Reparación de baterías de litio: una opción asequible

La batería de repuesto del fabricante tenía un precio de unos 100 €, y una de repuesto de un proveedor externo estaba disponible por aproximadamente la mitad de ese precio, lo cual no está tan mal. Por sus especificaciones, buscaba un paquete de repuesto de 18 V con una capacidad de 2,1 Ah. Eso significaba cinco celdas, probablemente en el esquema estándar 18650. Para confirmar mis sospechas, me dispuse a quitar la tapa del compartimento de la batería. Como era de esperar, fue más fácil decirlo que hacerlo. Tres de los tornillos se salieron con facilidad, pero el cuarto estaba completamente atascado. Al final salió, pero la tuerca de montaje cautiva se arrancó en el proceso y se atascó en la rosca del tornillo. Parecía que se le había torcido el hilo durante el montaje en fábrica.Cifra1a muestra el hueco de la tuerca cautiva en la carcasa del cortacésped después de su extracción. Quedaron algunos escombros. Finalmente separé el tornillo y la tuerca y, a pesar de que parte de la tuerca de latón cautiva se rompió (Cifra1b), parecía reparable.

El compartimiento de la batería está diseñado para ser resistente al agua, por lo que fue necesario volver a montar la tuerca cautiva para garantizar que los cuatro tornillos pudieran apretarse para lograr un buen sellado. Utilicé un adhesivo epoxi para asegurar la tuerca y puedes ver el resultado enCifra2b . La tuerca de latón en la parte superior izquierda parece haber estado allí desde siempre. Una vez arreglada la parte mecánica, la atención se centró en la batería.Cifra2b muestra la batería en su compartimento. El contorno de cinco celdas es claramente visible y una regla confirmó que eran 18650 celdas. También hay mucho espacio libre (Cifra2c ), lo que me hizo pensar: ¿podría aprovechar mejor el espacio utilizando más celdas de reemplazo o más grandes? Ya estaba decidido: comprar una batería de repuesto disponible en el mercado ya no era una opción.

Cifra2a Se muestra que dos huecos en la tapa de la batería invaden el espacio disponible para la batería, lo que impide el montaje de dos filas de cinco celdas para duplicar la capacidad. Sin embargo, hay celdas más caras en el formato 18650 con mayor capacidad. Algunas de las marcas más conocidas tienen celdas de este formato con potencias de hasta 3.500 mAh. Estas células de marca de alta capacidad cuestan unos buenos 10 € cada una. También puede encontrar celdas con calificaciones mucho más altas en eBay, AliExpress y sitios similares, pero debe tomar tales afirmaciones con una pizca de sal. Casi hice un pedido de cinco celdas hasta que noté algunas otras en el formato 21700, algo más inusual. . Aunque sólo eran un poco más grandes, ofrecían mucha más capacidad por su precio. Estaba seguro de que encajarían de alguna manera (estaba pensando en una fila de tres y una fila de dos para formar un perfil en W). Con descuento por cantidad y gastos de envío, las celdas de 5 × 4.000 mAh costaron 26 € en total. Pasaron por el buzón dos días después, y no era demasiado pronto: el césped definitivamente necesitaba un corte.

Construir un paquete de baterías a partir de celdas individuales generalmente requiere cierto grado de destreza, experiencia eléctrica y un soldador por puntos. Como puede ver en el viejo paquete de baterías sin envolver enCifra3 , las cinco celdas verdes están perfectamente conectadas en los contactos positivo y negativo mediante finas tiras de níquel soldadas por puntos. Este tipo de método de conexión permanente no daña la celda. Aunque el calor generado durante la soldadura por puntos es intenso, es rápido y localizado, por lo que las células apenas se calientan. Es bien sabido que nunca se tienen demasiadas herramientas, pero, en este caso, no puedo imaginar dónde más usaría un soldador por puntos, así que no puedo justificar el desembolso. En lugar de eso, elegí soldar los cables directamente a los contactos de la celda. Esto no se recomienda a menos que siga algunas reglas y sea consciente de los peligros.

