Como construir tu propia batería LiFePO4

Te enseñaremos algunos conceptos básicos para construir tu propia batería DIY sin muchas complicaciones.

AVISO (Descargo de responsabilidad – Disclaimer)

Las celdas sueltas LiFePO4 NO son un producto final listo para usar, necesitan una serie de componentes y un adecuado montaje para su correcto funcionamiento y seguridad de uso, por lo tanto es muy importante  hacer caso a las recomendaciones de seguridad.

Aunque la mayoría de gente que se embarca en estos proyectos ya tienen cierta experiencia o son profesionales de alguna actividad relacionada con la electricidad, ésta es muy peligrosa si se maneja sin las correspondientes precauciones y medidas de seguridad.

En esta WEB vamos a tratar tanto con corriente alterna (AC o CA), como con corriente continua (DC o CC), que a partir de ciertos voltajes es incluso más peligrosa que la alterna.

Al tocar sin querer con corriente alterna, tenemos posibilidad de quitar la mano rápidamente, pero con la corriente continua te quedas literalmente pegado!

Si no conoces los riesgos de la electricidad, será mejor que aprendas su manipulación antes de emprender cualquier proyecto.

La ignorancia y la imprudencia matan.

Por otro lado, las baterías contienen sustancias químicas en su interior y se producen una serie de reacciones en su carga y descarga. Hay unos valores en cuanto a tensión y corriente que no se deben superar, en caso de hacerlo, al igual que una incorrecta manipulación, podría provocar un riesgo de explosión e incendio, las baterías LiFePO4 son de las más seguras del mercado, supuestamente no explotan ni arden, pero mejor con comprobarlo…

Cuidado con todo esto. En caso de salir ardiendo tu casa y la de tus vecinos difícilmente le vas a poder explicar lo ocurrido a la compañía de seguros, que tratará por todos los medios de eximirse a la hora de pagar indemnizaciones.

En conclusión, todo lo que veas y leas por YouTube, Telegram, WhatsApp, páginas web y cualquier otro medio será para que aprendas a partir de la experiencia de otras personas, de cómo han montado sus baterías, así como donde comprar los componentes, configuraciones, etc.

Finalmente, tú eres quien va a montar la batería como te parezca oportuno, siguiendo los consejos de esta guía y/o de los demás, y tú eres quien tiene la responsabilidad de lo que hagas y cómo lo hagas, así que, en caso de accidente en el que haya víctimas o daños materiales, tú y solo tú serás el responsable.

¿Por qué utilizar LiFePO4 en vez de Plomo u otras baterías de litio?

Ventajas

Inconvenientes

Conceptos básicos (Terminología)

  • Voltio (V) es la unidad de tensión eléctrica o diferencia de potencial.
    Cada celda tiene una tensión nominal, establecida por el tipo de química, este valor es el que tomamos como referencia a la hora de hacer cálculos generales, la tensión nominal de las celdas LiFePO4 es siempre de 3.2V, pero ¡cuidado!, existen otro tipo de celdas con voltajes diferentes, hay que tener esto en cuenta para no confundirnos a la hora de hacer nuestros cálculos, o elegir y configurar nuestra BMS.
  • Amperio (A)  es la unidad de intensidad de la corriente eléctrica, sirve para saber la cantidad de energía (la cantidad de electrones), que circulan por un conductor (Cable, busbar, etc). A mayor cantidad de electrones, mayor será su intensidad eléctrica, pero ¡ojo!, según aumente la intensidad tendremos que usar un cable más grueso para que sea capaz de soportarla sin quemarse, más adelante explicaremos esto detenidamente. Se puede calcular la cantidad de amperios que consume un aparato eléctrico con esta sencilla división: Vatios (W) / Voltios (V) = Amperios (A) 
  • Vatios o Watts (W) es la unidad de  potencia eléctrica. Es decir, fuerza con la que la energía es suministrada, cuando esta se mide en un espacio de tiempo determinado se calcula como Vatios/Hora (Wh), lo que significa la cantidad de vatios consumidos durante una hora. Cuando, por ejemplo, nos referimos a una bombilla de 100W significa que estando encendida durante una hora habrá consumido 100Wh, si lo mantenemos encendido 10 horas serían 100W x 10h = 1000Wh (1kW). Esto último es lo que te factura la compañía eléctrica.
    Si mantienes esa bombilla encendida durante 100 horas al mes, te cobrarán 10kWh, ¿fácil no?
    Es fácil calcular los vatios, simplemente tendremos que hacer esta multiplicación: Voltios (V) x Amperios (A) = Vatios (W)
  • Amperio/Hora (Ah) es la unidad de capacidad de las baterías o celdas y determina la cantidad de Amperios que podría aportar durante 1h hasta agotarse (esto equivaldría al llamado 1C de descarga, más adelante se explica). Cabe señalar que difícilmente llegaremos a esas intensidades de corriente.
  • Vatios o Watts/Hora (Wh) es otra unidad de capacidad, que se suele utilizar para saber cuanta capacidad tiene nuestra batería completa, esta es la medida usada como referencia en todas las baterías comerciales, y se calcula simplemente multiplicando el voltaje nominal por los amperios/hora de nuestra batería.

