Constrúyase su propia bateria


Maker Batteries  pretende ser una forma nueva de  construir paquetes de baterías de iones litio en kit según las  necesidades en cuanto a tamaño, peso, potencia y capacidad  que se necesiten ..!todo ello  en el más puro “hágalo usted mismo”!

Su creador Micah Toll , es  diseñador  fabricante de baterías, poseyendo un sistema ,cuya patente esta  en trámite, que permite a cualquiera crear sus propias baterías de litio personalizadas. Micah empezó construyendo baterías de litio para bicicletas eléctricas hace unos años, para lo cual  tubo que invertir en costosas herramientas  incluyendo soldadores de punto y pasar un tiempo obteniendo las habilidades para utilizar las herramientas especializadas , lo cual le hizo pensar como podría hacerse sin esas costosas  herramientas (especialmente , el soldador de puntos ) así que se decidió a diseñar un kit de construcción de baterías que cualquiera pudiera  usar con herramientas convencionales sin necesidad  de un  soldador de puntos.

Como vemos aunque la idea  no es demasiado original (excepto por  el aspecto didáctico ) no obstante  éste kit ofrece una gran la singularidad, pues  las   baterías usadas en este kit genérico para construir cualquier batería ,  son Panasonic, es decir  la mismas que utiliza Tesla, tanto en su famoso PowerWall ,como en sus coches eléctricos ,  lo cual al menos debería ser garantía  de cierta calidad .

 

 

 

Como podemos ver en el vídeo ,los kit vienen determinados por diferentes capacidades máximas, entre 10.000 y 20.000 mAh y  desde  12, 24, 36, 48 o 52 voltios según la configuración elegida.

También vemos  que además de las baterías y conectores ,el kit incluye los conectores y el plástico termoretráctil para empaquetar las baterías.

 

USOS  DE LAS BATERÍAS

Las baterías se pueden utilizar para almacenar energía solar procedente de paneles fotovoltaicos o incluso  la  procedente del enchufe de casa durante las horas en las cuales la tarifa es más barata y usarla después —convirtiendo la tensión a 220 voltios usando un inversor—, cuando la tarifa aumenta.

Por supuesto también están las aplicaciones comunes en vehículos teledirigidos, drones, bicis eléctricas, etc. todos ellas, eso si , cargándolas con un cargador convencional, así que ahora con este kit ,como admite tantas combinaciones, este técnica permite construir cualquier batería de litio de tamaño que se precise.

Las opciones como  vemos son casi infinitas:

  • Sistema de almacenamiento de energía de fuera de la red para su cabina o RV!
  • Para bicicletas eléctricas!
  • Hacer una batería para RC drone, avión o coche que pese menos y tengan una mayor capacidad que la batería original!
  • Construir su propio mini Tesla Powerwall (o tamaño, o incluso más grande!)
  • Hacer un Banco de baterías portátiles para alimentar sus dispositivos sobre la marcha
  • Agregar una segunda rejilla de la energía a su hogar alimentado con energía renovable!
  • ¡Y mucho más! ¡Las posibilidades son limitadas solamente por su imaginación!

Tipos de baterías

En este kit  el elemento mínimo son las   baterías que vienen en  módulos de células conectadas en paralelo  pudiendo ser configuraciones de 3 celulas ( en forma de triangulo o en linea   )  o de 6 en linea paralelo  para llegar a conseguir 3.6V  /10.5AH o 3.6v /20.4AH respectivamente.

 

Los módulos triangulares son ideales para crear baterías de formas únicas, lo cual es especialmente útil para las baterías de bicicletas eléctrica, porque necesitan a menudo un numero impar de estas   y, ademas, pueden  caber en formas irregulares  donde se requieren formas tales como triángulos y trapecios.

Los módulos rectos son mejores para las baterías donde la forma es menos importante y simplemente hay que apilarlas de forma correcta. Los pequeños módulos rectos 3 celdas son ideales por tanto para pequeñas baterías de drones con grandes capacidades.

