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Cómo construir una batería a partir de celdas tipo bolsa

Los métodos utilizados para construir una batería a partir de celdas cilíndricas son bien conocidos, pero las celdas de bolsa todavía no parecen tener un artículo decente que describa las “mejores prácticas” sobre cómo construirlas. Haré todo lo posible para mostrarte lo que encontré cuando hice una búsqueda recientemente.

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¿Por qué Pouch Cells?

Cuando apila celdas cilíndricas, hay algo de espacio de aire entre cada celda, y este es un volumen de empaque desperdiciado que podría usarse para material de batería más activo. Este no es un gran problema para las bicicletas eléctricas, pero es una gran preocupación para los fabricantes de motocicletas eléctricas.

La celda 200A SPIM08HP, con las guías ubicadas en los extremos opuestos de la celda

Una batería de 52V con un rango de 20 Ah se considera una batería de bicicleta eléctrica bastante significativa, pero no es suficiente potencia o rango para un scooter, y mucho menos para una motocicleta E de tamaño completo. La empresa de motocicletas Zero usa 28S / 104V nominales y, en lo que respecta al rango, su paquete más pequeño es actualmente de 44 Ah, con paquetes más grandes disponibles. Eso es casi cuatro veces la potencia total, y la mayoría de los propietarios de Zero E-moto han elegido la opción de paquete de batería más grande. Los fabricantes de motocicletas eléctricas necesitan meter tanto material de batería activo como sea posible en una estructura con espacio limitado.

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Una caja de arranque de 12V

No he construido una motocicleta eléctrica, pero de vez en cuando necesito poner en marcha un equipo en el trabajo. Había leído que las células que emiten más amplificadores son de vehículos híbridos. Esto se debe a que los vehículos eléctricos que tienen una batería grande (como el Tesla) podrán producir amperios más que suficientes, por lo que … pueden usar celdas optimizadas para un largo alcance. Un vehículo eléctrico híbrido tiene un motor de respaldo para proporcionar un largo alcance, lo que significa que la costosa batería puede ser pequeña. Sin embargo, este paquete híbrido EV debería ser capaz de ofrecer un rendimiento completo del vehículo con un paquete pequeño, muuuy … estas celdas brindan altos amperes.

Vi un video en youtube donde un electricista probó el amperaje en el motor de arranque de su auto de gasolina de 4 cilindros. En el primer medio segundo, alcanzó un máximo de 200 amperios para hacer girar el motor, pero se estableció en unos 100 amperios para seguir girando (la chispa y el combustible se apagaron). Estaba ensamblando una caja de puentes de supercondensador para ayudarlo a arrancar el automóvil cuando el clima estaba bajo cero, y pudo apagar el motor por hasta 8 segundos. Las baterías químicas como el plomo-ácido y el litio perderán gran parte de su capacidad de fabricación de amplificadores cuando se enfríen, pero los supercondensadores funcionan bien en climas fríos. Esa es parte de la razón por la que los autos Tesla tienen un sistema de calefacción / refrigeración por batería.

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Consideré brevemente la construcción de un banco de supercondensadores porque pueden entregar amperes muy altos en un paquete pequeño y, como se dijo antes, pueden funcionar bien en climas bajo cero. Sin embargo, los supercondensadores disminuyen su voltaje con el tiempo, por lo que tendría que recargar el paquete de supercondensadores antes de intentar arrancar un vehículo con la batería descargada. La batería de «relleno» era normalmente un paquete de hierro de litio 4S que cabía en un bolsillo e incluso se podía usar una batería de herramienta inalámbrica de 18V. Se necesitarían unos minutos para usar un paquete de herramientas inalámbricas para «llenar» el banco de supercondensadores (el paquete de llenado de la batería se mantiene caliente en el interior hasta que se necesite). Luego, llevaría el banco de supercondensadores al automóvil congelado para ayudar a encenderlo.

Aquí hay dos celdas de bolsa plana de cuando estaba experimentando con métodos de conexión de solapa.

Opté por la simplicidad de construir mi propia maleta «saltadora» con solo celdas grandes de bolsa de litio y sin supercondensadores. De esa manera tendría más «alcance» cuando se usa como reserva de energía durante un corte de energía (yo vivo en un país de tornados, con frecuentes tormentas de viento). No diría que es pequeño, pero es lo suficientemente ligero y compacto como para guardarlo caliente en el interior. En caso de emergencia, también puedo usarlo para mantener cargados mi teléfono, computadora portátil y linternas USB recargables. Si está pensando en construir una batería grande y costosa para una conversión de bicicleta eléctrica, le recomiendo que primero construya una caja de puentes. Le enseñará todo lo que quiere saber, antes de gastar mucho dinero en el proyecto de tamaño completo.