La batería utilizada enfigura 3 Es típico del que se encuentra en muchos otros dispositivos que funcionan con baterías. Consta de varias celdas de batería conectadas en serie más una PCB del sistema de gestión de batería (BMS). Esta es la placa de circuito que se muestra enFiguras 3by3c . La última imagen también muestra una comparación de tamaño entre las celdas nuevas y las del paquete de baterías antiguo. El BMS realiza tres funciones básicas:

El chip de la placa BMS con más patas gestiona todas estas tareas. Es un microcontrolador especializado que monitorea los voltajes de las celdas (a través del conector de la izquierda). En caso de una condición de sobretensión o subtensión, desconecta las celdas mediante 2 × 2 MOSFET (en la parte inferior). Encontrará más información sobre el equilibrio de baterías de litio en [2] y [3]. El BMS se incluye si compra un conjunto de batería completamente nuevo, por lo que la placa BMS (que todavía funciona) del paquete anterior será redundante. Por otro lado, si solo intercambias las celdas, puedes reutilizar la placa BMS existente. Una característica importante del BMS que debe tener en cuenta se describe en laFunción flip-flop BMSsección siguiente.

Función flip-flop BMS

Cuando saqué la batería que se muestra en la Figura 3c, me sorprendió medir 19,2 V directamente en los contactos más y menos del paquete de baterías de 5 celdas. ¿Me había apresurado demasiado al pedir reemplazos? Por otro lado, sólo pude medir unos 18,5 V en el conector del paquete de baterías donde se conecta al motor del cortacésped (a la derecha de la placa BMS), que tenía una impedancia de fuente muy alta. Usando solo mis dedos, podría descargar esto a tierra, haciendo que el voltaje cayera a unos pocos voltios. ¿Estaba roto el BMS? Conecté una resistencia de carga de 24 Ω directamente a los contactos de la celda del paquete de baterías y medí una corriente de 0,75 A y un voltaje de la batería de 18,2 V. Luego desconecté la carga y puse el paquete a cargar. Después de sólo unos segundos de carga a 0,5 A, la salida de voltaje del BMS cambió al modo de baja impedancia para extraer algo de corriente de la batería a través del BMS. Parecía que el BMS había detectado que el voltaje de la batería caía por debajo del umbral de bajo voltaje la última vez que se usó el cortacésped y había apagado el FET para desconectar la batería. Este estado "apagado" se había bloqueado en el BMS. Para probarlo, conecté una carga de 12 Ω a la batería. Después de cinco minutos, el BMS se apagó con poco más de 13 V y se volvió a encender después de otra carga. Uf… Con el BMS listo, procedí con el intercambio de celda.

Sin un soldador por puntos a mano, decidí soldar cables trenzados directamente a los terminales de la batería. Siempre que tenga cuidado, esto se puede hacer sin dañar las baterías. Cualquier daño térmico infligido a los materiales constituyentes de las células es aproximadamente proporcional a la integral de tiempo y temperatura. En otras palabras, ¡debes ser rápido! Tres cosas son importantes aquí. En primer lugar, el soldador debe ser lo suficientemente potente como para que la punta mantenga su temperatura durante la soldadura. Esto asegura que el extremo de la celda alcance rápidamente la temperatura de soldadura. También es aconsejable una soldadura que se funda a una temperatura más baja. Utilicé una plancha de 90 W porque tiene un regulador que permite fijar la temperatura de la broca a más de 400°C. Es mejor evitar la soldadura sin plomo para este trabajo, ya que se funde a una temperatura más alta y no moja la superficie tan bien como el viejo SnPb 60/40 que prefiero. En mi experiencia, las superficies de contacto metálicas de las celdas de litio absorben la soldadura fácilmente. Con la temperatura de la punta establecida en 385 °C y usando soldadura con núcleo fundente de 1 mm de diámetro, completé cada unión en aproximadamente un segundo, lo suficientemente rápido como para evitar dañar la celda. Si necesita mantener la punta de soldadura en los contactos de la celda durante mucho más tiempo que esto (debido a que el soldador tiene poca potencia, la temperatura es demasiado baja o mediante el uso de soldadura sin plomo), corre el riesgo de sobrecalentar y dañar la celda. Esto afectará la capacidad eléctrica de la celda y posiblemente reducirá la cantidad de ciclos de carga/descarga. Mientras la plancha solo esté en contacto con la superficie durante aproximadamente un segundo, no debería causar ningún daño. Alternativamente, puede comprar algunas celdas etiquetadas un poco más caras que vienen con una tira corta de níquel ya soldada por puntos a los contactos de la celda. Luego, las tiras se pueden soldar entre sí para formar el paquete sin riesgo de sobrecalentar el contenido de la celda. En principio, esto es más seguro, pero debes aislar las tiras desnudas para evitar cualquier cortocircuito. Un cortocircuito durante el funcionamiento normal creará una condición significativamente más peligrosa que la que podría ocurrir al aplicar una breve ráfaga de calor a los cables de soldadura a los contactos de la celda. Puede ver un primer plano de mi método de soldadura enCifra4 . El contacto positivo consiste en una tapa metálica unida al electrodo de la batería en tres puntos de esta celda. Esta disposición aumenta la resistencia térmica entre la superficie de contacto exterior y la estructura interna de la celda, haciéndola más tolerante al proceso de soldadura. Comience aplicando pequeñas gotas de soldadura para estañar todos los contactos positivos (Figura 4a ) rápidamente. A continuación, corte un cable trenzado de 1,5 mm2 a una longitud de 3 cm, lo que permite cierto margen para el posicionamiento posterior de las celdas en el paquete. Estos ahora se pueden soldar directamente a los contactos negativos (Cifra4b ) en dos etapas. En primer lugar, utiliza el soldador y suéldalos rápidamente para establecer una pequeña zona estañada en el centro de los contactos. A continuación, pele y estañe los extremos de los cables de conexión. Una vez que las celdas se hayan enfriado, suelde rápidamente un cable a cada uno de los contactos negativos. EnCifra4c , puedes ver el otro extremo de un cable ahora soldado al contacto positivo de la siguiente celda para realizar la conexión en serie. El cable rojo más delgado es la conexión de detección de voltaje de la celda a la placa BMS.

