabla a continuación puedes ver una relación del grosor del cable y la capacidad de corriente para guiarte en la compra de los cables que necesitarás.
Normalmente los cargadores inteligentes controlan la tensión de la batería - cortan cuando detectan que la batería se ha cargado completamente para no seguir pasando carga - pero también cortan la corriente y no cargan las baterías si detectan que alguna celda tiene un voltaje inferior a dos voltios, que significará que esta totalmente muerta o si por el contrario detecta voltaje superiores a 4,2 voltios.
Una vez listo todo el pack, solo nos queda testarlo para comprobar que todo funciona y los valores son correctos. Si usamos pilas usadas debemos comprobar que una celda no tenga más capacidad que otra porque no trabajará correctamente, caerá el voltaje en diferentes ratios, una celda puede caer por debajo de 2,4 voltios antes que las otras y el conjunto de la batería se apagará.
Si tu pack de baterías sufre un cortocircuito, lo más probable es que se calentará de forma desmesurada, puede salir humillo negro o ver la propia placa ennegrecida. No es extraño que pueda ocurrir y para evitarlo solo tenemos que poner una buena capa de aislamiento entre las pilas de baterías, ya que, en el peor de los casos, podría incendiarse cuando no estás en casa y preparar un buen estropicio.
Eso no significa que crear un pack de baterías sea un proyecto terriblemente peligroso, pero hay que tener cuidado.
Sigue unos consejos básicos para el mantenimiento de tu batería y por supuesto no pruebes por primera vez tu pack de baterías cerca de una fuente de combustible, una medida de precaución simple y efectiva es activar/testar la batería en un cubo de metal, si puede ser con algo de arena y nunca cerca de cualquier cosa inflamable. Con activar hablamos de cargar y descargar un par de veces para asegurarse que funciona sin problemas. Una vez que hagas una batería tendrás la confianza necesaria para hacer diversos paquetes, tan grandes como quieras, en cualquier configuración que necesites.
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