Degradarea bateriei

Bateriile Litiu-Ion

Bateriile Litiu-Ion (Li-Ion) sunt folosite azi pe scară largă, fie ca baterii de pornire la autovehiculele convenționale, dar mai ales la vehiculele electrice dar și în domeniul medical, robotică, stocare pentru sistemele fotovoltaice, soluții de backup sau siguranță. În toate cazurile este esențial să se știe cât mai precis energia disponibilă pe care aceste baterii o pot oferi.

Starea de încărcare

Starea de încărcare (State of Charge – SoC), se măsoară ca fiind raportul dintre energia disponibilă în baterie și energia maximă pe care o poate stoca/livra aceasta.

unde,

Q₀ (Ah) = încărcarea inițială a bateriei
Q (Ah) = cantitatea de electricitate livrată sau consumată din baterie (negativă la descărcare și pozitivă la încărcare)
Q_max (Ah) = capacitatea maximă care poate fi stocată în baterie)
SoC₀ (%) = Starea inițială de încărcare

Dacă bateria este nouă, Q_max=Cr și Q₀=0.5Q_max. Cr este capacitatea bateriei dată de producător.
Dacă bateria este încărcată maxim, Q₀=Q_max și SoC₀=100%.

Starea de sănătate

În afară de starea de încărcare, un factor determinant este gradul de utilizare al bateriei. În urma reacțiilor chimice din interiorul bateriei, există o degradare a performanțelor acesteia în timp, adică reducerea capacității pe care aceasta o poate stoca, ca urmare starea de sănătate (State of Health – SoH) a acesteia are de suferit. SoH-ul reflectă raportul dintre capacitatea reală și cea maximă a bateriei.

Este dificil de a estima sau prezice când și cum o baterie se degradează atât datorită faptului că nu se poate măsura direct capacitatea cât și faptului că este influențată de numeroși factori cum ar fi de exemplu modul de încărcare, temperatura. O baterie se consideră că a ajuns la sfârșitul duratei de viață, atunci când SoH-ul ajunge la 70%. De regulă, la acest moment, aceste baterii sunt folosite la sisteme care funcționează la capacitate redusă cum ar fi de exemplu cazul bateriile de la mașinile electrice care sunt folosite la sistemele fotovoltaice.

Deoarece nu este posibil să se măsoare simplu capacitatea actuală a unei baterii, se folosesc algoritmi și metode matematice. Atunci când este produsă, se fac măsurători în laborator, se colectează date iar acestea sunt introduse în sistemul de management al bateriei (BMS) iar SoHul este calculat prin comparație cu aceste date. Starea actuală a bateriei nu este de fapt niciodată măsurată. Prin urmare, aceste estimări sunt de cele mai multe ori inexacte și incorecte.

Pentru a asigura garanția bateriei, producătorii instalează de regulă mai multe celule decât cele din specificații pentru a asigura un buffer.

Degradarea bateriilor Li-Ion este cauzată de timp (simplu prin trecerea timpului, în general datorită temperaturii ambientale) sau de utilizare (ciclurile și condițiile de încărcare-descărcare)². La mașinile electrice, de regulă este cam 2-3% pe an. Asta înseamnă că dacă autonomia la cumpărare era de 230km, după un an este de 225-223km, deci o pierdere de 5-7km, insesizabilă la utilizarea de zi cu zi.

Degradarea bateriei nu este chiar liniară. În prima parte există o scădere mai abruptă, apoi mai redusă și la finalul vieții din nou o scădere mai abruptă. Degradarea este mai redusă la vehiculele care au sistem de răcire al bateriei.

Un factor important în degradarea bateriei este modul în care este controlată încărcarea, mai exact utilizarea atunci când aceasta este aproape goală sau plină. Pentru a limita acest efect, mulți producători adaugă o capacitate suplimentară pentru a preveni accesul la aceste zone extreme. În esență, o baterie încărcată 100% nu este complet încărcată din punct de vedere chimic, la fel cum și la 0% nu e complet descărcată (de exemplu Spring mai poate merge cam 40km cu 0% baterie afișat în bord³).

Mai mult de atât unii producători oferă opțiunea pentru utilizatori sau utilizatorii folosesc metode proprii pentru a limita încărcare la 80%.