Encontré algunas barras de aluminio roscadas que funcionarían para mantener las pestañas juntas (como se ve en la foto de arriba). Si no hubiera encontrado esto, estaría a punto de comprar algunas barras de acero y luego cortar, perforar y golpear los cables yo mismo. A medida que las pestañas se tocan en esta configuración, las barras de sujeción no se utilizan como conductores y podrían ser de acero para mantener la rigidez y proporcionar una presión de sujeción uniforme.

Cuando se utilizan celdas de iones de litio ordinarias completamente cargadas a 4,2 V por celda, tres de ellas en serie producen 12,6 V.Las celdas de fosfato de hierro y litio (LiFePO4) funcionan a un voltaje más bajo y están completamente cargadas a 3,6 V cada una, por lo que un paquete de LiFePO4 se utiliza para El suministro de 12V es normalmente un paquete 4S y 14.4V cuando está completamente cargado. La química de LTO es rara, y a 2,4 V por celda, un paquete de 12 V tendría seis celdas en serie, para 14,4 V.

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Chris en Perth Australia

Chris corre en motocicletas eléctricas (miembro del foro de esfera infinita “jonescg”). Cuando comenzó, no había nadie alrededor para construir una batería grande para él, usando un voltaje y una forma personalizados, así que … aprendió a construirlas él mismo. Probó algunos métodos diferentes y accedió a permitirme mostrarlos aquí.

PCB de 2 caras de Chris. Esto es para un cliente que necesitaba bloques de 6S y 4P.

El primer paso en el método que usa Chris es pedir una placa de circuito impreso gruesa (placa de circuito impreso) hecha con el diseño que dibujó en una computadora. Los PCB se usan comúnmente como una placa de circuito para conectar componentes electrónicos a ellos, pero este es un uso inteligente de una línea de productos existente para usar un PCB de una manera en que nunca se pensó que se usara. Las formas hexagonales en la parte inferior de las placas de circuito impreso se eligieron para crear un lugar donde las tuercas roscadas pudieran soldarse en estos lugares, en lugar de usar epoxi o algún otro método como tuercas remachables o sierras roscadas.

La parte inferior de la placa guía, con una celda insertada.

En la imagen de arriba puede ver claramente las ranuras a través de las cuales se deslizan las pestañas y también las tuercas soldadas a las que se unen los tornillos de fijación. Las tuercas no requieren mucha sujeción “anti-giro”, por lo que soldar los bordes proporciona mucha fuerza. Sin embargo, las tuercas están específicamente niqueladas para facilitar la soldadura.

Una plantilla de perforación de bricolaje

He visto a algunos fabricantes de baterías usar una perforadora de papel para hacer un agujero en las celdas de las bolsas con solapa, pero estas celdas se ordenaron con solapas colectoras más gruesas para la alta corriente que necesitaba Chris. El «punzón» está hecho de una varilla con un agujero perforado en el lateral. Esto da como resultado una forma que funciona bien para perforar agujeros en su plantilla de alineación, que se muestra a la izquierda.

Los buses de conexión de pestañas

Chris usa barras de cobre gruesas para conectar las guías. La foto de arriba muestra cómo las pestañas se deslizan a través de la placa PCB y se doblan. Las placas de producción y los autobuses reales tienen más agujeros que eso, pero Chris estaba ansioso por publicar una foto de un prototipo. Los buses de cobre que tocan las guías no solo tienen baja resistencia para transportar alta corriente, sino que también actúan como disipadores de calor para enfriar la batería, extrayendo el calor del núcleo de las guías.

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Una vista lateral de las pestañas y conexiones del bus.

Justo debajo de la cabeza de cada perno de acero inoxidable hay una arandela de seguridad partida de acero inoxidable para proporcionar una compresión constante en las guías durante los ciclos de calor y vibración. Luego, se coloca una arandela de acero inoxidable debajo de la arandela de seguridad dividida en la parte inferior para extender la compresión. Este paquete utiliza tres celdas en paralelo, 3P.

Se muestra un paquete 10S / 3P

Chris hizo una caja de montaje con plástico acetal transparente no conductor. El paquete que se muestra arriba presenta las celdas en forma de U para que los terminales positivo y negativo estén ambos en el mismo extremo, como se muestra aquí a la izquierda.

Una batería 5S / 6P, con terminales en extremos opuestos del paquete.

El paquete anterior usa celdas más grandes, pero el mismo método que antes. Usé una configuración de «placa frontal» similar para hacer la batería en mi bolsa de inicio, pero como solo estaba haciendo una de ellas, simplemente usé una tabla de cortar delgada hecha de HDPE / polietileno de alta densidad. de una placa PCB de pedido especial.

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¿Que sigue?

En esta etapa, aún necesita conectar un BMS y una caja resistente para proteger las celdas. Puede ver cómo adjuntar un BMS leyendo aquíy también escribimos algunas cosas sobre lo que hace un BMS en otro artículo, que se puede encontrar aquí.

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Escrito por Ron / spinningmagnets, mayo de 2021

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