Pack de baterías 18650 casero: celdas, BMS, soldadura por puntos y carga

Serie para la tensión, paralelo para la capacidad y la corriente

Las celdas en serie (S) suman sus tensiones; las celdas en paralelo (P) suman su capacidad y se reparten la corriente. Un 10S3P son diez grupos en serie, cada uno de tres celdas en paralelo: 30 celdas en total.

Las mismas cifras que en nuestra calculadora de pack de baterías. Un pack de bici de «36 V» es un 10S.

Elige S según la tensión que espera el aparato: el controlador del motor, el convertidor o la herramienta indican su margen de entrada, y el pack tiene que quedarse dentro desde cargado (4,2 V por celda) hasta vacío (2,5–2,65 V por celda bajo carga, según la celda). Después elige P por dos motivos: la capacidad que quieres y la corriente que tienen que dar las celdas entre todas.

Nuestro ejemplo es un pack de 36 V tipo bici eléctrica para un controlador limitado a 20 A: un 10S. Con tres celdas LG MJ1 por grupo, la calculadora da 36,35 V nominales (42 V cargado, 25 V al corte de 2,5 V de la celda), 10,5 Ah y 382 Wh. A 20 A cada celda da 6,67 A, por debajo de sus 10 A, y el pack entero puede dar 30 A.

El ejemplo en la calculadora: 10S3P, LG MJ1, carga de 20 A.Abrir la calculadora

Elegir celdas: la corriente de descarga real

La cifra que manda es la corriente de descarga continua de la hoja de datos del fabricante. Los anuncios de los vendedores suelen dar un pico o un pulso, o un número sin fuente. Hay dos grandes familias: celdas de alta capacidad, unos 3,5 Ah con 8–10 A, y celdas de alta descarga, unos 2,8–3 Ah con 30 A o más.

De las hojas de datos (las de Molicel en su web; LG y Samsung no publican las suyas, así que los enlaces de las fuentes son copias alojadas por terceros) y de las páginas de producto de Molicel. LG y Samsung no indican en sus webs si estos modelos siguen fabricándose: compra a distribuidores que te enseñen la hoja de datos y el lote.

Si el controlador tirase 30 A en vez de 20, cada celda llevaría 10 A: justo en el límite de la MJ1 y por encima de los 8 A de la 35E, como avisa la calculadora (míralo). Una celda de alta descarga como la P28A los aguanta sin problema, pero guarda menos: el mismo 10S3P tiene 8,4 Ah en vez de 10,5 (pack con P28A; pack con P30B). Elige primero la celda por la corriente y luego añade P para la capacidad.

Comprar celdas originales y emparejarlas

• Capacidades imposibles. Las 18650 de más capacidad en las hojas de datos que hemos revisado rondan los 3,5 Ah. Una 18650 de «9900 mAh» es falsa, normalmente una celda mucho más pequeña dentro de un envoltorio grande.
• Peso. Las 18650 originales pesan unos 45–50 g (46 g típicos la P28A, 50 g como máximo la 35E). Pesa unas cuantas con la báscula de cocina: una celda de 30 g no es lo que dice la etiqueta.
• Envoltorio y marcas. Las celdas reenfundadas esconden su origen. Compra a distribuidores que vendan celdas originales del fabricante, enseñen la hoja de datos y sepan decirte el lote de fabricación.
• Mide al recibirlas. Las celdas de un mismo lote deben llegar con tensiones en reposo parecidas; una mucho más baja que las demás ha sido maltratada o está defectuosa.
• Nunca mezcles celdas usadas y nuevas, modelos distintos ni lotes distintos en un mismo pack: la celda más débil marca los límites del pack, y es la que acaba sobrecargada y sobredescargada.

En un pack con grupos en paralelo, empareja las celdas: mide la capacidad (y la resistencia interna, si tu cargador puede) y forma cada grupo con celdas parecidas, para que todos los grupos tengan casi la misma capacidad total. Un cargador con prueba de capacidad, como el XTAR VC4SL (de 0,25 a 3 A, 3 A solo con una celda; prueba de capacidad real; alimentación USB-C), lo hace con unas pocas celdas cada vez.

El BMS

El BMS (sistema de gestión de la batería) protege el pack: corta la corriente si un grupo pasa de su tensión de carga completa o baja de la de descarga, ante un cortocircuito o una sobrecorriente y, normalmente, por temperatura; y equilibra los grupos. Para nuestro 10S de 20 A, la calculadora pide un BMS 10S de al menos 25 A continuos, una cuarta parte de margen sobre la carga.

