DIY Convierte tu bici en eléctrica tú mismo en 5 pasos - Paso 1: Construye la batería a partir de otras recicladas

Bici modificada con Prokit 901 de hasta 500W; una verdadera gozada subir las cuestas con ella

Hace tiempo que tenía en mente modificar mi bici para hacerla eléctrica; cada vez me cuesta más subir la pendiente con tramos del 14% hasta mi casa, y llegar sudando a mares en verano no es muy cómodo que digamos.

En las próximas 5 entradas os contaré los detalles de cómo he adaptado la mía por 500€ (si la quieres sin complicaciones, las tienes desde 1.100€):

1: Veremos cómo preparar la batería con pilas Li-ion 18650 usadas

2: Colocando el motor en la bici

3: Preparando el alojamiento para las baterías en el cuadro

4: Conectándolo todo y programando el controlador

Y para finalizar, es importante tener unos buenos frenos; el peso de la bici llega a los 30 kg.

Monitor del voltaje de las celdas; importante para conocer el estado de cada pack

La verdad es que cuando vives a entre 2 y 10 kms del trabajo, una bici eléctrica, con cero emisiones, menos mantenimiento que una motocicleta, más manejable y económica, es una opción que te llena de satisfacción cada vez que la utilizas. Eso sí, para que sea legal, tienes que limitar la potencia a 250W y hacer que sea mediante ayuda al pedaleo. Aunque me parece un poco absurda la ley al respecto sobre todo si vives en zona de orografía escarpada; debería limitarse la velocidad a 40 kms/h para las bicis y listo (sin motor alguien poco preparado es difícil que pueda mantener esa velocidad).

Sebastián Reyes me estuvo informando sobre el kit que más me convenía; os recomiendo echar un vistazo a su blog, por ejemplo esta entrada donde te informa y aconseja sobre la potencia, kits disponibles, tipos de motor, etc antes de decidiros por el vuestro.

El kit se puede comprar en kitelectrico.com o Electrorodes.com por ejemplo, que es donde yo cogí el prokit 901; Pablo me atendió y resolvió algunas dudas amablemente. En GoldenMotor España también está disponible (y a menor precio, y eso que es la misma empresa). Descartado pedirlo a China directamente; el coste final y gestión de posibles problemas no lo aconsejan por costes de envío.

También estuve buscando información en la red (en Endless Sphere podéis encontrar abundante información en inglés sobre bicicletas eléctricas) y a priori me valía con una simple ayuda para que mi chica se animara también a coger más la bici, además no quería gastarme demasiado.

El kit más básico de 250W (motor, controlador y manetas) costaba en julio alrededor de 280€ sin batería, pero luego estuve informándome sobre ese tipo de motores pequeños y suelen llevar piezas de nailon que se degradan con el tiempo, aparte de poco potentes y no tener frenada regenerativa, por lo que las ventajas de discreción, legalidad y precio se difuminaban bastante; al final me decidí por un motor sin escobillas chino más potente de Golden Motor, el Prokit 901, sin partes mecánicas mucho más duradero y que me ayudara más eficazmente con los desniveles, recargándose al frenar en las bajadas (ahorrando pastillas de freno de paso) y más flexible en cuanto a potencia de cara al futuro.

También tenemos la opción de poner dos motores de baja potencia en ambas ruedas, pero no sale a cuenta.

En la siguiente entrada hablaremos con más detalle de los tipos de motores a usar en una bici.

Construyendo tu propia batería Li-ion

Podréis comprobar que la batería es la parte más cara de una bici eléctrica; una normalita de Li-ion de 36V y 10Ah cuesta desde 350€, por lo que me decidí a ahorrarme bastante construyéndola yo mismo a partir de baterías de portátil usadas y de paso aprendiendo un montón en el proceso, inspirándome en otros blogueros como Jacopo Rodigari que hicieron lo mismo con éxito. Como podréis comprobar, construiré con 180€ aprox. una batería Li-Ion de 18Ah y 36V (packs de 9x2.000mAh conectados en serie x 10, o lo que es lo mismo, 10s9p).

