Preparando nueva batería para la bici utilizando la tecnología LiFePo4; segura, potente y duradera

En esta entrada veremos cómo construir una batería LiFePo4 a medida para nuestra bici, más adecuada que la anterior de LiCo para cuestas pronunciadas (sí, otra entrada sobre baterías, ya siento rayaros tanto con el tema ;)

Actualmente la mejor tecnología en baterías disponible para una bici eléctrica off-road es la LiFePo4 (litio-ferrofosfato), porque, a pesar de tener un 30% menos de densidad de energía que las LiCoO
2, y ser más caras, sus ventajas en cuanto a potencia, seguridad y durabilidad lo contrarrestan con creces:

• Potencia: Las LiCoO2 sólo dan 1C; es decir, unos 2 A para una 18650, en cambio el modelo ANR26650M1A de litio-ferrofosfato de la marca A123 entregan 50A sin despeinarse.
• Son de las más seguras de litio; soportan ser maltratadas, sobrecargadas sin arder en llamas, muy importante si la bici la cargamos por la noche en casa.
• Aunque en principio presentan menos capacidad (por lo que pueden parecer más caras), a la larga mantienen su capacidad mucho más tiempo, por lo que en 500 recargas o menos, su capacidad supera a las baterías de Litio-cobalto.
• Mientras que las de Litio la durabilidad media es de 800 recargas completas, las de litio-ferrofosfato pueden conservar hasta un 80% de su capacidad tras 2000 recargas (o más dependiendo de la marca de la batería).
• Con esta batería podremos recuperar toda la energía de las frenadas, sin necesidad de "apaños" para eliminar parte en forma de calor, por lo que obtenemos mayor autonomía.

Ya veis que cuando el peso no es problema, sólo por la ventaja de durabilidad ya son más convenientes que las de LiCoO2. En caso de que no necesitemos potencia, y la autonomía/peso sean importantes, por ser una bici de paseo como las que han instalado los ayuntamientos, y con 10 o 20A nos lleguen, las LiCoO2 nos valen perfectamente. Otra opción similar es la química LiMnO2 (Litio-Dióxido de Manganeso) que permite hasta una descarga de 20C sin perder capacidad, como las IMR VTC4 de Sony; pero duran sólo unos 500 ciclos.

ATENCIÓN: Hay gente que monta baterías LiPo, que aunque tienen potencia a raudales, son las más peligrosas y sólo aceptan 500 recargas.

Previamente había montado una batería reciclando baterías de portátil en buen estado, sin embargo enseguida pude comprobar que obtener más de 1C en la descarga y la recarga (al bajar y subir cuestas pronunciadas) las dañaba más rápido de lo debido, habiendo perdido un 30% de capacidad en sólo 20 recargas; era necesario cambiar de tecnología en baterías.

Aprovechando las pilas LiFePo4 que no llegué a utilizar para la batería de coche, me armé de valor y paciencia para montar otra a medida de la bici (sí, otra más... pfff), desarmando la batería anterior de la bici y aprovechando sus packs para otros menesteres (como cargadores portátiles).

Aunque pueda parecer más rentable montar nuestra batería a medida, y más apropiado para adecuarla al espacio de nuestra bici/patinete/vehículo, se desaconseja hacerlo por requerir un nivel técnico avanzado y el gran número de horas que hay que dedicar a su construcción; existen un gran número de packs de calidad a precio razonable.

La duda existencial de este proyecto era... Me caben 48 baterías 26650 A123 de 3,3V cada una en el cuadro de mi bici... ¿La monto de 24V, 36V ó 48V? (es decir, 8s6p -> 24V ó 12s4p -> 36V ó 16s2p -> 48V).
Al final me decidí por 24V por los siguientes motivos:

- A bajas velocidades (cuestas muy fuertes) la eficiencia del motor sube un 10% mínimo.
- Es más fácil conseguir cargadores y BMS para 24V que para 48V.
- Menos cableado; se simplifica instalación y mantenimiento.
- La autonomía es la misma si se utilizan el mismo número de baterías, ya que la energía total es la misma (incluso aumentada ese 10% por mayor eficiencia a bajas velocidades).
- Con 24V (28,8V cargada a tope) la velocidad máxima son 30 kms/h, más que suficiente para andar por el monte, callejear en la ciudad, etc. Con 48V son unos 55 kms/hora, excesivo.

