Levetid og degradering ved bruk av lithium ion batterier

[ev55]

Vennligst gi tilbakemelding på dette notatet. Batteriet er den dyreste komponenten i en elbil og dersom den behandles på en god måte får vi lengre levetid og lavere fotavtrykk.

[ev55]

Litium-ion batteri og Elbil. Notat.
NCA (Lithium nickel cobalt aluminium oxide) NMC (Lithium nickel manganese cobalt oxide)
Nedenforstående info er ikke beregnet for LFP (Lithium iron phosphate) eller NIB (Sodium-ion battery).

1.   T. (=Temperatur i batteriet). Calendar life important. Gjennomsnittlig temperatur er det viktigste parameteret for levetiden til lithium-ion batterier. Hold temperaturen så lav som mulig ved ståtid [1,4,7]. Parker i skyggen/garasje. Under lading og drift derimot, er det fordelaktig med et varmt batteri (~ 25-45℃) [2].
2.   SOC. (=State of charge = Ladenivå). Calendar life important. Ståtiden til et elbilbatteri representerer kanskje 95% av levetiden, og derfor sentral mht degraderingen. Ved ståtid bør batteriet ligge under 60% SOC [7,9]. Å holde SOC mest mulig i 20-60% er ønskelig, men påvirkes sterkt av daglig kjørelengde [10]. Unngå å gå utover 10-90% SOC. Over 90% SOC bortfaller dessuten regenerering. Jo høyere temperatur, desto viktigere er det å holde lav SOC ved ståtid. Lade batteriet så nært tidspunkt for avreise som mulig og med forvarming dersom bilen er utstyrt med det [6]. Dette gir redusert lagringstid ved høyere SOC, og batteriet varmes da opp ifm lading til gunstigere driftstemperatur. Under svært kalde forhold (~ -10℃) bør ladingen startes ved hjemkomst. Batteriet er da varmt, og det tar da lettere imot strøm. Ståtid ved høyere ladenivå er ikke så negativt ved lave temperaturer som ved høye temperaturer.
Tesla: Skal alltid stå tilkoblet lader ved hjemkomst. Dette for å kontinuerlig overvåke og holde battericellene innen optimalt temperaturområde. Bruk «Planlagt avreise» til planlagt forvarming av kupe og batteri.
3.   DOD. (=Dept of discharge=Mengde utladning). Cycle life important. Ved å bruke lav DOD oppnås best kombinasjon av forventet levetid og antall ladesykluser. Dersom utladningen i tillegg ligger i lav eller medium SOC, forsterkes denne positive virkningen [8,9]. Lading etter kortere tids kjøring ("klattlading") reduserer DOD og vil forlenge batteriets levetid på tross av økt tidsrom med høyere SOC [10]. Regenerering reduserer DOD. Kraftig regenerering er fordelaktig for elbil [3].
4.   C-rate (Lade- og utladningsstyrke). Cycle life important. Høy C-rate reduserer levetiden til batteriet [5] Bruk derfor hurtiglading minst mulig. Velg Level 2 lading (25-30A) fremfor Level 1 (6-16A) til hjemmelading. Unngå hard akselerasjon og høy hastighet da dette øker strømforbruk og degradering av batteriet. Dette er ekstra viktig ved høy SOC, ved lav batteritemperatur samt like etter hurtiglading [5]. Reduseres hastighet på motorvei fra 110 til 90 km/h reduseres forbruket med ca 20%. I tillegg reduseres gummiavfall fra dekk. (Plast i havet)

Kort og forenklet:

●   Lav-medium T.
●   Lav-medium SOC.
●   Lav-medium DOD.
●   Lav-medium ladestrøm.
●   Utsett lading til like før kjøring.

