Hvordan tester man, om en batteri har lang cyklusydeevne?

Forståelse af lang cyklusydeevne: Definition og nøgletal

Hvad er lang cykluslevetid i litium-ion-batterier?

Begrebet lang cykluslevetid beskriver i bund og grund, hvor godt et batteri bevarer sin brugbare effekt efter at have gennemgået hundredvis af opladnings- og afladningscykluser. Når vi specifikt taler om litium-ion-batterier, kigger vi på, hvor mange fulde opladninger (fra cirka 80 til 100 %) de kan klare, før de falder ned til kun 80 % af deres oprindelige kapacitet – hvilket de fleste i branche betragter som det punkt, hvor batteriet begynder at blive for upålideligt (Ponemon Institute rapporterede dette i 2023). At opnå god ydelse gennem disse cykluser er meget vigtigt for produkter, der har brug for varig strøm uden hyppige udskiftninger. Tænk på elbiler, der fortsat kører mile efter mile, eller de massive batteribanke, der anvendes til lagring af vedvarende energi i hele elnet.

Forholdet mellem opladnings-/afladningscykluser og kapacitetsbevarelse

Hver gang batterier gennemgår opladning og afladning, mister de langsomt evnen til at holde strøm på grund af kemiske ændringer i elektroderne og elektrolytmaterialerne. Når vi belaster dem hårdere ved at aflade dybere i hver cyklus, sker denne slid meget hurtigere. Se på reelle tal: Batterier, der cykles ned til 90 % af deres kapacitet, når typisk deres sluttidspunkt cirka 40 % tidligere sammenlignet med dem, der kun aflades til 50 %. At finde den rette balance mellem, hvor dybt vi aflader, og hvor længe vores batterier holder, bliver derfor særlig vigtigt for alle, der ønsker maksimal ydelse over tid.

Industristandard: 80 % kapacitet som udskiftningstærskel

80 % kapacitetsmålsættelsen – hvor en batteri kun beholder fire femtedele af sin oprindelige energi – er bredt accepteret som den funktionelle slutning på dets levetid i hele industrien. Undersøgelser viser, at ydelse og pålidelighed falder markant under dette niveau, med en femdobling af fejlhyppigheden (IEEE 2023). Dette standardiserede niveau danner grundlag for garantibetingelser, vedligeholdelsesplaner og udskiftningsskemaer.

Standardiserede testmetoder til vurdering af lang cyklusydelse

Oversigt over protokoller for test af battericykluslevetid

IEC 61960-standarden tilbyder metoder til at vurdere, hvordan batterier yder over mange cyklusser ved hjælp af kontrollerede tests, hvor de oplades og aflades gentagne gange. Laboratorier udfører disse tests hurtigere end normalt ved at fremskynde aldringsprocessen, hvilket giver dem mulighed for at se, hvad der sker efter års anvendelse på blot et par uger. Når faciliteter følger EN 45552:2020-vejledningerne for holdbarhedstest, er deres prognoser for batterilevetid typisk ret nøjagtige, oftest inden for ca. 2 % fejlmargen. Dette viser, hvorfor det er så vigtigt at følge fastlagte standarder for at opnå pålidelige data ved test af batteriers levetid.

Opladnings- og afladningscykler: CC-CV og konstant strømmetoder

To primære metoder anvendes i cykeltest:

• Konstant strøm – konstant spænding (CC-CV) : Anvender stabil strøm, indtil en spændingsgrænse nås, derefter holdes spændingen konstant for at fuldføre opladningen. Denne metode balancerer effektivitet og cellehelse.
• Ren konstant strøm enklere, men kan overbelaste celler ved at ignorere spændningsgrænser.

Studier viser, at CC-CV forbedrer cykluslevetid med 18 % i forhold til konstant strøm alene, når der testes op til 80 % kapacitetsbevarelse.

Overvågning af spænding, strøm og indre modstand under test

Realtime-overvågning af nøgleparametre muliggør tidlig registrering af degraderingsmønstre. Kritiske mål inkluderer:

Automatiske systemer anvender ASTM F3283-17-standarder til at markere anomalier og identificere tendenser i kapacitetsnedgang under langvarig test.