    *Por ejemplo: si nuestra batería tiene 16 celdas en serie con una capacidad de 310Ah cada celda, multiplicaríamos 16 x 3,2v (voltaje nominal) = 51,2v x 310Ah = 15872Wh, normalmente esta medida se expresa en KWh, un KWh equivale a mil Wh, o lo que es lo mismo: 15872Wh / 1000 = 15,872 KWh

A continuación os dejamos una tabla con los voltajes y capacidades más usadas:

ℹ️ Como has podido comprobar ambos términos, Ah y Wh/Kwh, sirven para hablar sobre capacidad, pero pueden ser algo confusos sin entender primero como se comportan las celdas/baterías cuando las combinamos entre ellas en serie o paralelo, sigue leyendo y pronto lo entenderás mejor.

  • La clasificación C (C Rate) es un indicador de la velocidad de carga o descarga continua de una celda. Cada fabricante, y en función de la química de las celdas, suele determinar la clasificación C de las mismas, indicándonos en su hoja de especificaciones (Datasheet) los valores máximos y recomendados de uso, a continuación un ejemplo:

Como podéis ver en el ejemplo anterior, el fabricante aconseja una descarga máxima de 1C, y una descarga recomendada de 0.5C, calcular cuánto sería esto parece muy difícil, pero en realidad es muy sencillo, pongamos por ejemplo la celda de 280Ah, 1C equivaldría a descargar continuamente a una intensidad de 280a, vaciando el total de la capacidad en 1h, siguiendo esta lógica podemos calcular lo que queramos haciendo una simple multiplicación:

0.1C en una celda o batería de 280Ah serían: 280a * 0.1 = 28a
0.2C en una celda o batería de 200Ah serían: 200a * 0.2 = 40a
0.5C en una celda o batería de 272Ah serían: 272a * 0.5 = 136a
1C en una celda o batería de 100Ah serían: 100a * 1 = 100a

Las baterías en general (sobre todo las de plomo), suelen variar mucho la capacidad y el voltaje que son capaces de entregar según la tasa de descarga C a la que estén sometidas, pero esto es algo que no influye demasiado en las baterías LiFePO4, por lo tanto es una de sus principales ventajas.
En el siguiente ejemplo podemos comprobar cómo se comportan, siendo capaces de entregar prácticamente toda su capacidad a un voltaje muy estable en tasas de descarga muy altas de hasta 1C. (De nuevo señalar que difícilmente llegaremos a esas intensidades de corriente).

