Metodologia para separar as contribuições da degradação calendário e degradação de ciclagem em baterias

Abstract

Resumo: Estudar como uma bateria se degrada é um ponto central para estimar sua viabilidade econômica em determinada aplicação onde se propõe a ser utilizada. O presente trabalho propõe uma metodologia para determinar o número de ciclos que uma bateria pode fornecer quando os ciclos não começam no estado de carga de 100% e também apresenta uma possível forma para separar as contribuições à degradação devidas ao calendar life (vida calendário) e ao cycle life (vida ciclagem) que estão sobrepostas nos dados do fabricante sobre o número de ciclos em função da profundidade de descarga. A metodologia pode ser aplicada a diferentes tipos de baterias, porém neste trabalho, para exemplificar o método, foi utilizada uma bateria de íons de lítio. Para a aplicação da metodologia é utilizado o data-sheet do fabricante de baterias, documento este que contém as informações relacionadas ao número de ciclos que a bateria pode fornecer, dependendo da profundidade da descarga (DoD) a que ela é submetida, sempre partindo de um estado de carga (SoC) de 100%. O data-sheetfornece valores discretos com relativamente poucas informações. A metodologia proposta segue a teoria dos chamados modelos de fadiga para estimativa da degradação em objetos a partir de esforços sofridos, onde a cada novo estresse, o objeto sofre uma certa degradação até chegar ao estado de 100% degradado, ou seja, o final da sua vida útil. A proposta da metodologia é simples e objetiva, de fácil aplicação para se obter resultados com relativa precisão e em pouco tempo, e está direcionada ao público não especialista na área. Assim, não é necessário conhecer a fundo todos os fenômenos físico-químicos que ocorrem em um dispositivo complexo como uma bateria para sua aplicação. A metodologia se baseia em dois pressupostos teóricos que são descritos no corpo do texto. Os testes foram feitos utilizando-se o chamado regime dos ciclos incompletos. Com isso foram obtidas curvas que mostram a dependência do número de ciclos e do Eth (Energy Throughput) com relação ao SoC médio para cada descarga que a bateria pode executar. A partir destes gráficos, para determinado ciclo específico, é obtido um fator de correção maior que 1 que permite calcular o impacto do SoC médio de descarga na degradação calendário. A partir da subtração da degradação total (composta pela soma da degradação calendário e por ciclagem) da degradação calendário (corrigida pelo efeito do impacto do SoC médio do ciclo), obtêm-se a degradação por ciclagem pura para determinado ciclo. Foi feita uma análise profunda de como separar as componentes de degradação que afetam uma bateria, além de analisados conceitos expostos por autores em trabalhos anteriores. Conclui-se que mais estudos devem ser feitos para verificar alguns valores negativos que resultaram dos cálculos e que matematicamente não deveriam aparecer. Além de que seria interessante trabalhar com dados contínuos ao invés de tabelas, pois isso permitira preencher lacunas que ficam entre um dado e outro dos data-sheets.

Studying how a battery degrades is a central point to estimate its economic viability in an application where it is proposed to be used. The work proposes a methodology to determine the number of cycles that a battery can provide when the battery use does not begin in the 100% state of charge and also presents a possible way to separate the contributions to degradation due to the calendar life and the cycle life with are superimposed on the manufacturer’s data provided, under the information of the number of cycles as a function of the depth of discharge.The methodology can be applied to different types of batteries, but in this paper, to exemplify the method, a lithium ion battery was used. For the application of the methodology, the battery manufacturer’s data-sheet is used, a document that contains the information related to the number of cycles that the battery can provide, as a function of the depth of discharge (DoD) to which it is submitted, always starting from the state of charge (SoC) of 100%. The data-sheet provides discrete values with relatively poor information. The proposed methodology follows the theory of so-called fatigue models for estimating the degradation of objects from efforts suffered, where at each new stress, the object undergoes a certain degradation until it reaches a state of 100% degraded, which means, the end of its useful life. The method proposed is simple and objective, easy to apply to obtain results with a good precision and in a short time, and is to be used by non-specialists in this field of knowledge. Thus, it is not necessary to know the background of all the physical-chemical phenomena that occur in a complex device such as a battery for its application. The method is based on two theoretical assumptions that are described in the following text. The tests were performed using the so-called incomplete cycle regime. With this, graphics were obtained. They show the dependence of the number of cycles and the Energy Throughput, in relation to the average Stage of charge that the battery can perform. From these graphs, for a given specific cycle, a correction factor greater than 1 is obtained, which allows calculating the impact of the average SoC of discharge on calendar degradation. By subtracting the total degradation (composed of the sum of calendar degradation and cycling) from calendar degradation (corrected for the impact of the average SoC of the cycle), the degradation by pure cycling is obtained for a given cycle. An in-depth analysis of how to separate the degradation components that affect a battery was made, in addition to analyzing concepts exposed by authors in previous works. It is concluded that more studies should be done to verify some negative values that resulted from the calculations and that mathematically should not appear. Besides, it would be interesting to work with continuous data instead of manufacturer’s tables, as this will allow filling gaps between one piece of data and another in the data-sheets