Cambio baterías plomo a litio en cuadriciclo (Ejercicio teórico)

Iniciado por Greybeard, Febrero 17, 2015, 11:39:18 AM

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Greybeard

Hola.

Hace unos días Josep (espero me perdone ;D ) puso un post en el mercadillo sobre la venta de un cuadriciclo:

Vendo Mega-city

El bicho en cuestión tiene un aspecto fabuloso y unas baterías de plomo muy perjudicadas.

Ello me hizo pensar sobre si sería interesante el tratar de cambiarlas a litio, más ligero, potente y duradero, y me hizo recordar que existía un sub-foro de conversiones sin ningún contenido. Y de ahí, al tocho ese que me he marcado:

¿Cómo funciona un coche eléctrico? Conceptos básicos.

Ahora que ya os he contado la génesis, vayamos al ejercicio (teórico, insisto) concreto.

El sujeto es éste, podéis ver más imágenes en su post:


Y Josep indicaba:

Cita de: Josep en Enero 29, 2015, 09:52:32 AM
Baterías: 48 V 270 Ah de gel
NOTA: Las baterias ya estan muy agotadas y tiene poca autonomia. Unas nuevas cuestan 2.500€. Solo tiene 8.800 kms. Es del año 2008
Cita de: Josep en Febrero 03, 2015, 09:52:13 AM
Actualmente puede hacer unos 15 km en llano, con baterias nuevas unos 60 km
Vemos que las baterías son de plomo, nominalmente serían (de nuevas) 48V x 270 Ah, 13 kWh. Si la autonomía de nuevo eran 60 km, los 200 ciclos de los que hablábamos para el plomo hubieran debido ser 12.000 kms, pero bien por ciclos, bien por envejecimiento, bien porque la vida es dura, no hemos llegado.

Luego indica
Cita de: Josep en Febrero 13, 2015, 01:41:43 PM
Consume unos 120 Wh por km, una carga total unos 5-6 Kw/h, el cargador es de 1500 W, requiere un enchufe normal.
1,5 kW por 6 horas son 9 kWh; por 5 horas 7,5 kWh.
120 Wh por km por 60 km son 7,2 kWh.
Es normal que no se utilice toda la batería de plomo, pues te duraría un suspiro.
Como curiosidad, mi pelotillo puede andar por los 155 Wh/km, y eso que regenera, supongo que el Mega e-city no lo hace por ser un motor de corriente continua.

Pero al grano: ¿Podemos cambiarla, sin más, por Litio? ¿Qué necesitamos saber?

Vamos a la página del fabricante Mega e-city y pinchad en "Característica" (sic); dice, entre otras cosas:

"Energía embarcada, 10 kWh" (pues eso, que ya indican que no van a usar los 13 nominales)
"Potencia máxima kW CEE   8 kW (13 kW cresta)". Esto es importante, nuestra batería tiene que ser capaz no de suministrar la potencia nominal, sino la máxima. Como la principal (y única  ;D ) fórmula que vimos era "Potencia = Tensión x Intensidad", tenemos que tener una batería de 48 voltios capaz de dar permanentemente 13000 watios / 48 voltios = 271 Amperios; si no es capaz, no nos vale (la freiremos)
"Cargador   Alta frecuencia, 1500 W integrado". Ello quiere decir que la batería debe soportar una corriente de carga de 1500 W / 48 V = 31 Amperios (eso será más fácil)
Dice más cosas, pero nos interesan menos.

Así pues, necesitamos sustituir una batería de plomo de 48 voltios y 270 Ah, 13 kWh, de los que se utilizaban 10, capaz de suministrar 271 amperios en continuo. Como el litio es bastante caro y se puede exprimir mucho más que el plomo, vamos a diseñar una batería de sólo 10 kWh nominales (salvo que por la razón que fuera quisiéramos más autonomía).
Nota: una batería de plomo de 48V es de esperar que cargue hasta unos 57,6 V como máximo, y descargue hasta el entorno de los 40 V. No sé si el Mega lleva algún tipo de control y corta por exceso o defecto de tensión, pero vamos a sospecharlo.