Laboratorie- vs. virkelige forhold: Håndtering af simuleringsafvigelser

Laboratorietests foregår generelt i kontrollerede omgivelser omkring 25 grader Celsius med plus eller minus en grad, men ude i den virkelige verden udsættes batterier for alle mulige temperatursvingninger og varierende belastninger. Tænk blot på, hvor meget hurtigere batterilevetiden falder ved ekstrem varme eller kulde. Ifølge forskning udgivet af AAC i 2023 kan disse temperatursvingninger alene fremskynde batterideterioreringen med op til 35 %. Det gode nyt er, at moderne testmetoder bliver klogere. Mange faciliteter bruger nu klimakamre, der dækker fra minus 20 til plus 60 grader Celsius, samt reelle forbrugsmønstre i stedet for blot teoretiske modeller. Denne tilgang reducerer unøjagtige simuleringer markant og sænker fejlratens niveau fra cirka 40 % til under 12 % i de fleste tilfælde.

Vigtigt udstyr til nøjagtig lang cyklustest

Battericyklere: Funktioner og valgkriterier

Battericyklere er centrale for lang cyklustest, da de muliggør nøjagtig genskabelse af opladnings- og afladningssekvenser. Højtklassede modeller tilbyder en strømnøjagtighed på ±0,05 % og programmerbar miljøkontrol, som er valideret i BTS-4000-studiet. Nøglefaktorer ved valg inkluderer:

• Flere kanaler til parallel testning
• Driftstemperaturinterval fra -40°C til +85°C
• Overholdelse af sikkerhedsstandarderne UN 38.3 og IEC 62133

Disse funktioner sikrer en pålidelig og skalerbar evaluering af litium-ionbatteriers levetid.

Dataopsamlingssystemer til kontinuerlig ydelsesovervågning

Moderne dataopsamlingssystemer (DAQ) overvåger mere end 15 parametre samtidigt, herunder impedans (ned til 0,1 mΩ opløsning) og entropikoefficienter. Integration af værmetilstandsanalyseværktøjer reducerer fejl i forudsigelse af kapacitetsnedgang med 22 % sammenlignet med kun spændingsovervågning. Væsentlige funktioner inkluderer:

• 24-bit ADC'er til højnøjagtige mikrovoltmålinger
• Abtastningshastigheder over 1 kHz til registrering af transiente begivenheder
• Cloud-baseret analyser til realtidsregistrering af degradering

Sammen med battericyklere muliggør DAQ-systemer en omfattende vurdering af energitæthed (Wh/kg) og effekthold (procent) over tusindvis af cyklusser.

Vurdering af degradering og tilstand (SOH) over lang cykluslevetid

Effektiv evaluering af lang cyklusydeevne bygger på systematisk overvågning af degradering og avanceret modellering af tilstand (SOH).

Registrering af kapacitetsnedgang til 80 % over forlængede opladnings- og afladningscyklusser

De fleste lithiumionbatterier har en tendens til at miste omkring 1-4 % af deres kapacitet hvert år ved normal brug, selvom hyppige opladningscyklusser virkelig fremskynder processen. Laboratorier udfører standardtest, hvor de undersøger, hvor meget energi der udledes efter hver fuld opladnings-/afladningscyklus, og afbilder disse resultater i grafer, der viser, hvordan temperaturændringer og afladningsdybde påvirker batteriets levetid. Indenfor branchen er man generelt enige om, at når et batteri når ca. 80 % af sin oprindelige kapacitet, er det tid til at overveje udskiftning for de fleste almindelige anvendelser, selvom nogle specialiserede enheder måske stadig kan fungere ud over denne grænse.

Estimering af tilstandsvurdering ved hjælp af cykluslevestilstandsmodeller

SOH-modeller bliver i dag ret avancerede ved at kombinere data fra virkelige opladningscykler med elektrokemiske principper for at forudsige, hvor længe en batteri holder, inden det skal udskiftes. Nogle nyere hybridtilgange, der kombinerer maskinlæringsmetoder med faktiske fysiske slidmønstre, har opnået kapacitetsforudsigelser med en nøjagtighed på under 3 %, selv efter 500 opladningscykler. Det, der gør disse modeller så effektive, er deres evne til at analysere fænomener som spændingsvariationer over tid, stigende intern modstand og temperaturændringer under drift, hvilket giver dem mulighed for at lave velbegrundede gæt på batterikapaciteten uden behov for konstant fuld kalibrering.