Fra studier om Li-ion batterier:

[1] «Thus, the EV battery should be kept at a low temperature and at a low or medium SoC during nonoperating periods. When avoiding long time periods at high SoCs, the capacity fade owing to calendar aging can be kept below 10% for a typical vehicle life of 15 years».
[2] «Overtall, the study has demonstrated that a warm battery is beneficial during driving operation»
[3] «Thus, a high level of regenerative braking is beneficial for an EV»
[4] «Lowering the battery temperature from 25℃ to 10℃ has decreased the capacity fade in the 15-years projections by ca. 40%.»
[5] «High charging currents should be avoided, particularly at low temperatures and high SOCs»
(Aging of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles.  Technische Universität München)

[6] «The final conclusion from this study is that there is a huge potential for prolonging the battery lifetime by avoiding high SOC values. Additional prolonging of the lifetime can also be reached by only charging the battery with the needed energy, using a small DOD, and to do this just before the driving. This strategic planning of the charging will limit the impact from the calendar ageing».
(Extending Battery Lifetime by Avoiding High SOC. Department of Electrical Engineering, Chalmers University of Technology, Sweden)

[7] «To reduce calendar aging in practical applications, lithium-ion cells should preferably be stored at low temperature and at a low or medium SoC. The SOC should remain below the SOC location of the central graphite peak, witch representant the transition from the plateau of medium to low anode potential»
(Calendar Aging of NCA Lithium-Ion Batteries Investigated by Differential Voltage Analysis and Coulomb Tracking.
Technical University of Munich).

[8] «The LiB benefits from being used in a small DOD placed at low SOC levels. Refraining from fully charging the LiB will improve the lifetime».
Ageing in Commercial Li-ion Batteries: Lifetime (Testing and Modelling for Electrified Vehicle Applications. Department of Electrical Engineering CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY.)

[9] «The results from the lifetime cycling tests showed the expected temperature dependence for 90% DOD, that higher temperature degrades the battery faster, while a different and interesting observation was made with 10% DOD. The temperature dependence had little effect within SOC intervals having a maximum lower than 50%. The expected temperature dependence could first be observed above 50% SOC and only at temperatures higher than 40◦C. The study also confirm that operating at high SOC levels lead to more rapid aging; only moderate aging could be observed in the low SOC intervals, while more rapid aging was noted for SOC intervals higher than 40% SOC. For 60% SOC and above there are no large differences.»
(Lithium ion Battery Aging:
Battery Lifetime Testing and Physics-based Modeling for Electric Vehicle Applications.
CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY.)

[10] «The secret of longevity in the EV battery is oversizing and only operating in mid-range with plenty of "grace capacity" as spare in the upper and lower bands. Partial use reduces battery stress, but leaves valuable energy storage under-utilized. Oversizing also adds cost and weight, but this spare capacity will eventually get used when the capacity fades». (Batteryuniversity BU-1003a)

Geir Fossnes
2021

[Rosstopher]

Mye bra info her, men hvorfor anbefaler du høyest mulig strømstyrke ved AC lading?

[OlaM]

Det er ganske kjente ting som de fleste elbil-entusiaster har fått med seg gjennom årene. Men for både entusiaster og nykommere som kanskje synes dette er litt voldsomt å forholde seg til så tror jeg det ville vært nyttig med litt kvantifisering av konsekvensene.

F.eks.:

- Hvor mye lengre varer et perfekt oppbevart batteri vs et realistisk ikke-optimalt tilfelle?
- Hva er bedre av å starte langturen med 100% eller å hurtiglade et gang ekstra?

Og så lurer jeg på dette med at at høy C ut av batteriet er spesielt skadelig ved høy SOC. Rekker ikke lese kilden nå før jobb, her er den hvis andre vil lese: https://www.researchgate.net/publication/325209239_Aging_of_Lithium-Ion_Batteries_in_Electric_Vehicles_Impact_of_Regenerative_Braking

[Trond.m]

Vennligst gi tilbakemelding på dette notatet. Batteriet er den dyreste komponenten i en elbil og dersom den behandles på en god måte får vi lengre levetid og lavere fotavtrykk.

Er enig i det meste her, men stiller meg undrende til utsagnet

«  Regenerering reduserer DOD. Kraftig regenerering er fordelaktig for elbil [3].»

Regenerering innebærer hurtiglading, så i utgangspunktet skulle det virke negativt inn på levetiden til batteriet. Og det er vel det som er temaet, og ikke hva som gir økonomisk kjøring.

Og selv om energiforbruk er temaet, så vil bruk av regenerering redusere bilens kinetiske energi, så jo mindre man regenerer er i teorien en fordel dersom det ikke gjør at farten blir så høy at luftmotstanden spiser opp gevinsten. Siden bremsing med bremsepedal i nyere biler primært benytter regenerering, vil man kunne spare energi ved å trille fritt der det er hensiktsmessig og regnerere ned bratte bakker. Det skulle gi lavest forbruk. Noen er veldig opptatt av hvor mye de har regenerert inløpet av en kjøretur, men myk kjøring uten behov for mye regenerering vil kunne gi lavere forbruk totalt sett. All regenerering innebærer jo et tap av energi som jeg vil tippe ligger på minst 30 %.