Las baterías de 6 celdas más grandes son mejores para aplicaciones que requieren capacidades incluso mayores, como almacenamiento de energía en el hogar o los bancos de energía portátil.

KITS TIPO HÁGALO USTED MISMO

Estos kits se  ha previsto para  3 tipos diferentes de usos  diseñados para construir las siguientes aplicaciones :

  1. Baterías de RC (aviones teledirigidos, coches RC, etc.)
  2. Baterias bicicleta eléctrica
  3. Baterías de gran capacidad multipropósito (almacenamiento de energía de fuera de la red, bancos de energía portátil, ebikes, etc.)

Los kits vienen con todas las piezas necesarias para construir las baterías, incluyendo las células, cables, conectores, realización de tiras de níquel  y el  acolchado de la espuma protectora termoretractil . Las baterías de RC incluyen un conector de equilibrio para la carga mientras que todos los kits incluyen un sistema de gestión de batería (BMS) para proteger y equilibrar las células durante la carga así como para proteger la batería entera durante el uso.

En el ejemplo siguinte veremos un kit de una batería de 48V 10AH ,  típica para emplearla en una bicicleta eléctrica

Se usan 13 módulos  de 3 celulas en triangulo cada uno , con una capacidad de 3.6V y 10AH por modulos. Se conectan  en asociación serie , lo cual en total  por tanto nos  da una capacidad de 10AH ( es decir la capacidad de cada modulo)  y una tensión nominal final de 3.6v x 13=46,8V

 

 

Example of a 48V 10AH Maker Battery kit

Ahora veamos un nuevo ejemplo de un kit a batería 36V 20AH.

Se usan 10 modulos de 6 celulas con una capacidad de 3.6V y 20.4AH  por módulo . Estos módulos se coenctan en asociación serie , lo cual en total  por tanto nos  da una capacidad de 20.4AH  y una tensión nominal final de 3.6v x 10=36V

Example of a 36V 20AH Maker Battery kit

 

Como vemos estos Kits de batería del fabricante vienen con todos los materiales que se necesita para construir tu propia batería de ion de litio, pero todavía se necesita algunas herramientas para montarlos,por lo que si se decide a  hacerlas por usted mismo ,  deberá  asegurarse de  tener las siguientes herramientas y accesorios:

 

A continuación se muestran dos guías descriptivas rápidas del proceso básico para el montaje de un fabricante de la batería   en  4 sencillos pasos:

 

 

Aunque con cada kit de batería  envían  instrucciones por escrito y en los videos  hay  instrucciones que detallan cada paso del proceso de montaje, como vemos en realidad es bastante sencillo una vez que se tienen todos los componentes

A modo de resumen con estos kits  podemos conseguir las siguientes típicas agrupaciones de baterías:

 

 

Y en el siguiente vídeo podemos ver el proceso total desde el principio hasta el final:

Algunas notas acerca de la seguridad:

Todos hemos escuchado historias últimamente sobre la batería de litio relacionadas con incendios, en particular desde los  “hoverboard”    hasta lso recientes  teléfonos Galaxy note 7. Sabemos pues  que las baterías de litio pueden ser peligrosas, así que es importante entender lo que ha provocado estos incendios y los pasos que se deberían tomar para garantizar que esto no sucede con las baterías que podamos construir nosotros mismos.

En primer lugar, el número de incendios de batería de litio en estos productos defectuosos fue estadísticamente pequeño, ocurriendo en menos de 1 de cada 100.000 casos. Aún así, la causa de los incendios fue debido al pobre diseño  por lo que esta claro que podrían haberlo evitado. Los juguetes tipo hoverboard utilizan las células de batería chinas más baratas disponibles. En la mayoría de los  casos están mal hechas las células, por lo que fácilmente pueden entrar en cortocircuito, sobrecarga y provocar un incendio.