• Corriente continua. Cuenta la cifra continua, no la de pico. JBD, por ejemplo, especifica su versión de 30 A para 90 A durante un segundo.
• Equilibrado. Casi todos los BMS equilibran de forma pasiva, quitando un poco de corriente a los grupos más cargados, unas decenas de miliamperios: JBD da 20–55 mA para su SP14S004. Basta para que un pack bien montado no se desequilibre; no arregla celdas mal emparejadas.
• Puerto común o separado. Un BMS de puerto común carga y descarga por los mismos dos terminales, como en la figura de más abajo. Uno de puertos separados tiene una entrada de carga con su propia corriente, a menudo menor: compárala con tu cargador.
• Temperatura. Un termistor (NTC) sobre las celdas deja que el BMS detenga la carga cuando están demasiado frías o calientes. El BMS de JBD lleva uno en la placa y otro externo.
• Inteligente o no. Un BMS inteligente muestra la tensión de cada grupo y deja cambiar los límites desde una app (Bluetooth) o por UART, RS485 o CAN. No es imprescindible, pero delata enseguida un grupo débil.

De las páginas de los fabricantes. En cualquier BMS, comprueba la química (Li-ion, no LiFePO4), el número de celdas en serie, la corriente continua ≥ la cifra de la calculadora, los umbrales de sobrecarga y de descarga por celda y si la rama de carga tiene un límite menor.

Soldar, aislar y cablear el pack

Tira de níquel y soldadura por puntos

Las celdas se unen con tira de níquel soldada por puntos a los extremos: un pulso de corriente cortísimo y muy intenso funde un punto pequeño en milisegundos, y al interior de la celda llega poco calor. Un soldador de estaño tiene que mantener caliente la carcasa durante segundos, y ese calor llega a la junta y al separador: por eso los packs se sueldan por puntos, no con estaño. Si una celda se tiene que soldar con estaño, debe venir con lengüetas soldadas de fábrica.

Usa tira de níquel puro, no acero niquelado, que se vende con el mismo nombre, conduce peor y se oxida en los bordes cortados. El níquel puro ya conduce unas cinco veces peor que el cobre (8,5 µΩ·cm el Nickel 201, frente a 1,72 el cobre), así que el grosor importa:

Calculado a partir de la resistividad del Nickel 201 (AMETEK). Cobre de la misma sección, 0,15 × 8 mm: 0,14 mΩ por cm. El calor va con el cuadrado de la corriente: el doble de corriente, cuatro veces el calor.

En un pack 3P la corriente entre dos grupos pasa por tres puentes de tira, más o menos un tercio cada uno: 6,7 A con 20 A. Haz los puentes cortos; para más corriente, añade una segunda capa o usa tira más gruesa, siempre que tu soldadora pueda con ella.

De las páginas de los fabricantes; los dos son kits que terminas tú, de series cortas y a menudo agotados: Malectrics marca como agotado su kit V4 premontado, y por tanto los conjuntos que lo incluyen, y la página del kWeld no indica si hay existencias, así que comprueba antes la disponibilidad. En general, busca una soldadora alimentada por una batería de coche, una LiPo grande o condensadores (supercondensadores) que pueda dar bastante más de mil amperios durante unos milisegundos, con duración del pulso o energía ajustables y especificada para el grosor de tira que necesitas. Hay soldadoras portátiles baratas con batería integrada por todas partes; no hemos encontrado datos de fabricante con los que comprobarlas, así que prueba cualquier soldadora con tira de desecho y una celda de prueba y arranca la tira: una buena soldadura rompe el níquel en lugar de despegarse limpia.

Aislamiento y soportes

• Aros aislantes en los positivos. En una 18650, el borde que rodea el polo positivo es la carcasa, es decir, el negativo. Un aro de papel aislante (fish paper) en cada positivo evita que una tira o una rebaba cortocircuiten los dos.
• Soportes o separadores mantienen las celdas separadas y el pack rígido; papel aislante entre grupos y sobre las tiras, y una funda exterior resistente, evitan que el níquel roce hasta quedar al aire.
• No tapes las válvulas. La válvula de seguridad está en el polo positivo. Silicona caliente o resina encima impiden que una celda que falla desgasifique por donde debe.