Antes de nada mis disculpas a Mikel de Pamplona, que me comentó hace años la idea de aprovechar baterías de portátil viejas para construir una batería para una bici eléctrica, supongo que ya consiguió hacerlo, espero que pueda leer esta entrada y dejar un comentario algún día :).

La importancia de la "C": Velocidad de descarga

Hay que valorar también que este tipo de baterías normalmente tienen tasa de descarga/carga de 1C; es decir, se carga/descarga con seguridad en 1 hora (si la pila tiene 2000 mAh de capacidad, entonces podrá entregar 2 amperios en una hora de forma segura y sin dañarla), y aunque son mucho más convenientes a la larga las de LiFePo4, que permiten tasas de descarga desde 15C hasta 25C, y una vida que duplica los 1000 ciclos de las LiCoO2 típicas de los portátiles llegando a durar hasta 2000 ciclos, su precio puede ascender a los 600€ una de 12Ah, cuando veremos que podemos hacer una de 18Ah por menos de 150€ reciclando baterías en desuso.

En todo caso, si queremos una batería nueva, nos decantaremos por la LiFePo4 para la bici, ya que son mucho más duraderas y potentes; su mayor precio enseguida es compensado.

Ejemplo: Si tenemos una sola pila de 3,6V, 2.2 Ah y 5C de tasa de descarga, tendríamos: Tasa de descarga= 5*(2.2Ah)/h =  11A -> La intensidad máxima que puede suministrar la batería es 11A (o lo que es lo mismo, 3,6V*11=39,6W pico de potencia; evidentemente suministrando esa intensidad sólo te va a durar 12 minutos).

Tenemos que evaluar la capacidad/potencia instantánea que queramos que tenga. Esto viene dado por el número de pilas que ponemos en paralelo en cada celda, y la tasa de descarga del tipo de pilas utilizadas. A mayor número de pilas en paralelo en cada pack (como comentamos en otra entrada anterior), más nos durará y más potencia/Amperios podremos exprimir en un momento dado.

Si los trayectos van a ser cortos o tenemos espacio limitado en la bici (yo he elegido el cuadro por equilibrarse mejor el peso y estar más seguras, pero también podemos montar la batería en el portaequipajes trasero o delantero), nos decantaremos por baterías de menos celdas, incluso podemos mezclar baterías LiPo (hasta 30C de tasa de descarga y mismo rango de voltaje que las LiCoO2) con Li-ion para tener algo más de potencia, siempre que tengan la misma capacidad.

En este caso quería tener las dos cosas; suelen ser viajes cortos pero con alta demanda de energía (desnivel de 50 mts con pendientes entre el 7 y 14%), por lo que necesitaba poner al menos 8 baterías en paralelo para poder obtener 24 Ah instantáneos sin dañar las baterías (son generalmente pilas de 2200 mAh con 2C de descarga y 1C de carga por lo que podremos pedir 3 Ah por cada una sin dañarlas).

Finalmente, por configuración y espacio, me incliné por packs de 9 pilas LiCoO2 (9x2,6=23,4 Ah), es decir, tendré 23 amperios en una hora, que estimo me durará tres 10 viajes (como he comprobado luego).

Es muy importante, para no arruinar las baterías prematuramente, no exigirles más potencia que aquella para la que estén preparadas. Vaciarlas en menos tiempo del recomendado supone aumento de temperatura y cambios en la química interna, pequeños daños que se van acumulando y reduciendo su vida útil. Para evitar esto, como veremos en próximas entradas, programaremos el controlador para pedir sólo los amperios que la batería pueda entregar con comodidad (lo mismo haremos con la frenada regenerativa, para no recargar más rápido de lo que la batería admite).

En mi caso el prokit 901 funciona con baterías de 24, 36 o 48V (a mayor voltaje mayor velocidad tope, mayores RPM), para 36V necesitamos 10 celdas (10*4,2V=42V), lo que hace un total de ¡nada más y nada menos que 90 pilas 18650!

Una nueva (Samsung, Panasonic o similar) suele salir por 3 o 4€, por lo que saldría un total de 360€, que en ese caso convendría ir directamente a las LiFePo4 (con rango de voltaje de 2,5V a 3,7V totalmente cargadas).