Por tanto  a la hora de componer una batería debe asegurarse que su  fabricante utilice solamente las más alta calidad pilas de litio disponibles,  como por ejemplo las fabricadas en Japón por Panasonic ( las células de 18650B que son exactamente  las mismas usadas por Tesla en sus vehículos eléctricos).

La batería del Samsung Galaxy note 7  tubo  problemas de incendios por una razón diferente. Aunque e la investigación todavía se está realizando, el consenso general ahora es que el teléfono fue diseñado incorrectamente y aplica demasiada presión en la bolsa de la batería del teléfono, apretándola y pudiendo causar un cortocircuito que en raros casos condujo a un fuego. Por esta razón usar  baterías con armazón reforzado, revestido del metal  están específicamente diseñados para ser más fuertes y resistir daños físicos para asegurarse de que sean tan seguras como sea posible.

Aún más, hay algunos  fabricantes de baterías que incorporan otras múltiples características de seguridad en tres niveles diferentes, como se muestra a continuación:

Maker Batteries incorporate three levels of safety features

COMO CARGAR UNA BATERÍA

Para todos los cargadores  ,se debe  determinar si el cargador es compatible con la batería, sólo confirmando el voltaje de salida con el proveedor y comprobando que es un cargador de voltaje actual y constante (CC-CV).

  • 12V (3 células en serie) = 12.6 voltaje de carga
  • 24V (7 células en serie) = 29.4V voltaje de carga
  • 36V (10 células en serie) = 42.0V voltaje de carga
  • 48V (13 células en serie) = 54.6V voltaje de carga
  • 52V (14 células en serie) = 58.8V voltaje de carga

Todos los kits de batería (excepto los kits de batería del RC) vienen con un conector de 2,5 mm DC cargador previamente soldado a los BMS como el extremo macho del conector para añadir a su cargador. Si su cargador tiene la opción de llegar con un conector de CC de 2.5mm, le ahorrará el esfuerzo de agregar el conector incluyendo a su cargador.Para baterías de RC, necesitará un cargador de equilibrio.

 

El proyecto en si  de construcción de baterias de Ion de litio  en Kit estaba buscando financiación en kickstarter    perno NO han  alcanzado el objetivo marcado, de modo que dejamos aqui la información   porque es posible real izarlo por medios propio todo el montaje

Mas información aqui

Fabricación casera de baterias de alta densidad energética


Las baterías de fosfato de hierro y litio (LiFePO4 o LFP), son las baterías tradicionales de Li-Ion más seguras. Una característica fundamental de estas e  que la tensión nominal de una celda de LFP es de 3,2V, cuando en las de plomo-ácido suele ser de 2V por celda.

Por ejemplo una batería LFP de 12,8V, por lo tanto, consiste en  4 celdas conectadas en serie; y una batería de 25,6V consiste de 8 celdas conectadas en serie.

Una batería de plomo-ácido fallará prematuramente debido a la sulfatación si:

  • Funciona en modo de déficit durante largos periodos de tiempo (esto es, si la batería raramente o nunca está completamente cargada).
  • Se deja parcialmente cargada o, peor aún, completamente descargada (yates o caravanas durante el invierno).

Por el contrario  las  baterías  LFP no necesitan estar completamente cargadas. Su vida útil incluso mejorará en caso de que esté parcialmente cargada en vez de estar completamente cargada (de hecho esta suele ser  una ventaja decisiva de las LFP en comparación con las de plomo-ácido).

Otra ventaja fundamental es  su mucho mayor densidad energética ahorrando hasta un 70% de espacio y hasta un 70% de peso .