Cables de equilibrado, cables principales, fusible y conector

• Cables de equilibrado. Uno desde B−, uno desde cada una de las nueve uniones y uno desde B+, en orden. Antes de enchufar el conector al BMS, comprueba con el polímetro que cada pin marca más o menos la tensión de una celda más que el anterior, y sigue el orden de conexión del manual del BMS.
• Cables principales. Para 20 A en 0,5 m a 36 V, nuestra calculadora da 2,5 mm² con un fusible de 25 A (compruébalo). La calculadora usa las intensidades admisibles de los cables con aislamiento de PVC; para cable de silicona, vale la que indique su fabricante.
• Fusible. Un fusible en el positivo, cerca de las celdas, con un calibre por encima de la corriente de la carga y por debajo de lo que aguanta el cable: aquí 25 A. Mira su tensión en continua: un 10S cargado llega a 42 V, más de lo que admiten muchos fusibles de automóvil (el MEGA de Littelfuse, por ejemplo, es de 32 V). Los fusibles de cuchilla MINI 58V de Littelfuse llegan a 30 A a 58 V en continua.
• Conector. Un XT60 lleva 20 A con holgura; a partir de 30 A, un XT90, cuya versión XT90-S lleva una resistencia antichispas. Pon el conector hembra en el lado del pack, para que sus contactos con tensión no puedan tocar nada.

La carga

Las celdas Li-ion se cargan a corriente constante hasta 4,2 V por celda y después a tensión constante mientras la corriente baja (CC/CV). Un pack 10S necesita un cargador CC/CV hecho para 42,0 V; el BMS es una red de seguridad, no el cargador. Para alargar su vida puedes parar en 4,1 V por celda, 41 V: según la tabla de Battery University (90 % de la energía a 4,13 V, 81 % a 4,06 V) conservas alrededor del 85–90 % de la capacidad, y Grin, que fabrica el cargador Satiator, recuerda que los packs de litio duran mucho más si no se cargan siempre al máximo.

• Corriente. La calculadora da 5,03 A como corriente máxima de carga estándar de este pack (los 1,675 A por celda de la hoja de datos de la MJ1, por tres). Un cargador de 2 A llena el pack de 10,5 Ah en unas cinco o seis horas y lo trata con más suavidad.
• Temperatura. Carga entre 0 y 45 °C con la MJ1 (0–60 °C con las Molicel), y nunca un pack helado recién traído del garaje.
• Conector y polaridad. Los conectores de los cargadores no son estándar: comprueba polaridad y tensión antes de la primera carga.

De las páginas de los fabricantes.

Saber la carga

La tensión en reposo de un pack Li-ion dice aproximadamente cuánto le queda: nuestra tabla de tensión 10S convierte una lectura en un nivel de carga, con la dispersión entre las tablas de los fabricantes. Mide con el pack en reposo, no con carga. Unos 38 V en reposo (3,8 V por celda) son más o menos media carga; también es el margen para guardarlo, 3,80–3,85 V por celda, 38,0–38,5 V en un 10S.

El ejemplo completo

En las calculadoras: el pack, los cables principales.

El pack tiene 382 Wh, así que no puede viajar en avión como batería de repuesto: la IATA admite baterías de litio de repuesto de hasta 100 Wh en cabina, de 100 a 160 Wh con aprobación de la aerolínea, y ninguna por encima de 160 Wh. Enviarlo también está regulado: consulta antes con la empresa de transporte.

Seguridad, almacenamiento y cuándo no hacerlo tú

• Carga donde un fuego no pueda extenderse: sobre una superficie no inflamable, lejos de lo que arda, no de noche en el dormitorio ni junto a la única salida. Una bolsa ignífuga o una caja metálica ayudan con packs pequeños; no contienen uno grande.
• Guárdalo a media carga (3,80–3,85 V por celda), en un sitio fresco y seco, y revisa la tensión cada pocos meses.
• Retira los packs dañados: un pack que ha sufrido un golpe fuerte, se ha aplastado, mojado, hinchado o calentado no se reutiliza. Llévalo a un punto limpio o a un punto de recogida de pilas y baterías.
• Respeta los límites de las celdas: carga entre 0 y 45 °C (MJ1), nunca por encima de 4,2 V por celda, nunca por debajo de la tensión de corte.