Vamos a tomar ejemplos de una página cualquiera, no busco el mejor precio sino sólo hacer unos cálculos. Sea por ejemplo bmsbattery

Vamos a hacer primero un pack de Li-ion, con celdas de 15 Ah, a $22,50 c/u.
https://bmsbattery.com/ebike-battery/626-high-c-rate-15ah-li-nicomn-li-ion-cells-battery.html

Citar1. Nominal  Voltage:3.7Volts.
2. Dimension: 9.9x60x260mm
3. Capacity: >15Ah.
4. Maximal Charge Current: 2C(30Amps).
5. Maximal Continuous Discharge C-Rate: 5C(75Amps).
6. Maximal Discharge C-Rate: 10C(150Amps).
7. Overvoltage Protection: 4.2±0.05Volts.
8. Undervoltage Protection: 2.75Volts.
9. Lifecycle: 800Cycles.
10. Weight: 400Grams.
11. Impedance: ≤8mΩ.
12. Chemical: Li-NiCoMn.

Son 3,7 V nominales, luego necesitamos 13 en serie (13*3,7 V=48,1 V)
Como queremos unos 10 kWh, necesitamos 10000 wh/48,1 V = 208 Ah. Pongamos 14 en paralelo (14 x 15 Ah = 210 Ah).

Así pues, tenemos pensada una batería de 13s14p, 182 celdas, a $22,50, $4095 (habría que ver si nos hacen precio)  ;D Pero, ¿nos sirve?
- ¿Es capaz de dar la corriente precisada, 271 A? Vemos que cada una es capaz de dar 75A "Maximal Continuous Discharge C-Rate: 5C(75Amps)"; 14 en paralelo darían 1050 A, como cuatro veces más. De hecho, sólo 4 en paralelo ya serían capaces de alimentar el motor (poco tiempo, eso sí). Sobrados.
- ¿Soporta la carga suministrada? Ningún problema, cada una admite 30A, que es lo que suministra el cargador.
- ¿Cuál es el rango de tensiones? El máximo y mínimo es de 4,2 y 2,75 V /celda, por 13 en serie, 54,6V y 35,7V serían los extremos. Si la de plomo oscilaba entre 57 y 40, parece bastante compatible con el posible control que tenga el Mega.
Por tanto, vamos bien (si hay dinero ;) ) ¿Y el BMS?
Como queremos que nos duren y no se vuelvan a romper, vamos a hacerlo "a nuestro gusto" con un BMS diseñado para cortar arriba, p.ej. a 4,10 V, y por abajo a 3,0 V (pack entero entre 53,3 y 39,0 V). Este, por ejemplo:

https://bmsbattery.com/bmspcm/330-smart-bms-513-cells-in-series-bms-pcm.html#/discharge_current-20_40a

Soporta un máximo de 13 celdas en serie (qué bien) 5 Amp en carga, 40 A en descarga. Pero vamos a cargar con 31 A y descargar con 271 A. Así pues, si no disponemos de otro BMS más "poderoso", vamos a poner nuestra batería de 13s14p en 7 packs de 13s2p, cada uno con su BMS, y esos packs a su vez en paralelo (espero que se me entienda). Así pues, se precisarían 7 BMS's a $25, más el programador, $99
https://bmsbattery.com/ebike-battery/135-smart-bms-usb-i2c-adapter-programmer-reader-writer-monitor-battery.html
Vamos, $274 de BMS a añadir a los $4095 de las 182 celdas, para conseguir un pack de Li-ion de  10,1 kWh de una vida estimada de 800 ciclos (cuatro veces más que el plomo) que esperamos superar por el control más conservador de cargas y descargas, y unos 75 kgs de peso (182 celdas * 0,4 = 72,8 kgs)

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Podríamos repetir los cálculos para LiFePo4, más duradera, costosa y pesada.

Haciendo corta una larga historia:
Sujeto:
https://bmsbattery.com/ebike-battery/625-high-c-rate-10ah-lifepo4-cells-battery.html
CitarHigh C-Rate 10Ah LiFePO4 Cells ($15)

1. Nominal  Voltage:3.2Volts.
2. Dimension: 8.4x60x260mm
3. Capacity: >10Ah.
4. Maximal Charge Current: 2C(20Amps).
5. Maximal Continuous Discharge C-Rate: 5C(50Amps).
6. Maximal Discharge C-Rate: 10C(100Amps).
7. Overvoltage Protection: 3.65±0.05Volts.
8. Undervoltage Protection: 2.0Volts.
9. Lifecycle: 2000Cycles.
10. Weight: 300Grams.
11. Impedance: ≤8mΩ.
12. Chemical: LiFePO4.