Sin embargo

  • La resistencia interna es un concepto que ayuda a modelar las consecuencias eléctricas de las complejas reacciones químicas que se producen dentro de una batería.
    Cuando una corriente está atravesando una célula de una batería, la tensión medida es más baja que cuando ésta no suministra corriente. La razón de esto es que, parte de la energía disponible en la célula está siendo utilizada en impulsar las cargas a través de la propia célula. Esta energía perdida se modela como la supuesta resistencia interna y aparece como una caída de tensión.
    Por esta razón las baterías de plomo tienen tanta caída de tensión cuando las sometemos a altas intensidades de descarga, cosa que no ocurre en las LiFePO4 gracias a su baja resistencia interna.
    Aunque la resistencia interna no influye para la capacidad total de una celda, si que puede variar el tiempo en que éstas pueden cargarse o descargarse, pongamos el ejemplo de una batería de 4 celdas (típica de12v), si todas las celdas tienen 280ah de capacidad, pero una de ellas tiene mayor resistencia interna que las demás, esta tardará menos tiempo en cargarse y descargarse, haciendo que nuestra BMS corte antes de haber podido aprovechar toda la capacidad disponible, si todas las celdas tuvieran exactamente la misma resistencia interna y la misma capacidad nunca se desbalancearían entre ellas, pero esto es algo imposible y por eso es importante tener algún tipo de sistema de balanceo, lo veremos mas adelante cuando estudiemos las BMS y los accesorios.

    Si quieres medir la resistencia interna de tus celdas te recomendamos el medidor que tenemos en nuestra sección de herramientas y accesorios de montaje.

  • SOC (State of chargue) simplemente nos indica el estado de carga de la batería, se expresa en porcentaje de 0 a 100%, es un concepto que al expresarse con sus siglas en ingles suele causar muchas dudas cuando no se conoce, pero se usa mucho en documentaciones y por eso es importante comentarlo.
  • DoD (Depth of Discharge o  profundidad de descarga) es lo contrario al SOC, indica cuanto de descargada estaría nuestra batería, se expresa del 100% al 0%, y normalmente se emplea en las hojas de características (Datasheet) para indicar cuanto uso máximo deberíamos de hacer en nuestra batería, para alargar al máximo su vida útil. Por ejemplo: se dice que una batería de plomo no se debe descargar más del 50% DoD, o el 85/90% en una batería LiFePO4.

¿Qué necesitamos para montar nuestra propia batería LiFePO4?

Celdas LiFePo4

Celdas LiFePO4

Evidentemente, para montar nuestra batería LiFePO4 lo más importante son las celdas que la componen.
Cada celda es una batería en sí, pero necesitamos unir varias para conseguir el voltaje o la capacidad deseada. Las celdas LiFePO4 tienen 3,2 Voltios nominales de tensión y una capacidad que dependerá del modelo elegido, actualmente las más habituales son las de 100, 120, 202, 272 y 310Ah. Para formar nuestra batería elegiremos las más adecuadas según nuestras necesidades.

BMS

Battery Management System ó Sistema de administración de batería

Como su propio nombre indica, el BMS es una controladora que se encarga de monitorizar el voltaje individual de cada celda (o mejor dicho cada serie, luego lo entenderéis), y según este valor es capaz de cortar la carga o la descarga, cuando una sola de las celdas haya llegado a su límite superior o inferior.

BMS

Cabe destacar que la BMS no regula ni limita la intensidad de carga o descarga, solamente monitoriza las celdas y actúa en consecuencia sobre unos mosfets o relés, pero no por ello es menos importante, pues es la encargada de cortar el circuito en caso de que algo vaya mal, por lo tanto es un elemento imprescindible para que nuestra batería sea segura.

Estas son las dos cosas básicas e imprescindibles que componen una batería LiFePO4 segura, para el montaje final faltan algunos accesorios, unos necesarios y otros aconsejables, que veremos mas adelante.

¿Qué son Series y Paralelos, qué significa 32s, 2p4s y 4s2p?

  • La disposición en serie es cuando enlazamos dos o más celdas seguidas por sus polos opuestos (➕ ➖ ➕ ➖ ➕ ➖…), de esta forma se suma el voltaje pero la capacidad no varía, según el número de celdas que pongamos en serie se denomina Ns, a continuación un ejemplo de un 4s:

✅ El montaje de todas las celdas en serie es el más aconsejable, pues con esta configuración tenemos el control absoluto de cada una, y no hay ninguna transferencia de energía entre ellas cuando están en reposo.