Hay que tener en cuenta la influencia del voltaje en la velocidad. Los motores directos sin escobillas (con 3 fases) son de bajas revoluciones por minuto (RPM), las RPM máximas vienen dadas por el voltaje; a mayor voltaje mayor velocidad máxima. Con 36V, el Prokit 901 (motor GoldenMotor de 46 polos) podría llegar a los 38 Km/h, pero si quisiéramos más velocidad (en Europa sólo está permitida la ayuda hasta 25km/h) necesitaríamos construir una batería de más voltaje.

¿Por qué no Lipo? Ambas químicas son parecidas en cuanto a potencia y peso, pero debemos decantarnos por LiFePo4 para vehículos eléctricos. Las principales diferencias entre ambas es que la LiFePo4 son más longevas (hasta 2000 ciclos), mucho más seguras y con un rango de voltaje menor (entre 2,5 y 3,6V) mientras que las Lipo son las menos longevas (entre 100 y 500 ciclos), algo más baratas y ligeras, y tienen C más altas (hasta 60C, las más peligrosas) y rango de voltajes muy parecido a las LiCo; entre 3,2V mínimo y 4,2V máximo; las Lipo son ideales para Radiocontrol.

Para conseguir las 90 pilas recurrí a la venta de segunda mano, y tuve la suerte de encontrar numerosas baterías de portátil a la venta en Ebay por las que nadie más pujó, por lo que pude obtener packs de 6 pilas en buen estado desde 8€ (por lo que cada una me salió a 1,3€):

La peor batería que vi: sólo 2200 mAh de nueva con 4 baterías "falsas" de plástico.

Algunas se pueden desarmar fácilmente con un destornillador plano (podéis encontrar vídeos en Youtube), pero otras vienen tan bien ensambladas que no me quedó más remedio que utilizar el dremel para ayudarme a abrirlas, cortando por la unión de los lados con mucho cuidado que el disco de corte no tocara las baterías:

Fijaros en los dispositivos de seguridad por temperatura que lleva esta batería por ejemplo: El gris corta el paso de la corriente si se calienta más de 80ºC; lo guardé para utilizarlo más tarde en mi batería:

Batería curiosa, con células planas que pude aprovechar para un coche teledirigido.

Para comprobar rápidamente el estado de cada pila, utilicé el versátil y económico iMax B6, y muchas de ellas no tuve que descargarlas por completo para ver su capacidad aproximada; si una vez cargada a 4,1V, y tras dejarlas dos horas en reposo (importante), si no han perdido voltaje, comprobamos con 1A de descarga aguanta por encima a 3,9V bajo carga, habiendo descargado más de 100 mAh, podemos estar seguros de que llegará y pasará los 2000 mAh requeridos (que sería aprox. un 80% de la capacidad de nuevas o más).

Me he encontrado con baterías que, aunque en el ciclo de carga y descarga mostraban una capacidad de 1750 mAh, internamente estaban dañadas y perdían su carga en unas pocas horas, de ahí la importancia de dejarlas unas horas y comprobar el voltaje antes y después; no puede haber más de 0,01V de diferencia o no nos servirá.

Vamos comprobando baterías; las de la fila superior tienen más de 1900 mAh de capacidad cada una

Me llegaron 12 baterías de portátil de diferentes lugares de España y cada una contenía entre 3 y 8 Li-ion 18650 cada una de las que sólo 2 baterías completas resultaron inaprovechables para este proyecto (con capacidades de menos de 1300 mAh), pero que pude usar en otro proyecto de baterías con menor demanda de capacidad.

Éstas, añadidas a las 14 unidades nuevas que ya tenía de 2400 mAh, me dieron justo para montar la batería completa.

Este cargador nos permitirá recargar baterías e incluso revivirlas rápidamente aunque el iMax B6 las rechace por "carga demasiado baja"

La forma de la batería

Construiremos la batería con el formato que más nos convenga para el sitio de que disponemos. En un principio había pensado en aprovechar una caja de aluminio de un disco duro grande, pero se quedaba pequeña. Luego estudié el espacio que tenía en el cuadro para la batería, y opté por ponerla a lo largo con una anchura de 3 pilas encajadas entre sí por lo que tendrían una anchura de 5 cms., con lo que la anchura de mi cuadro en la zona de las piernas pasaría de 4,5 a 6 cms. aprox. con tapas.

