Hoe test u of een batterij een lange cyclusprestatie heeft?

Inzicht in prestaties bij lange cyclus: definitie en belangrijke meetwaarden

Wat is een lange levensduur bij lithium-ionbatterijen?

De term lange levensduur van oplaadcycli beschrijft in wezen hoe goed een batterij zijn bruikbare vermogen behoudt na honderden oplaad- en ontladingscycli. Als het specifiek gaat over lithium-ionbatterijen, kijken we naar hoeveel volledige opladingen (van ongeveer 80 tot 100%) ze kunnen verdragen voordat de capaciteit daalt tot 80% van de oorspronkelijke waarde – wat door de meeste professionals in de sector wordt gezien als het moment waarop de batterij te onbetrouwbaar begint te worden (Ponemon Institute rapporteerde dit in 2023). Goede prestaties gedurende deze cycli zijn erg belangrijk voor toepassingen die duurzame stroom nodig hebben zonder frequente vervanging. Denk aan elektrische auto's die mijl na mijl blijven rijden, of aan grote batterijopslagsystemen die worden gebruikt om hernieuwbare energie op te slaan in hele stroomnetten.

De relatie tussen oplaad-ontlaadcycli en capaciteitsbehoud

Elke keer dat batterijen worden opgeladen en ontladen, verliezen ze langzaam hun vermogen om energie op te slaan vanwege chemische veranderingen in de elektroden en elektrolytmaterialen. Wanneer we ze harder belasten door bij elke cyclus dieper te ontladen, gaat deze slijtage veel sneller. Bekijk de praktijkcijfers: batterijen die worden gebruikt tot 90% ontlading bereiken hun eindpunt doorgaans ongeveer 40% eerder dan batterijen die slechts tot 50% worden ontladen. Het vinden van het juiste evenwicht tussen hoe diep we ontladen en hoe lang onze batterijen meegaan, is daarom van groot belang voor iedereen die op lange termijn maximale prestaties wil behalen.

Industriestandaard: 80% capaciteit als drempel voor einde van levensduur

De 80% capaciteitsbenchmark—waarbij een batterij slechts vier-vijfde van zijn initiële energie behoudt—is breed geaccepteerd als functioneel eindpunt binnen industrieën. Onderzoek toont aan dat prestaties en betrouwbaarheid sterk afnemen onder dit niveau, met een vijfvoudige stijging van de uitvalpercentages (IEEE 2023). Deze norm bepaalt garantievoorwaarden, onderhoudsschema's en vervangingsplanning.

Genormaliseerde testmethoden voor het beoordelen van langdurige cyclusprestaties

Overzicht van protocollen voor het testen van de levensduur van batterijcycli

De IEC 61960-norm biedt methoden om te beoordelen hoe batterijen presteren over vele cycli, met behulp van gecontroleerde tests waarbij ze herhaaldelijk worden opgeladen en ontladen. Laboratoria voeren deze tests sneller uit dan normaal door het verouderingsproces te versnellen, zodat ze kunnen zien wat er gebeurt na jarenlang gebruik in slechts een paar weken. Wanneer faciliteiten de richtlijnen van EN 45552:2020 volgen voor duurzaamheidstests, zijn hun voorspellingen over de levensduur van batterijen meestal vrij accuraat, meestal binnen een foutmarge van ongeveer 2%. Dit laat zien waarom het belangrijk is om zich aan erkende normen te houden om betrouwbare gegevens te verkrijgen bij het testen van de levensduur van batterijen.

Oplaad-ontlaadcycli: CC-CV en Constante Stroommethoden

Twee hoofdmethoden worden gebruikt bij cyclusonderzoek:

• Constante Stroom-Constante Voltage (CC-CV) : Past een constante stroom toe totdat een spanningslimiet wordt bereikt, waarna de spanning constant wordt gehouden om het opladen af te ronden. Deze methode zorgt voor een evenwicht tussen efficiëntie en celgezondheid.
• Alleen Constante Stroom : Eenvoudiger, maar kan cellen overbelasten door spanningslimieten te negeren.

Studie's tonen aan dat CC-CV de levensduur met 18% verbetert in vergelijking met alleen constante stroom bij testen tot 80% capaciteitsbehoud.

Spanning, stroom en interne weerstand monitoren tijdens het testen

Realtime monitoring van belangrijke parameters maakt vroegtijdige detectie van versletingspatronen mogelijk. Belangrijke meetwaarden zijn:

Geautomatiseerde systemen passen ASTM F3283-17-standaarden toe om anomalieën te markeren en trends in capaciteitsverlies te identificeren tijdens langdurige tests.

Lab- versus real-worldomstandigheden: het aanpakken van simulatie-afwijkingen

Laboratoriumtests vinden doorgaans plaats in gecontroleerde omgevingen rond de 25 graden Celsius, plus of min een graad, maar in de echte wereld worden accu's blootgesteld aan allerlei temperatuurschommelingen en wisselende belastingen. Denk er maar eens aan hoeveel sneller de levensduur van een accu afneemt bij extreme hitte of kou. Volgens onderzoek dat AAC in 2023 publiceerde, kunnen deze temperatuurschommelingen alleen al de slijtage van de accu met wel 35% versnellen. Het goede nieuws is dat moderne testmethoden steeds slimmer worden. Veel laboratoria gebruiken nu klimaatkamers die temperaturen van min 20 tot plus 60 graden Celsius aankunnen, in combinatie met daadwerkelijke gebruikspatronen in plaats van alleen theoretische modellen. Deze aanpak vermindert onnauwkeurige simulaties aanzienlijk, waardoor de foutmarge in de meeste gevallen daalt van ongeveer 40% naar minder dan 12%.

