Qué y cómo son las baterías para bicicletas eléctricas.

Las baterías son componentes electroquímicos y tienen su propia, digamos, ‘personalidad’. Es casi imposible encontrar dos baterías con un comportamiento idéntico. Aunque dos personas se compren el mismo modelo de bicicleta eléctrica al mismo tiempo, pueden tener experiencias diferentes con sus baterías.

Hemos estudiado toda la teoría sobre baterías (ésto puede mantenerle a uno ocupado durante mucho, mucho tiempo), pero la información más útil nos ha llegado de nuestros clientes. Muchas veces, la información proporcionada por pruebas de laboratorio no puede sustituir a la que se desprende de la experiencia de los usuarios finales con sus baterías.

La industria de la bicicleta eléctrica ha estado esperando para convertirse en un segmento lo suficientemente importante, como para permitir que las tecnologías de baterías más eficaces se ofrezcan a precios razonables. Esto ya está comenzando a suceder.

Una batería no es sólo una pieza sólida, es una colección de ‘celdas’. Las celdas son unidades completas con un ánodo, un cátodo y electrolito que producen electricidad a partir de una reacción química. Cada tipo de celda tiene un voltaje nominal. Por ejemplo, las de NiMH (hidruro metálico de níquel) son de aproximadamente 1,2 voltios por celda, y por lo tanto es necesario combinar un montón de celdas para obtener la tensión que utilizamos en un motor eléctrico. Así, 30 celdas nos darían 36 voltios aproximadamente, obteniendo así un voltaje útil.

¿Cómo se mide la capacidad de una batería?
Por lo general, cuando alguien pregunta sobre la capacidad de una batería, está buscando dos cosas básicamente: (1) la cantidad de energía almacenada en las celdas de la batería (¿hasta dónde puedo ir?); y (2) a qué tasa de corriente se descargan las celdas (¿cuánta potencia y a qué velocidad?).

La capacidad de una batería se mide en Wh (Watios hora= Voltios x Amperios hora) o en Ah (Amperios hora). Los Ah es la cantidad de corriente medida en Amperios que puede descargar una batería en una hora. Por ejemplo, una batería de 10Ah puede descargar 10 Amperios en una hora o… 5 amperios durante 2 horas o … 1 Amperio durante 10 horas. Los Wh (watios hora) vienen de multiplicar los Ah por el voltaje nominal de la batería. Ejemplo: 36V10Ah = 360Wh

A la hora de configurar una batería hay que calcular el número de celdas que la van a conformar para alcanzar un determinado Voltaje y capacidad. Por ejemplo, para construir una batería de 36V 10Ah, se necesitarán 40 celdas de 3,6V y 2,5Ah dispuestas en una configuración 10S4P.

¿Qué quiere decir 10S4P? 

Según las leyes físicas, al conectar en serie (polo positivo de una batería con polo negativo de otra) varias baterías, el voltaje (tensión) resultante es la suma de los voltajes de cada una. La capacidad (Ah), sin embargo, permanece invariable.

Por otro lado, si conectamos las celdas en paralelo (polo positivo con polo positivo y polo negativo con negativo) el voltaje permanece invariable y la capacidad resultante es la suma de las capacidades.

Teniendo esto claro, la configuración 10S4P es el resultado de coger 10 grupos de 4 celdas conectadas en paralelo y conectarlos a su vez en serie por lo que, si las celdas son de 3,6V y 2,5Ah el resultante sería 3,6x1o(10S)V = 36V y 2,5×4(4P)=10Ah.

La corriente máxima
Corriente máxima significa esencialmente ‘¿cuál es la velocidad máxima de descarga de una celda?’. Hay que pensar en ello como un cubo lleno de agua. El cubo es la celda y el agua es la electricidad (cuanto mayor sea la celda, mayor será la cantidad de agua), donde el agua sale por un agujero en el cubo. Así, cuanto más grande sea el agujero, más rápido saldrá el agua.
En términos de una batería, si la descarga (el agujero) no es lo suficientemente grande, entonces el motor puede no ser capaz de obtener la suficiente energía (el agua) para funcionar con un rendimiento máximo.
Se describe la unidad de medida en términos de amperaje máximo que la celda puede soportar por unidad de tiempo. Otra forma para describirlo es en términos de ‘C’, o lo que es lo mismo, la velocidad a la que puede ser descargada la batería durante una hora = 1C. Por ejemplo, si la batería descarga 10 amperios durante una hora, significa que tendrá una corriente máxima de 10Ah a 1C.
Problemas en la construcción de baterías