Gradul de utilizare nu este un factor care să influențeze degradarea bateriei. Cât timp aceasta este încărcată în intervalul optim și pe Slow Charging, nu crește viteza de degradare.

Un impact semnificativ are însă temperatura de operare (la temperaturi înalte) și încărcarea rapidă (Fast Charge – DC), care practic tot la temperatură se reduce, pentru că o încărcare rapidă generează și temperaturi ridicate.

Măsurarea degradării bateriei

Așadar, măsurarea efectivă a degradării nu este posibilă, ci se folosesc diverse metode pentru a estima această degradare și a determina momentul în care aceasta ajunge la sfârșitul duratei de utilizare optime. Una dintre metodele cele mai relevante este de a calcula prin raportul dintre energia maximă disponibilă și energia teoretică totală.

De exemplu, pentru Dacia Spring, bateria are o capacitate nominală de 26800Wh (102Ah) la o tensiune de 262,8V împărțită în 12 module a câte 6 celule, iar fiecare celulă are un voltaj nominal de 3,65V (3,65 x 72 = 262,8) și un curent de 1400mAh. Încărcarea maximă teoretică pentru fiecare celulă este de 4,2V iar valoare minimă de descărcare este de 2,75V.

După un experiment personal, am observat următoarele:

Conectat la stația de încărcare la un SoC de 14%, la AC lent cu 10A, lăsat până la deconectarea automată (BMS-ul oprește încărcarea). În acest fel se realizează și balansarea celulelor iar diferențele de tensiune ar trebui să tindă spre zero.
La conectare, am înregistrat harta voltajului cu aplicația CanZE Plus (tensiunea cea mai mare 3,556V, cea mai mică 3,548V) și energia calculată disponibilă ( 3,7kWh).
La finalizare, după cca 12 ore, am verificat din nou hara voltajului cu aplicația CanZE Plus (tensiunea cea mai mare 4,243V, cea mai mică 4,233V) și energia calculată disponibilă (25,95kWh)
Aplicarea formulei energie stocată (25,95kWh) față de energia nominală (26,8kWh), rezultă un SoH de 96,92% față de 96,94% raportat de CanZE Plus din BMS.

Voi continua cu monitorizarea și testele.

Recomandări

În concluzie, recomandările⁴ sunt:

Încercați să țineți bateria încărcată în intervalul 20-80%, mai ales dacă nu o folosiți o perioadă mai mare. Încărcați 100% doar atunci când plecați la drumuri lungi.
Evitați pe cât posibil încărcările rapide (DC). Dacă nu sunteți la un drum lung, pentru utilizarea normală de zi cu zi, încărcați normal Type2 (AC), este suficient în majoritatea cazurilor.
Clima nu poate fi controlată, dar faceți tot posibilul să evitați temperaturile extreme (de ex. parcarea la umbră, în garaj, etc. atunci când este foarte cald afară)
Folosiți mașina cu încredere să parcurgeți cât mai mulți km, nu trebuie să vă faceți griji pentru uzura ei.
Nu vă îngrijorați de deprecierea bateriei. De regulă impactul e minim (câțiva km, după câțiva ani) și nu vă afectează la utilizarea de zi cu zi. Toate datele statistice până în prezent, au arătat că toate bateriile s-au degradat nesemnificativ și au depășit durata normală de viață.

Date tehnice

Energia se măsoară în kWh. 1kWh = 3,6MJ (mega jouli). 1 MJ = energia kinetică necesară pentru a mișca 1 tonă la 161 km/h. Un joule este egal cu lucrul mecanic efectuat de o forță de un newton care își deplasează punctul de aplicație pe o distanță de un metru pe direcția și în sensul forței. 1J = 1N * 1m. Un Newton este forța necesară pentru a imprima o accelerație de 1 m/s2 unui corp cu masa de 1 kg. Wattul exprimă energia transferată sau lucru mecanic efectuat în unitatea de timp de o secundă 1 W = 1J/1s. Ex. O persoană de 100kg care urcă o scară de 3m în 5s, consumă 600W. De asemenea, un conductor electric absoarbe o putere electrică de 1 W, atunci când este străbătut de un curent electric de 1 amper la o tensiune de 1 volt. 1W = 1V * 1A.