Disposición, 15s 21p. Nominales, 48V (15*3,2), 210 Ah  (21*10 Ah), 10 kWh (48*210), 315 celdas (15s*21p), $4725 (315*$15), 100 kgs (315*0,3)

Tensión máxima y mínima, 3,65V y 2.0V por celda, por 15 en serie, 54,75 V y ¡30 V! para el pack (habría que ver si el Mega deja descargar tanto la batería)

Suministra una corriente máxima de 21*50=1050 Amperios en descarga y de 420 en carga; no problema.

Tendremos problemas si no encontramos otro BMS, pues el que habíamos visto es hasta 13 en serie, y hemos puesto 15. Habría que "cortar" en dos packs (p.ej. 8 y 7) en serie para poder controlar con ese BMS, y nos dispararía el número de BMS's. Por ejemplo, 7 packs de 8s3p más 7 de 7s3p. 14 BMS's, y el controlador, $449 (14*25+99)

También podríamos comprar BMS's preconstruidos, y confiar en la robustez de las LiFePo4 (yo no lo haría, las llevan más a los límites)
https://bmsbattery.com/bmspcm/323-16s-lifepo4-bms-battery-management-system-bms-pcm.html#/discharge_current-80_160a

Y tenemos una batería LiFePo4, capaz teóricamente de hacer 2.000 ciclos (10 veces más que el plomo)

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Otros enfoques serían "Tesla style", con celdas Panasonic 18650 ($4,33) (las hay mucho más baratas, no digamos si os vais a Aliexpress...  ::) )

https://bmsbattery.com/ebike-battery/707-panasonic-high-capacity-18650-battery-cell-ncr18650pf-battery.html



Son de 2,9 Ah y 47 gramos. No voy a calcular en detalle, pero iríamos, por ejemplo, a 13s75p, 975 celdas, 50 kgs y $4.200. Más el BMS, parecido al caso 1º.

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Y, para terminar, lo primero que pensé (y lo más sencillo, de lejos): ¡coger packs preconstruidos para bicicleta!  ;D. Ejemplo a $529:

https://bmsbattery.com/ebike-battery/715-high-power-48v30ah-lipo-battery-pack-battery.html



¡Incluso cada pack tiene incluido su cargador!

CitarSpecification:
1. Nominal Voltage:48Volts.
2. Dimension: 160mm X 120mm X 270mm.
3. Capacity: 30Ah.
4. Charge Current: 6Amps.
5. Maximal Continuous Discharge C-Rate: 50Amps.
6. Maximal Discharge Current: 100Amps.
7. Overvoltage Protection: 54.6Volts.
8. Undervoltage Protection: 35.75Volts.
9. Lifecycle: 800Cycles.
10. Weight: 9Kg.
11. Chemical: Li-Ion NiCoMn.

Y ponemos 7 packs en paralelo. Obtenemos los 10 kWh, por $3703, un peso de 63 kgs, ya incluye el BMS (integrado en el pack), capaz de descargar a 350 Amp o cargar a 42 (aquí andamos más justitos), teóricamente para 800 ciclos (4 veces el plomo)

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O el pack de LiFePo4, $530, 48V 20 Ah
https://bmsbattery.com/ebike-battery/161-48v20ah-38120-lifepo4-battery-32-cells-2p16s-ebike-battery-pack-battery.html

CitarSpecification:
1. Normal Voltage:48Volts.
2. Dimension: 158x168x362mm.
3. Capacity: 20Ah.
4. Overvoltage Protection: 58.4Volts.
5. Undervoltage Protection: 32Volts.
6. Lifecycle: 2000Cycles.
7. Weight: 11Kg.
8. Chemical: LiFePO4.

Básicamente, precisamos 10 packs, 110 kgs, $5300, también con BMS incluido, para 2000 ciclos y 300A de descarga.
Pero puede haber problemas; éste no incluye el cargador, le han puesto 16s (yo había puesto 15), 16s son 51,2V nominales y con el BMS que corta arriba a 58,4V el Mega podría interpretar sobretensión, o el cargador de a bordo no estar capacitado para cargar completamente el pack de 16s. Si tuviera cargador incluido podríamos sustituir el del Mega por los propios del pack.

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Hale, ya está; ¿os parece complicado?  ;D

Leafyou

Me parece muy interesante Greybeard, gracias por tus clases.


Bipo

Extraordinario análisis Grey, dan ganas de ponerse manos a la obra :D
Disfrutando de la movilidad Z.E.

Josep

Te felicito por el curro, has expuesto de maravilla las opciones para "tunear" el VE con mejores prestaciones, muchas gracias.  ;)

acarvmed