  • La disposición en paralelo se realiza enlazando las celdas por sus polos iguales (juntando todos los ➕ por un lado y todos los ➖ por otro), de esta forma se suma su capacidad permaneciendo el mismo voltaje, según el número de celdas colocadas de esta forma lo llamaremos Np, a continuación un ejemplo de un 4p.

⚠️ Cuando unimos celdas en paralelo estas se comportan como una sola, se equilibran automáticamente entre sí y tendrán exactamente el mismo voltaje, por lo tanto no podremos controlar individualmente el voltaje de cada celda. Sólo podremos medir el voltaje individual de los packs en serie.

Esto puede ser un problema si alguna de las celdas se deteriora, puesto que arrastrará a las otras a su condición.
Lo normal es darse cuenta a tiempo de que algo no va bien, pero puede haber un deterioro progresivo y que cuando nos demos cuenta sea demasiado tarde para ese conjunto de celdas en paralelo.

  • Hay otras formas de configurar nuestra batería combinando las series y paralelos:
    Unir en paralelo varios conjuntos de series sería una de ellas, esta es una buena forma de ampliar una batería ya existente, al no haber celdas en paralelo directo seguimos teniendo el control de todas ellas por separado. Esto se denomina NpNs.

ℹ️ Otra forma es combinar series y paralelos en el mismo banco, se denomina NsNp, he aquí un ejemplo de un 4s2p de 3 formas distintas:

Con las combinaciones de series y paralelos que acabamos de aprender, podemos crear una batería acorde a nuestras necesidades, como hemos comentado unas son más aconsejables que otras, pero elegiremos la que más nos convenga dependiendo de las necesidades de cada uno.

Montaje de nuestra batería e interconexión de las celdas.

  • Por fin ya es hora de proceder al montaje final de nuestra batería, a continuación te explicamos como debes hacerlo, así como las diversas cuestiones a tener en cuenta.

ℹ️ Primero cabe destacar que es importante definir la posición de las celdas. Lo más recomendable es ponerlas de pie (en vertical), también podemos colocarlas de lado apoyadas sobre la parte más estrecha, pero nunca las debemos tumbar sobre su lado más ancho ⛔️

Las celdas se unirán entre sí mediante las barras de bus (busbars), como se ve en la imagen superior.
Estas barras deben de tener unas medidas concretas según el tamaño de cada celda, y un grosor mínimo para que admita la intensidad de descarga que requiera nuestra batería.
Nuestro proveedor habitual incluye estos accesorios de regalo junto con las celdas; Por ejemplo con las celd
as de LISHEN de 272Ah mandan busbars de 90*20*2mm y tornillos suficientes para montar las celdas en una hilera, todas pegadas por su lado más ancho, pero si queremos unir celdas de otra forma necesitaremos unas barras de bus especiales de 100mm de largas, podemos pedirlas aparte por unos 0,6e cada una. Os dejamos una ilustración para que se entienda mejor: 

Existen dos tipos de bornes en las celdas LiFePO4, pueden venir con pernos fijos (espárragos), o con orificios roscados, en ambos casos se usan roscas de métrica 6 (M6) y aproximadamente 1cm de longitud, en caso de venir con orificios, para el montaje podemos utilizar los propios tornillos que vienen con las busbars de regalo, pero hay que tener cuidado, porque podríamos tener serios problemas si dicha longitud del tornillo no es acorde al uso de elementos que queremos sujetar (fig. A) o si se usa otro tornillo de longitud inadecuada (fig.B):

En caso de elegir unas celdas que no dispongan de pernos fijos, sería muy recomendable no usar los típicos tornillos, substituyendo estos por pernos y tuercas M6, ya que con esto facilitamos la instalación y corremos menos riesgos. Colocaremos primero el perno a mano, sin presión excesiva hacia abajo, esto nos permite situar los busbar desde arriba sin peligro de que se desplacen hacia los lados y sin tener que andar buscando donde encaja el hueco para los tornillos; posteriormente se enrosca la tuerca con un leve apriete, de esta forma el perno hace fuerza de tracción hacia arriba evitando perforaciones.