La mayoría de las pilas de consumo de aparatos electrónicos utilizan un puñado de celdas. Por ejemplo, una batería de un teléfono móvil de 3,6 voltios, podría tener tres pilas de NiMH de 1,2 V en una batería dentro de una caja de plástico. En vehículos eléctricos, por lo general hay más de 30 celdas combinadas. Cada celda está conectada a otra con un pequeño conector de metal. Cada conector es un punto potencial de fallo mecánico, y una pequeña resistencia.
Tipos de baterías
1. Ácido de plomo (SLA)batería de plomo
Pros: densidad de energía media, sin mantenimiento, probado en millones de bicicletas eléctricas, baratas.
Contras: baterías muy pesadas, ciclos de vida muy cortos, no hay opción de carga rápida y no es fácil su almacenamiento.
2. Níquel (NiMH y NiCd)Batería de Niquel
Pros: densidad de energía media, carga relativamente rápida, peso medio.
Contras: sufren el efecto memoria, reducción radical de rendimiento a bajas temperaturas, difícil almacenamiento.
3. Ion-Litio (Li-ion)bateria de litio ion
Hablaremos más en profundidad de estas baterías porque son prácticamente las únicas que se usan en las bicicletas eléctricas hoy en día. Existen numerosos tipos de baterías de Litio y es imprescindible conocer las necesidades de uno para no equivocarse a la hora de elegir una batería, de lo contrario puede que no obtenga el rendimiento que esperaba. Además, el uso inadecuado de la batería puede conducir a un ciclo de vida más corto, con los gastos que eso conlleva.
Aquí es donde se pone realmente interesante el tema, por lo que se requiere tener algunos conocimientos básicos para poder entender el papel de la química en las diferentes baterías de Litio:

Las baterías de Litio están formadas por dos partes:celda cilindrica litio ion el ánodo y el cátodo. La energía se libera cuando los iones (en este caso, los iones de Litio, Li) se mueven desde el ánodo (positivo) al cátodo (negativo) a través del electrolito. El ánodo es generalmente de grafito, el electrolito es por lo general una disolución de sales de litio.

Las mejoras en este campo de la química se presentan fundamentalmente en el material del que está formado el cátodo. Algunos de ellos son: Litio Manganeso LiMn2O4, Litio Níquel Cobalto y Manganeso LiNiMnCoO2 (NCM), Litio Cobalto Manganeso LiMnCo, Litio ferroso o de Fosfato de hierro LiFePO4.
Pros: muy ligeras, densidad de energía muy alta, duraderas, sin mantenimiento, de carga rápida y se pueden almacenar. Además tienen una vida superior a los 500 ciclos de recargas y hasta de 2000 en el caso de las LiFePO4.
Contras: caras, pueden ser inestables, las celdas sufren cagas y descargas a un ritmo diferente pudiendo comprometer el correcto funcionamiento de la batería.

4. Polímero de litio (Li-Po)

Pros: es la batería más ligera disponible con la densidad de carga más alta, sin mantenimiento, de carga rápida, gran estabilidad demostrada en pruebas de laboratorio extremas, velocidad de auto descarga baja, se puede almacenar si se toman precauciones, amplio rango de temperatura operativa.
Contras: muy caras, van a sufrir si se almacenan incorrectamente, pueden sufrir escapes térmicos y representan un peligro de incendio si se cargan después de un período de almacenamiento incorrecto o si la ha BMS falló catastróficamente.

¿Cómo sacar el máximo partido a la batería?
SLA: al igual que una batería de coche, la batería de plomo-ácido tiene pocos ciclos para llegar a un rendimiento máximo, una vez allí, debe ser recargada con tanta frecuencia como sea posible. La razón por la que las baterías de coche suelen tener una garantía de 3 años, es que se recargan cada vez que se arranca el motor y esto significa que rara vez se producirán las descargas altas.
Níquel: las baterías de NiCd y NiMH son tremendamente sólidas, ya que pueden ofrecer grandes cantidades de corriente y se pueden recuperar de nuevo cuando empiezan a morir. Como con la mayoría de las baterías lo más importante es mantenerlas recargadas, sin embargo, se sabe que sufren ‘efecto memoria’. Para solucionar este problema tienen que hacer descargas completas periódicas, y a medida que envejecen el número de descargas completas necesarias aumenta.Para una batería de NiCd este período es un mes y para una NiMh es de 3 meses. Si una batería de NiCd parece estar muerta puede ser ‘resucitada’ mediante el aislamiento de cada grupo de celdas de carga y con corrientes muy altas, aunque esta tarea debemos dejársela a profesionales.
Litio: Independientemente de la química utilizada en el cátodo, el mantenimiento de una batería de Litio sigue una regla simple: ¡mantenerla recargada! Una batería de litio puede realizar 800 ciclos completos o más de 2.000 ciclos no completos (sin haber descargado totalmente la batería). El truco para llevar esto a cabo es conseguir una batería más grande de lo que necesitamos para nuestros traslados habituales o llevarnos el cargador con nosotros. La reducción del número de descargas completas aumentará la vida útil y el rendimiento de nuestra batería.
Si la batería no se utiliza durante más de 4 semanas se debe guardar con un voltaje de almacenamiento de aproximadamente 40% de su tensión de funcionamiento, por ejemplo una batería de 36V debe almacenarse a aproximadamente 39V.