Mi BH Jumper tiene un cuadro de aluminio reforzado muy pequeño, preparado para los saltos (de los que ya me puedo olvidar al poner las baterías), por lo que había que planificar muy bien su disposición.

En el siguiente vídeo podéis ver cómo ha construído su batería Jacopo:

En los vídeos siguientes veréis cómo he unido con silicona las baterías (no inflamable, aguanta altas temp.), y posteriormente cómo las he soldado, con algunos consejos a tener en cuenta:

Como podéis ver, son 10 packs en serie de 9 baterías en paralelo cada una, pegadas con silicona entre sí, de forma que cada pack encaja con el siguiente (muy apropiado para aprovechar mejor el espacio y que encajen entre sí en su alojamiento definitivo en la bici).

Debemos montar cada pack con una capacidad lo más parecida al resto posible para que la descarga y carga se mantenga igualado entre packs durante el uso y recarga.

Hay que tener en cuenta que cada batería 18650 tiene unas características únicas que las diferencian del resto, que dependen de su calidad y uso; una resistencia interna, capacidad, etc. Las procedentes de una misma batería suelen ser muy similares. Yo he mezclado todas repartiendo las mejores y peores entre todas las celdas; aún así, como vemos en el vídeo siguiente, la celda 10 ha resultado algo superior al resto, y la 7ª bastante inferior, por lo que tendré que revisarla, sustituyendo alguna de sus "pilas" para que pueda entregar la misma potencia que el resto, porque ahora mismo no cubre la demanda, provocando diferencias en la carga y descarga.

Por otro lado, no nos vale cualquier cable para unirlos, sino que tiene que el diámetro estar dimensionado correctamente según la intensidad eléctrica que pase por ellos; para calcular el cable que debe ir entre los packs podemos usar esta útil calculadora. Entre cada "pila" 18650 podemos usar cable algo más fino, conectando cada pila con más de una de las contiguas para asegurarnos una correcta transferencia de electrones.
A la hora de soldar a las baterías, procurad que éstas no cojan mucho calor (más de 20 segundos con un estañador de 32W no es recomendable), el calor excesivo daña las baterías.
Aquí tenéis un vídeo de otro "manitas" montando packs de 6 y comprobándolos.

En la siguiente imagen podéis ver que los packs los he unido directamente para hacer pruebas con ella (carga y descarga), pero lo más recomendable, para facilitar su mantenimiento, colocación, etc es colocar conectores rápidos adecuados para la intensidad que vamos a manejar.

Para ello he cortado los cables de unión, y ayudándonos siempre que venga bien del tubo termo-retráctil para aislar:

A continuación lo estañamos:

Y finalmente he colocado el macho del conector en el lado positivo de cada pack, y el hembra en el negativo, como referencia, bien apretado y estañado para asegurarnos un buen contacto:

En caso de que haya algún problema, un corto por cualquier motivo (falta de aislamiento, conexión no deseada, etc), podemos evitar males mayores (incendios, daño a la batería, etc) colocando un fusible de coche en medio de la batería mayor que los amperios que vayamos a utilizar:

Con estos conectores podremos poner el fusible de quita y pon:

Colocando los conectores rápidos (amarillos); el plástico exterior de PVC lo calentaba para que quedara más ajustado y fijo:

Otro punto a tener muy en cuenta es el uso correcto de la batería; cada pack no debe bajar de 3V con carga o 3,1V en reposo, ya que con ese voltaje la batería sólo conserva 5% de capacidad; por sus características, este tipo de química sufre más cuando les resta menos del 20% o cuando se mantienen cargadas por encima del 80%, reduciendo el número de ciclos de carga útiles, que como hemos comentado anteriormente en las de cobalto utilizadas en portátiles, son 1.000 ciclos teóricos.