La única ventaja de 48V es que la sección del cableado disminuye (menor corriente), útil en baterías grandes, y si queremos construir una moto, mejor ir a 60V DC.

Curiosidad: Es sorprendente lo longevas que son estas baterías de A123; éstas que compré de segunda mano están fabricadas en el 2007 y a fecha de 2015 todavía conservaban la mayoría una capacidad de 2100 mAh de los 2300 originales (aunque la resistencia interna se ha multiplicado por 5; todavía pueden entregar 7Ah cada una sin despeinarse; suficiente para lo que necesito).

Como siempre, hay que tener en cuenta que todas las baterías de litio envejecen con el tiempo, aumentando su resistencia interna al perder su estructura química y disminuyendo los amperios que pueden entregar; es muy importante conocer su fecha de fabricación antes de comprarlas. Sin embargo las LiFePo son de las que mejor envejecen.

Montando la batería

La vez anterior uní las pilas de cada pack (celda) con cables; esta vez, y dado que necesitaré de hasta 60Amp. circulando por los cables, utilizaré pletinas de cobre de 5mm. de ancho por 0,3 mm de grosor para unirlas entre sí de las utilizadas en paneles solares (aprovechando también las pletinas ya soldadas a las mismas), que es más eficiente en espacio y práctico (al estar preestañadas):

Una celda de 6 baterías en paralelo

Encinto en la zona de contacto con el plástico para el caso de que se funda por el calor

Es muy importante, aunque las LiFePo4 apenas se calientan, aislar correctamente con cinta de altas temperaturas:

En la siguiente imagen, el positivo de un pack de 6 conectado al negativo de otro; decidí soldar directamente los dos packs, y pegarlos con silicona, porque aunque es más difícil cambiar una celda dañada, mi confianza en que esto no sería necesario era total:

En la bici me cabían 5 packs en la parte inferior y otros tres en la superior, colocando el controlador en la esquina del todo:

Para evitar que se muevan coloqué espuma de caucho a ambos lados

Hay que volver a poner los cables de control de carga y balanceado (9 en total para una batería de 8s); se identifican y vuelven a soldar:

Para la unión de los dos packs utilicé cable de 4 mm:

Y esta es la batería terminada:

 

En el siguiente vídeo podéis ver el proceso de soldado de la batería queridos lectores:

Nada más probarla un par de veces, la primera (con la que ya contaba) en la frente: El interruptor de 20A no aguantó (por el pico de corriente que fluye en la conexión a los condensadores); tuve que poner un relé de 100A para el encendido (24V si lo hay, sino de 12V cogiendo de 4 celdas para activarlo).

Normalmente para evitar esto, se pone una resistencia de 1KΩ y varios vatios para precargar los condensadores del control, pero supone un pequeño consumo que no me gusta, ya que puede que no la use durante meses, y terminaría bajando demasiado la batería. Pero se añade otro interruptor para la precarga, se espera unos segundos y ya se puede activar el principal.

Cómo mejorar el controlador para soportar más intensidad de corriente

Otra parte importante, teniendo en cuenta que le vamos a meter una batería que podría dar 700A pico en teoría (en la práctica antes se funden las uniones), hay que asegurarse de que el controlador va a poder hacerse cargo de la corriente; en el foro de GoldenMotor se veían fotos de uno desarmado con muy poco material conductor en sus pistas, por suerte al desarmar mi BAC-0281P se ve que se han preocupado en mejorarlo, soldando alambres de cobre y dando más estaño:

Y gracias al cielo que no han pegado directamente los MOSFET al disipador, sino que han colocado una lámina pasta térmica (la lámina es de Kapton de alta temperatura, para aislar los MOSFET de la chapa, ya que uno de los polos corresponde al cuerpo):

Sin embargo, ya que lo he abierto, como hay algo de margen de mejora (sobre todo en la pista del negativo donde se aprecia una zona sin apenas conductor), mejoraré algunos puntos.
Ya comentamos antes las características del controlador de Golden Motor BAC-0281P, muy completo y sencillo de programar, con los siguientes componentes:

• Consta de un SoC programable (System on Chip) CY8C24533 que controla todos los parámetros; velocidad, corriente, frenada, etc.
• 6 MOSFET de potencia STP140NF75, dos por polo del motor (6 fases diferentes en las que se alimentan las bobinas del estátor), que trabajan hasta 75V / 120A pico cada uno, por lo que en este sentido van sobrados para manejar los 1000W del motor instalado.
• Comparador de voltajes LM339: Supongo que es el que se encarga de indicar a la CPU cuando la batería baja de un determinado nivel, para cortar la corriente y no dañarla.
• Amplificador de 4 canales de alta ganancia LM324: Supongo que amplifica la señal de los sensores HALL.
• Reguladores de voltaje positivos 78L05, alimenta a los HALL.
• Transistor de potencia E13003TO-220, posiblemente para la señal de la bocina.

Este controlador no presenta ninguna resistencia SHUNT con la que medir amperaje, por lo que supongo que lo hace teóricamente, en base a los parámetros introducidos en la ventana de programación y voltajes.

LM324 y CY8C24533

En la siguiente imagen se puede ver la resistencia SHUNT "R3", un alambre con una caída de tensión muy baja suficiente para conocer el amperaje que circula por ella.

LM339 junto a condensadores

Veremos cómo aumentar la corriente a la que puede trabajar (viene preparado para 30A contínuos/50A pico).

Es importante tener en cuenta que el tope de corriente que pueda manejar el controlador puede venir limitada por programación, además, la máxima intensidad manejada vendrá dada por la conexión más débil (en este caso los contactos y los cables, como veremos), sin embargo esta actuación nos asegurará una mayor durabilidad del control, y más eficiencia (si los conductores son pequeños, habrá pérdidas por calor generado).

Aplico más estaño y coloco trozos de cable o pletina de cobre sobre todo en las pistas del negativo y positivo que van directamente a los MOSFET; necesitaremos un soldador de 40W mínimo.

Y repasando las pistas positiva y negativa, vemos que han reforzado ambos, sin embargo hay un punto "flaco" en la pista negativa, junto a uno de los condensadores:

He limpiado la pintura hasta que se veía el cobre, y colocado un cable soldado de refuerzo; (parece que en Endless Sphere indican que con esa unión se controla el amperaje, y tras añadir el cable de refuerzo (que ha bajado su resistencia) el amperaje a pasado a 50A contínuos máximo (de los 30 anteriores):

Si pega la chapa que apreta los MOSFET, se puede recortar un poco:

Aparte de esto, lijé la parte del disipador con una lijador orbital para asegurarme de que la superficie de contacto con el cuadro de aluminio de mi bici fuera la óptima, y no tener problemas de sobrecalentamiento de los MOSFET en las grandes cuestas que caracterizan el País Vasco ;)

Nota: Aunque ahora el Controlador puede dar hasta 100A tranquilamente, el firmware está limitado a 50A pico y 30A contínuos, valores aproximados que se regulan con la resistencia SHUNT y que con la modificación prácticamente se han duplicado.

Para cargar esta batería de 24V LiFe hay que utilizar un BMS para LiFePo4 de 8S (24V), que tendrá 8 terminales para controlar y balancear voltajes entre celdas. Como los que manejan 40A son muy caros, se puede utilizar sólo para la carga, y conectar directamente por otro lado la batería al controlador, siempre teniendo en cuenta que no tenemos control de descarga, por lo que también necesitaremos un monitor de voltajes o avisador por si alguna celda baja de los 2,75V recomendables en las LiFe.

Más info:
Comparativa de tecnología en baterías y detalles

Peligrosidad de las LiCoO2 y LiPo: Explosión de una batería

Buenas baterías Litio a buen precio en Bangood

Motores BLDC parte I: Construcción y Principios de Operación (inglés)

Funcionamiento de un motor BLDC parte II: Principios de Control
Simulador de motores eléctricos; voltaje VS eficiencia
El controlador BAC-028X de Magic Pie a fondo
Aquí un buen tutorial con consejos en caso de que uses LiPos (no me digas que no te lo he advertido :)