A novel approach for lithium-ion battery selection and lifetime prediction

Résumé

Las aplicaciones objetivo y sus condiciones de operación determinan la utilidad de las diferentes tecnologías de almacenamiento ion-litio disponibles en el mercado. Incluso para una misma tecnología, hay factores adicionales que dependen de su diseño y del fabricante. La selección de la tecnología y la batería comercial específica requiere de un proceso multidisciplinar que abarca diversos factores. Las normas y procedimientos vigentes están dirigidas a aplicaciones específicas, como el coche eléctrico o la electrónica de consumo, y la mayoría se focalizan únicamente en los protocolos de ensayo. La necesidad de implementar una metodología de selección de celdas, fue identificada como crítica para la integración en el mercado de productos basados en baterías de ion-litio, por el grupo de investigación de sistemas de almacenamiento de energía de IK4-Ikerlan. Esta tesis doctoral propone una metodología robusta para la selección de celdas ion-litio y predicción de la vida útil de las mismas, como paso decisivo en el desarrollo de soluciones fiables. Los objetivos finales de la metodología desarrollada son la reducción de los costes de inversión y mantenimiento, y la definición de las estrategias de operación, para optimizar el rendimiento en operación y su vida útil. La estrategia de selección consiste en definir diferencias clave entre las distintas celdas. La metodología se basa en el modelo de cascada; las celdas menos adecuadas se rechazan gradualmente y el análisis experimental se profundiza cuanto menor es el número de celdas. El proceso se ha implementado en dos aplicaciones: ascensor y tranvía sin catenaria. Puesto que la mayoría de las investigaciones centran sus actividades en el EV, mediante este estudio se han abarcado aplicaciones en respuesta a la demanda industrial existente de otros sectores clave. El proceso de selección se divide en varias etapas: (i) definición de las especificaciones de la celda y perfiles de operación, (ii) análisis del mercado de baterías ion-litio, (iii) caracterización y diagnóstico de celdas, y (iv) análisis de la vida útil, seguridad, costes y aspectos relacionados con la construcción del battery pack. Analizar la degradación es esencial, ya que se ha de garantizar una larga vida útil en respuesta a las aplicaciones de mercado. Por ello, se propone un enfoque novedoso que estudia la relación compleja entre los procesos de degradación de las celdas y las condiciones de operación reales. El análisis comprende la degradación por ciclado y almacenamiento, así como su interacción. Primeramente se centra en el análisis individual y validación de la degradación por ambos modos, sin ensayar perfiles específicos, ya que uno de los objetivos es su amplia aplicabilidad. Los resultados se complementan mediante ensayos de validación dinámica y la combinación de ambos mediante perfiles similares a la operación real. La última etapa de validación incluye la evaluación de la versatilidad de la herramienta de predicción desarrollada para diferentes escenarios de aplicación reales. El procedimiento desarrollado en esta tesis para el pronóstico de vida útil proporciona varias ventajas. La minimización del trabajo experimental para el desarrollo de algoritmos cuantitativos de predicción de vida. Por otro lado, los modelos son realistas y escalables a diferentes aplicaciones para analizar exhaustivamente la vida útil de los sistemas de almacenamiento. La metodología general propuesta permite la selección de una solución de almacenamiento ion-litio de manera rentable y eficiente, y predice su comportamiento en una aplicación específica con 1-2% de precisión. Se estiman tres meses de trabajo experimental para la preselección de la celda y un año para la predicción de la vida mediante este método. El procedimiento para el pronóstico de vida se ha implementado exhaustivamente en una plataforma para evaluar su aplicabilidad a otras aplicaciones y tecnologías de almacenamiento.