Consejos de uso y conservación de las baterías Li-Ion (química LiCoO2)

Resumiendo, las baterías de portátil son "pilas" modelo 18650 (ancho 18 mm. y longitud 65 mm.) con las características siguientes:

• Alta densidad de energía (las que más).
• No cargar a mayor velocidad de 1C (olvídate de cargas en menor tiempo que 1 hora).
• Nunca descargar por debajo de 3,1 Voltios, y si se descargan por debajo de 3,5V, cargarlas inmediátamente; descargar por debajo de 3,5V o dejarla descargada por debajo de ese valor acorta mucho su vida; es preferible dejarla cargada parcialmente (las cargas parciales no la dañan, sino que les viene mejor que una carga total).
• Nunca cargar por encima de 4,2V (recomendado no cargar por encima de 4,1V por lo mismo; si cargamos siempre a 4,0V triplicamos su vida útil).
• El voltaje en reposo nos indica la carga; a 3,3V están vacías, y en descarga es recomendable no bajar de 3,1V (de 3,5V en reposo). A menos de 3V se degrada rápidamente formándose cristales de litio, estropeándose más cuanto más tiempo estén vacías:

Carga	Porcentaje
4,2V	100%
4,1V	90%
4,0V	80%
3,75V	40%
3,6V	10%
3,1V	2%

• Si apreciamos que se calientan mucho al cargar o descargar, algo hacemos mal o está dañada; la batería está sufriendo; a mayor temperatura de trabajo menor vida útil.
• En caso de que no las vayas a usar por más de una semana, déjalas cargadas a 3,8V, es la carga óptima de almacenaje.
• Las baterías sobre-descargadas pueden volverse a la vida en algunos casos (sobre todo si se vaciaron ellas solas con el tiempo; suelen descargarse un 1% mensual).

La relación entre el voltaje de carga y los ciclos de carga (ciclos de vida)

La batería tiene un coste muy alto como para no cuidarla; las de litio, aunque no tienen efecto memoria, sí tienen una interesante característica; cuanto menos las cargues, el número de ciclos restantes aumenta exponencialmente, según la siguiente fórmula (a grandes rasgos):

Vf (Vca)= 2^[10*(4.2-Vca)] (Vf es el factor de mejora en ciclos de vida, y Vca es el voltaje de carga)

Si estas baterías por lo normal aceptan 1000 recargas, si la recargáramos a 3,9 voltios siempre (al 70%), podríamos recargarla 8.000 veces en vez de mil, por lo que, al igual que las baterías de móvil, es mejor recargar frecuentemente y poco.

Si cargamos las baterías siempre a 4,1V, doblaremos su vida útil (fuente)

Pero más importante que no cargarlas demasiado, es no dejarlas descargarse completamente; para prevenir eso y utilizarlas de forma óptima (por su precio más nos vale) estuve mirando de colocar un par de monitores de carga económicos, cada uno monitorizando 5 celdas, con una alarma audible que se puede configurar a 2,9V como aviso si alguna de las celdas alcanzaba ese mínimo.

Como no me gustó el aspecto (los voltajes se van sucediendo en pantalla) y lo que consumían, lo reemplacé por otro sistema como antes he comentado (y que se describe en más detalle en la 4º entrada):

Aislando las baterías

Finalmente es importante aislar bien cada pack o parte de la batería, para evitar cualquier posibilidad de cortocircuito con el resto o con las partes metálicas de la bici, además de evitar que pueda entrar agua en las mismas (aunque como veremos en otras entradas, lo primero es evitar que entre al compartimento de las baterías). 

ATENCIÓN PELIGRO: Si no aisláis correctamente las baterías, sobre todo aquellas que tienen gran capacidad de descarga instantánea, en caso de producirse un cortocircuito (por un contacto del positivo con el negativo inintencionado), la batería se calentará rápidamente, dañándose y ¡pudiendo llegar a explotar!!

No menospreciéis un adecuado aislamiento de todas las superficies metálicas de la bici, empezando por la envoltura de cada pack. Yo he utilizado cinta americana blanca, económica y resistente:

Ajustamos la cinta a la forma de la batería para permitir su encaje con el resto. Antes de aislarlas bien, conviene estudiar su alojamiento en la bici, y ver cómo podemos sujetarlas, comprobando que entrarán todas y la mejor forma de amarrarlas, como veremos en las próximas entradas.