Otras ventajas interesantes de estas baterias  son el amplio rango de temperaturas de trabajo, excelente rendimiento cíclico, baja resistencia interna y alta eficiencia

Como desventaja clara   de las baterias de LiFePO4 o LFP,  destacar que las baterías LFP son caras en comparación con las de plomo-ácido ,pero si se usan en aplicaciones exigentes, el alto coste inicial se verá más que compensado por una vida útil mayor, una fiabilidad superior y una excelente eficiencia  debido a su mayor densidad energética ,razón por la cual son mucho mas pequeñas y ligeras que el resto .
En el mercado podemos encontrar baterías de iones de litio, si buscamos en profundidad , a partir de 120€(12v /10AH) por ejemplo en Amazon siguiendo este enlace 

Aunque evidentemente podemos comprar la batería  ya montada,  vamos a ver como podemos montar nuestro propio pack de baterías de iones de litio por mucho menos precio de lo que nos ofrecen  las grandes marcas , pues no necesitamos mucha experiencia, ya que  la única complejidad estriba en elegir bien los componentes y ensamblarlos de forma correcta.

 

Para construir pues una batería de celdas  necesitamos  pues dos componentes esenciales:

  • Por un lado , un numero determinado de  celdas en función de la tensión e intensidad que se precise  ( las mas típicas son las  del tipo 18650)
  • El circuito de control de carga PCB (protection circuit modules PCB/PCM/BMS/CMB)   de las celdas , el cual también estará en función de la tensión e intensidad que se precise.

Seleccion del cicruito de carga  para baterías de litio

Los pack de baterías 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. Los distintos controladores de carga se presentan con diferentes versiones dependiendo del número de células, voltaje y capacidad. Elegir el circuito correcto ( y aplicarlo)  es vital para asegurar la longevidad de las baterías e incluso también  por nuestra propia seguridad.Como norma general podemos seleccionar un controlador de carga en función de la tensión  necesaria:

  • Para celdas > 5 o 18,5v li-ion packs, debería 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 baterías 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 monitorizando su estado, calculando los datos secundarios, 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.

 

En cuanto  a las especificaciones del circuito de carga, ademas de las consideraciones anterioes ,es interesante  seleccionar este   en función de sus especificaciones electricas  como pueden ser:

  • Tensión de protección de sobrecarga para una sola célula: 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 el cual se apagará una vez que la batería ha terminado de cargar.
  • Tension de  protección  ante descarga de una sola célula: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: Sobre la protección de exceso de corriente es necesario porque un controaldor de carga es relativamente pequeño con componentes diminutos y no puede manejar demasiada corriente.
  • Máxima corriente de descarga continua:es la  corriente máxima que es capaz de gestionar en modo descarga
  • Consumo de Corriente: nos indica  el consumo  de los componentes electrónicos en el controlador. Es prácticamente nada y no agotará en ningún caso la batería.
  • Protección del cortocircuito: La protección por  cortocircuito significará que el controlador se apagará si detecta un cortocircuito; si un cable se desconectó , si tenemos un cable pelado,etc.
  • Resistencia de los circuitos de protección:Relacionado con el consumo de corriente  podríamos decir que es la resistencia causada por el PCB.. Una vez más el consumo es tan pequeño que no se aprecia.

 

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.

 

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 (en  amperios hora) con tensión(voltios) para obtener X vatios hora.

Todas las celdas tienen un formato común, por lo tanto puede encontrarlas con facilidad y con precios asequibles en muchos sitios por internet.

El formato mas habitual es 18650s , cuya numeración en realidad   solo corresponde a  sus  dimensiones físicas de 18 mm por 65 mm (medidas muy similares a una pila AA).

Las celdas nuevas de LI-ion recargables pueden costar  en torno a los 8€ por cada (  tensión  de voltaje: 3.6v-4.2v, capacidad: 2600mAh, salida: 4.2v,   carga máxima: 1.5 , resistencia interna: por debajo 50milliohm ,tiempo de carga: 1000 veces , peso: 48 y Tamaño: 65 mm x 18 mm )

18650 - A123 baterias

Una vez seleccionemos el numero de celdas en función de la tensión y la corriente a obtener mediante asociación de celdas en serie  para obtener la tensión necesaria y en paralelo para obtener la capacidad requerida el siguiente paso será conectar todas las celdas.