🔹 El uso de pernos lo suficientemente largos, también nos permite colocar terminales de anilla encima de las tuercas que sujetan las busbar, de esta forma podemos manipular los cables de otros elementos como el BMS y/o balanceador de celda, sin necesidad de aflojar las propias busbar.

ℹ️ Los tornillos y/o tuercas deben ser apretados con una llave dinamométrica, aplicando una fuerza de máximo 3/4Nm, te recomendamos conseguir una si vas a montar una batería importante, si tu intención es montar una pequeña batería y no quieres hacer ese gasto, decirte que los aprietes con cuidado. Con este sistema de pernos también es mas seguro en caso de montarlas sin llave dinamométrica.

Particularidades de las celdas y la química LiFePO 4

ℹ️ Debemos destacar algunas particularidades a tener en cuenta con este tipo de baterías solares. Siguiendo estas recomendaciones las celdas deberían durarnos mucho tiempo y cumplir con creces los ciclos de vida que nos indican los fabricantes, todos estos datos podemos encontrarlos en la ficha de características técnicas del fabricante (Datasheet), pondremos como ejemplo el de las celdas EVE de 280ah.

  • Uso de SOC: En el ejemplo anterior el uso de la capacidad recomendado es del 80% de SOC (entre el 10% y el 90%). Pudiendo ser más conservadores si queremos alargar la vida de las celdas, o menos conservadores si necesitamos exprimirlas (estando dispuestos a acortar su vida útil en consecuencia).
    Nuestra recomendación es intentar mantenerlas por encima del 20% siempre que sea posible, y cargarlas máximo al 95%, ya que exprimir mucho la parte baja es más perjudicial que aprovechar la alta (siendo mucho más recomendable cargarlas al 100% que descargarlas al 0%).

  • Temperatura de trabajo: Por norma general, la química de las baterías LiFePO4 deben trabajar en torno a 25ºC, alargaremos su vida útil si las mantenemos lo más próximas a ese valor, pero soportan rangos de trabajaos más amplios, en el Datasheet podemos ver diferentes rangos de temperatura:

    • El rango de temperatura de carga suele ser de 0ºC a 55ºC, siendo muy importante sobre todo el mínimo de 0ºC, puesto que por debajo de esa temperatura el electrolito se congela, y si intentamos cargar dañaremos irreversiblemente las celdas ⚠️⛔️
      Parece una temperatura muy salvable, pero en un descuido en climas fríos pueden alcanzarse fácilmente, así que debemos de tomar las precauciones necesarias para evitarlo.

    • El rango de temperatura de descarga es algo más elevado, soportando descargar hasta a -20ºC, pero con algunas limitaciones, ya que a estas temperaturas no podemos exigirle demasiada potencia, pero sí la suficiente como para activar algún sistema de calefacción que las haga recuperar una temperatura mas idónea, sobre todo para volver a permitir su recarga.

ℹ️ Esta es otra de las razones por las que es tan importante poner una BMS, ya que esta se encargaría de evitar eso, siempre que disponga de sonda de temperatura, aunque a día de hoy prácticamente todas la llevan.

  • Aislamiento: Las celdas lifepo4 salen de la fábrica totalmente desnudas, su carcasa es de aluminio y es conductora, además esta corresponde al polo positivo, para evitar que esto puede provocar un problema estas son recubiertas con algún material aislante, algunos fabricantes las recubren con un plástico bastante grueso y resistente, y otros con una fina capa de plástico termo retráctil, en este caso es muy recomendable y casi obligatorio el uso de un material aislante entre ellas, los fabricantes recomiendan el uso de placas de fibra de vidrio o baquelita, aunque también se puede usar cualquier otro material que soporte bien los rangos de temperatura, que no se deforme, raje o perfore con la presión.

Continuamos según el uso que quieras dar a tu batería.

Uso en vehículos y embarcaciones.

Continua aquí si vas a montar una batería para una Autocaravana, camper o embarcación.

Uso en viviendas.

Continua aquí si vas a montar una batería para una vivienda, ya sea aislada, semi-aislada o conectada.