Casestudie: SOH-forudsigelse i EV-batterier efter 1.000+ cyklusser

I automobilapplikationer viser data fra de tidlige cykluser sig at være stærkt forudsigende for langtidseffektivitet. En undersøgelse fra 2024 fandt, at brugen af de første 200 cykluser muliggjorde nøjagtige prognoser for kapacitet ved 1.000 cykluser, med forudsigelsesfejl under 5 %. Dette understreger værdien af kontinuerlig overvågning og datadrevne modeller for at sikre pålidelighed i krævende miljøer.

Nøglefaktorer, der påvirker lang cyklusydelse

Temperaturers indvirkning på batterialdring og cykluslevetid

Temperatur har betydelig indflydelse på nedbrydningshastigheder, i overensstemmelse med Arrhenius-relationen. Batterier, der cycler ved 45 °C, slides 2,3 gange hurtigere end dem ved 25 °C (Batterialdringsundersøgelse 2023), primært på grund af øget nedbrydning af elektrolytten og vækst af solid elektrolyt interphase (SEI)-laget. Det er afgørende at opretholde optimale termiske forhold for at maksimere cykluslevetiden.

Indvirkning af opladnings-/afladningshastigheder og afladningsdybde (DoD)

Høje opladnings-/afladningshastigheder (>1C) forårsager mekanisk stress, der beskadiger elektrodestrukturen, mens dybe afladninger (>80 % DoD) reducerer mængden af aktivt lithium. Feltdata viser et klart omvendt forhold mellem DoD og cykluslevetid:

At begrænse DoD til under 60 % kan fordoble levetiden i stationære lagersystemer.

Afbalancering af høj ydelse og lang cykluslevetid i industrielle anvendelser

Elbilsmarkedet viser os den klassiske balance mellem ydelse og levetid. Når førere bruger bremsen hårdt, oplader regenerationsystemet hurtigere, men kan over tid faktisk forårsage revner i batteriets anoder. Og de lange køreture på motorvej med høj hastighed (omkring 4 gange normal afladningshastighed) slider batterierne ned meget hurtigere end stop-and-go-kørsel i bytrafik, hvilket får dem til at degradere cirka 18 % hurtigere. Nogle kan undre sig over, hvorfor virksomheder bruger ekstra penge på termisk styringssystemer, der øger omkostningerne med omkring 9 til 12 %. Disse systemer holder dog batterier køligere under drift og formår på en eller anden måde at forlænge deres levetid med op til 40 %. Store bilproducenter bliver også klogere på dette. De implementerer maskinlæringsalgoritmer for at finjustere, hvornår og hvordan batterier oplades. Disse intelligente opladningsmetoder reducerer kalendertilringning med cirka 22 %, samtidig med at de stadig opretholder en god effektoutput til kommercielle lagerapplikationer på tværs af forskellige industrier.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er betydningen af lang cykluslevetid i lithium-ion-batterier?

Lang cykluslevetid bestemmer, hvor effektivt et batteri kan bevare brugbar strøm over mange opladnings- og afladningscykluser, hvilket er afgørende for anvendelser, der kræver holdbare strømkilder som elbiler og store energilagringssystemer.

Hvordan påvirker temperatur batterilevetiden?

Temperatur påvirker nedbrydningshastigheder markant. Batterier slides hurtigere ved ekstreme temperaturer, hvilket kan fremskynde slidprocessen. Derfor er det afgørende at opretholde optimale termiske forhold for at maksimere cykluslevetiden.

Hvad anses for livsslutningsgrænsen for et batteri?

Livsslutningsgrænsen er typisk, når et batteri kun har 80 % af sin oprindelige kapacitet tilbage, hvilket ofte medfører en kraftig nedgang i ydelse og pålidelighed.