[Rosstopher]

Å ha muligheten for kraftig regenerering er jo et godt alternativ til bremsing, men selvfølgelig er jevn kjøring bedre enn rykk og napp.

Men hvis alternativet til regenerering på 10-50 kW (vet ikke hvor kraftig regenerering man bruker i snitt, men det er vel sjelden man regenererer på maks i mange sekundene) er å måtte hurtiglade mer underveis er i hvertfall regenerering fordelaktig for batteriet.

[Wisd0m]

Erfaring fra 10 år gammel Leaf:
- Hold bilen mellom 20-80 vanligvis
- Lad til 100 når du trenger det.
- Bruk hurtiglading kun når du trenger det. AC-lading hjemme blir 99 av forbruket.

Resultat:
- Ingen merkbar degradering
- Bilen slites ut kjappere på andre punkter enn batteriet med strategien over.

I praksis er det vel det som beskrives i kildene

[Pew]

Sikkert lurt å ikke lade fullt opp, men det er ikke nødvendigvis skadelig heller. Min erfaring med 4 år gammel leaf som har blitt ladet til 100% hver eneste gang er svært gode. Resultat siste sjekk (etter 3,5 år) ingen merkbar degradering. Men ... så har jeg også bare kjørt 50000, nesten aldri hurtigladet og kun brukt ladeboks. Tror det også har litt å si.

[Kartelaven]

Hvorfor er level 2 lading bedre enn level 1 egentlig?
Kan forstå det hvis det innebærer mer tid nær Max SOC, men level 1 klattlading med relativt lav SOC kan vel ikke skade?

[RJK]

Hvor er level 2 lading bedre enn level 1 egentlig?
Kan forstå det hvis det innebærer mer tid nær Max SOC, men level 1 klattlading med relativt lav SOC kan vel ikke skade?

Her er et eksempel hvor level-2-lading hadde vært bedre, både for huset og sikkert bilen og. Greit, det var vist en timer i mellom, som ikke tålte dette, men likevel:

https://www.tv2.no/a/10187264/

[ev55]

Hei, og takk for tilbakemelding.

Slik jeg ser det så er de viktigste påvirkere til degradering av batteriet:  1. Høy SOC 2. Høy temperatur. Dette påvirker calender degradering, som er det kritiske. Antall landinger i bilens levetid er mest påvirket av andre parametre enn dette, og vil antagelig ikke gjøre levetiden kortere enn bilens levetid. Derfor satt opp i prioritert rekkefølge i notatet.

Jeg tenker det er bedre med 90-100% lading fremfor hurtiglading underveis. Men det forutsetter at ladingen er fullført like før avgang. Da blir ikke batteriet stående ned høy SOC over tid.

[ev55]

Jeg finner ikke kilden, men mener det er beskrevet i en studie. Level 1 gir i alle fall lengre ladetid, og dermed høyere snitt SOC. Dessuten kortere hviletid for batteriet, som virker «negativt»

[ev55]

Det er det som studien fra Techniche Universität München påstår. Se kildehenvisningen. Regenereringen er av kort karakter og kan nok ikke sammenliknes med hurtiglading.

[Wisd0m]

Jeg tenker det er bedre med 90-100% lading fremfor hurtiglading underveis. Men det forutsetter at ladingen er fullført like før avgang. Da blir ikke batteriet stående ned høy SOC over tid.

Og man sparer 20-50 kroner i hurtiglading samt tid på hurtigladeren som også har en verdi. Kjører alltid batteriet opp til 100 prosent før langtur. Om 10 år er det ikke jeg som eier bilen lengre uansett. Og kjøperen er nok mer opptatt av å få seg en billig bruktbil enn om bilen har batteri som er 96 % eller 97 %.

[ev55]

Forstår tankegangen din. 
Tenker allikevel at du har lite igjen for å gå høyere enn 90%.
Meget treg lading i dette området, du blir stående med høyere SOC (negativt i varmt vær), og du mister regenerering.