Como ya se mencionó, el compartimiento de la batería no puede acomodar las cinco celdas dispuestas en filas de dos y tres para formar una configuración en W, por lo que tuve que buscar una construcción de paquete diferente. EnCifra5 , puedes ver que cuatro de las celdas están colocadas una al lado de la otra y fijadas con pegamento caliente. La quinta celda está pegada a las otras cuatro. El pegamento caliente hace que el conjunto terminado sea muy estable. Como alternativa, puedes utilizar sellador de silicona.

No fue necesario reemplazar la cinta de doble cara en la parte posterior de la placa BMS, ya que sujetaba firmemente el nuevo paquete de baterías. Ya sólo quedaba conectar los seis cables del conector blanco (Cifra5b ) a los contactos de la celda correspondiente, junto con las conexiones más y menos de todo el pack, a la placa BMS. Esto debe completarse antes de que podamos probar la batería nueva. Vuelva a verificar todo el cableado para asegurarse de que no haya cometido ningún error. Tomar una fotografía de la batería vieja ayudará en esta etapa posterior a la hora de comprobar todo. El paquete de baterías funcionó como se esperaba y se pudo cargar y descargar sin problemas. El paquete de baterías terminado se envolvió en cinta adhesiva para hacer el conjunto más robusto y proporcionar aislamiento y protección contra la entrada de humedad (Cifra6 ) antes de colocarlo en el compartimento de la batería del cortacésped. Después de atornillar la tapa y encender el cortacésped, éste quiso calibrarse con la señal del cable guía y empezar a cortar inmediatamente. Cancelé esta última operación y lo puse en su estación de carga. Necesitó tres horas completas para cargarse, lo que indica que la batería ahora tiene casi el doble de capacidad que la original.

El robot corta mejor que nunca: una hora de corte seguida de una hora de carga. La batería solo se descarga parcialmente durante estos ciclos, por lo que supongo que estas celdas de mayor capacidad tolerarán muchos más ciclos de carga antes de que sea necesario reemplazarlas nuevamente. Con un poco de suerte, creo que el nuevo paquete debería durar el doble que el original. Si ese es el caso, el esfuerzo involucrado en tres horas de retoques probablemente valió la pena. Calculando el salario por hora para el tiempo empleado, el aspecto fiscal parece pobre, pero, en el lado positivo, ahora tengo una solución que no se puede comprar en el mercado. Este método de reemplazo de celdas de batería no se limita a cortadoras de césped. Puede utilizar el mismo enfoque para prolongar la vida útil de las aspiradoras inalámbricas y otros dispositivos, incluso si el espacio disponible para la batería es menos generoso. La última aspiradora que reparé usando este método (usando celdas 18650 de alta capacidad) ha estado en uso durante tres años sin ninguna queja de rendimiento.