Y ya tendríamos la batería preparada, pero de nada nos sirve si no podemos cargarla; necesitaremos un buen cargador:

Cargando el pack de forma segura

Con un cargador de 41V y 2 Amp. para una batería de 18 Ah Li-Ion, podremos cargarla completamente en 9 horas. Como cada pack tiene diferente resistencia interna y capacidad total, las cargas tienden a desigualarse entre celdas con el tiempo, lo que se evita con un BMS, que balancea la carga igualándola entre todas las celdas. Como de momento no tengo BMS, prefiero monitorizar la carga las últimas 2 horas para comprobar que ninguna se carga más de 4,1V, porque en el peor de los casos podríamos acabar con una batería envuelta en llamas. Las dos primeras cargas fue bastante bien, con un delta de 0,1V entre celdas, pero a medida que las voy recargando, y tras unas 4 o 5 recargas, cada vez hay mayor diferencia entre celdas; indicativo de la diferencia sustancial de resistencia interna entre las celdas.

Es muy importante cerciorarse de que ninguna de las celdas se sobrecarga por encima de 4,2V, siendo recomendable no superar los 4,1V; cuando se carga por encima de 4.30V, la celda acumula recubrimiento metálico de litio en el ánodo; el material del cátodo se transforma en un agente oxidante, pierde estabilidad y se libera oxígeno, degradando progresivamente la celda.

Cargador conmutado inteligente de 2 Amp. y 36V modelo MCR0236L

Con vistas a evitar eso, adquirí un BMS (balanceador de carga) que tuve que devolver porque no funcionaba como esperaba; no cargaba nada las baterías (no era capaz de igualar tanta diferencia de carga):

Testeando el BMS (en esta foto los cables todavía no estaban correctamente conectados)

Sin BMS, en cada recarga tenderán a acumularse las diferencias de los voltajes por la diferente resistencia entre celdas, desbalanceándose más rápidamente cuanto mayor sea la diferencia.

El tema de cargar cada celda al mismo voltaje de forma rápida es complicado. Normalmente los balanceadores de carga económicos entregan como máximo 300mA por celda, lo que hace la carga de una batería desbalanceada pueda llegar a durar días.

Mucho se ha hablado en los foros de este tema. Alguno propone utilizar circuitos DC-DC independientes (disponibles de China por 2€ cada uno) para cada celda, con voltaje regulado a 4,1V, lo que haría la carga a 2A balanceada un juego de niños, y yo creo que es el camino a seguir, tal vez en un próximo proyecto. Jacopo incluso ha fabricado uno que carga a 1 o 1,5A, mucho menos limitado que los que hay a la venta para bicis/motos eléctricas.

Aunque si tenemos tiempo, creo que podemos utilizar uno como este para igualar las cargas cada vez que lo veamos necesario:

Pero su precio, con aduanas, sube a 140€, por lo que puede ser mejor buscar un BMS económico que cumpla con el cometido, o poner dos imax B6 separando la batería en 2 packs de 5 cuando se van a cargar, y balanceando a la vez.

Y esto es todo lo referente a la batería con pilas Li-ion recicladas, espero que hayáis disfrutado tanto leyéndolo como yo preparando la batería ;), si seguís estos consejos tendréis batería para rato; en la entrada siguiente colocaremos de forma segura el motor en la bici, y entraremos en detalles sobre el funcionamiento de estas pequeñas maravillas de la ciencia.

ATENCIÓN: Exención de responsabilidad: Estas instrucciones se comparten "tal cual", con el único ánimo de compartir mi experiencia, por favor abstente de ponerlas en práctica si no cuentas con los medios y conocimientos adecuados, no seré responsable de ninguna consecuencia o daño derivado.

Fuentes de información:
Endless Sphere: Fuente de información indispensable sobre bicicletas eléctricas.
Sustituyendo bujes plástico motor Ba-Fang
Cómo construir packs de litio de forma segura
Cargador balanceado en HobbyKing para baterías de hasta 10 packs en serie
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Detalles técnicos de la carga y descarga de baterías según el tipo
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Monitor de voltage 8S en HobbyKing
Cómo cargar baterías Li-ion
El Prokit 901: Detalles técnicos e interior
Las baterías de iones de litio (Wikipedia)
Detalles de las baterías LiFePo4
Calculadora diámetro de cable eléctrico
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