La conexión  eléctrica de las celdas podemos hacerlo de muchas , desde cinta aislante ó americana (aunque no es la mejor opción pues seguro que en un momento u otro se acaba soltando), con portapilas ,  soldándolas  con estaño   o incluso mediante maquinas de soldadura por puntos, que es lo que usan los fabricantes profesionales, lo cual como vamos  a ver, tampoco es tan complicado:

La soldadura por puntos se basa en presión y temperatura. Dos piezas se sueldan entre si cuando una parte de ellas se calienta a temperaturas próximas a la fusión y se hace presión entre ellas. En el caso de esta soldadura el calentamiento de la pieza se hace por una alta corriente eléctrica entre dos electrodos y la presión la realizan precisamente estos electrodos en forma de pinza.

Como generalmente la resistencia de las piezas a soldar es muy baja la corriente que debe pasa por la zona a soldar debe ser muy alta del orden de los 500 amperios, pero sin embargo los voltajes son muy bajos, de 1 a 3 voltios pero la potencia total si es alta en torno a  uno o dos kilovatios.

Los hornos microondas llevan un transformador de aproximadamente 2 kilovatios de potencia. El primario acepta los 220 V y tiene dos secundarios. Uno de ellos para alimentar el magnetrón suministra unos 2200 voltios eficaces, otro bobinado consiste en una o dos espiras y sirve para alimentar el filamento del magnetrón.

Al observar el transformador se puede ver que los bobinados de primario y secundario de alta tensión están perfectamente separados. El primario es de hilo mas grueso y el secundario no lo necesitamos porque además es peligroso debido a  las altas tensiones que produce y además necesitamos el espacio que ocupa para el secundario de nuestra soldadura.Por ello para eliminarlo, cortar el bobinado con una sierra y extraer las espiras hasta que se quite completamente. Si tiene un carrete aislante dejarlo, nos puede venir bien aunque no es imprescindible.

El secundario que nosotros necesitamos, debe producir unos 2 voltios y unos 500 amperios aunque sea de manera temporal. Para este secundario necesitamos un par de espiras de hilo de unos 10 0 o 15 mm de diámetro.  Arrollarlo directamente en el núcleo ( un par de espiras ) y su salidas  a dos electrodos   qeu pueden realizarse con una barra de cobre de unos 10 mm de diámetro, necesitaremos dos electrodos de unos 50 mm que limaremos mediante una lima  para afilarla con forma cónica uno de los dos extremos de cada electrodo.

Téngase en cuenta que los tres voltios con que se alimentan las puntas no son peligrosos.

Por ultimo sólo falta equipar un interruptor que alimente el transformador. Lo mas sencillo es activarlo con el pie pues las manos suelen estar ocupadas sujetando la pieza.

Antes de dar paso a la corriente las piezas deben estar aprisionadas. En caso contrario las puntas chisporrotean. Después de hacer unas pruebas se puede decidir aumentar o bajar el voltaje, arrollando mas o menos espiras en el transformador. Cuando se tenga un montaje definitivo acortar todo lo posible los cables del secundario.

En el siguiente vídeo podemos verlo de una forma mas clara como es el proceso de construcción del soldador:

 

Una vez resuelta la conexión eléctrica de las celdas es recomendable usar algún soporte  que haga de aislamiento entre las capas de baterías  siendo  lo mas típico usar unos anillos concéntricos de plástico  con orificios del diámetro de las células que se colocan lógicamente tanto en la parte superior como la inferior

Si su pack de baterías sufre un cortocircuito, lo más probable es que se calentará de forma desmesurada, pudiendo  salir incluso  humo 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.Eso no significa que crear un pack de baterías sea un proyecto terriblemente peligroso, pero hay que tener cuidado.

 

En esta web encontrará diagramas de cableado y  diferentes formas de cablear las baterías según configuraciones.

 

La primera vez que conecta todo, la preocupación por descubrir que no esta bien conectado aflora, ¿y si lo conectamos y se quema 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.

 

 

Por ultimo  acerca del Ratio C  ,la  C significa capacidad y representa lo que pasa a ser la capacidad de la batería. Si tenemos 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.

Fuente aqui