Essentiële apparatuur voor nauwkeurige langdurige cyclusbeoordeling

Accucyclers: functies en selectiecriteria

Batterijcyclers zijn essentieel voor langdurige cyclusbeoordelingen, waardoor nauwkeurige herhaling van laad-ontlaadreeksen mogelijk is. Modellen van hoge kwaliteit bieden een stroomnauwkeurigheid van ±0,05% en programmeerbare omgevingsregeling, zoals bevestigd in de BTS-4000-studie. Belangrijke selectiefactoren zijn:

• Meerkanaalsfunctionaliteit voor parallelle testen
• Bedrijfstemperatuurbereik van -40°C tot +85°C
• Conformiteit met de veiligheidsnormen UN 38.3 en IEC 62133

Deze kenmerken zorgen voor een betrouwbare en schaalbare evaluatie van de levensduur van lithium-ionbatterijen.

Gegevensverwervingssystemen voor continue prestatiebewaking

Moderne gegevensverwervingssystemen (DAQ) monitoren gelijktijdig meer dan 15 parameters, inclusief impedantie (met een resolutie tot 0,1 mΩ) en entropiecoëfficiënten. De integratie van thermische profielinstrumenten vermindert de foutmarge bij het voorspellen van capaciteitsverlies met 22% ten opzichte van uitsluitend spanningsmonitoring. Essentiële functionaliteiten zijn:

• 24-bits ADC's voor microvoltmetingen met hoge precisie
• Bemonsteringsfrequenties boven de 1 kHz om transiënte gebeurtenissen te registreren
• Cloudgebaseerde analyses voor real-time volgen van degradatie

In combinatie met batterijcyclers stellen DAQ-systemen in staat een uitgebreide beoordeling te maken van energiedichtheid (Wh/kg) en vermogensbehoud (%) over duizenden cycli heen.

Beoordeling van degradatie en staat van gezondheid (SOH) over een lang levensduur van cycli

Een effectieve evaluatie van prestaties over lange termijn is afhankelijk van systematisch toezicht op degradatie en geavanceerde modellering van de staat van gezondheid (SOH).

Volgen van capaciteitsverlies tot 80% gedurende uitgebreide laad-ontlaadcycli

De meeste lithium-ionbatterijen verliezen bij normaal gebruik jaarlijks ongeveer 1-4% van hun capaciteit, hoewel frequente laadcycli dit proces aanzienlijk versnellen. In laboratoria worden standaardtests uitgevoerd waarbij wordt gemeten hoeveel energie na elke volledige laad/ontlaadcycli wordt vrijgegeven, waarbij deze resultaten in grafieken worden weergegeven die laten zien hoe temperatuurveranderingen en de mate van ontlading de levensduur van de batterij beïnvloeden. Binnen de industrie is algemeen geaccepteerd dat wanneer een batterij ongeveer 80% van zijn oorspronkelijke capaciteit bereikt, het tijd is om te overwegen deze te vervangen voor de meeste alledaagse toepassingen, ook al kan sommige gespecialiseerde apparatuur nog langer blijven functioneren.

Gezondheidsstatusschatting met behulp van cyclustestmodellen

SOH-modellen worden tegenwoordig steeds geavanceerder door echte fietsdata te combineren met elektrochemische principes om te voorspellen hoe lang een batterij meegaat voordat deze vervangen moet worden. Sommige nieuwere hybride aanpakken, die machine learning combineren met daadwerkelijke fysieke slijtagepatronen, zijn erin geslaagd om capaciteitsvoorspellingen te doen met een nauwkeurigheid van iets minder dan 3%, zelfs na 500 laadcycli. Wat deze modellen zo effectief maakt, is hun vermogen om factoren zoals spanningsfluctuaties in de tijd, toenemende interne weerstand en temperatuurveranderingen tijdens bedrijf te analyseren, waardoor ze gerichte schattingen kunnen maken over de batterijcapaciteit zonder dat constante volledige hercalibratie nodig is.

Casus: SOH-voorspelling in EV-batterijen na 1.000+ cycli

In automobieltoepassingen blijkt data uit de vroege fase sterk voorspellend te zijn voor prestaties op lange termijn. Een studie uit 2024 toonde aan dat het gebruik van de eerste 200 cycli nauwkeurige voorspellingen mogelijk maakte van de capaciteit bij 1.000 cycli, met een voorspellingsfout onder de 5%. Dit benadrukt het belang van continu monitoring en datagestuurde modellering om betrouwbaarheid te waarborgen in omgevingen met hoge eisen.

Belangrijke factoren die invloed hebben op prestaties bij lange cyclusleven

Temperatuureffecten op batterijveroudering en cyclusleven

Temperatuur heeft een aanzienlijke invloed op degradatiesnelheden, conform de Arrhenius-relatie. Batterijen die worden gecycled bij 45°C, verouderen 2,3 keer sneller dan die bij 25°C (Battery Aging Study 2023), voornamelijk door versnelde ontleding van elektrolyt en groei van de solid electrolyte interphase (SEI)-laag. Het handhaven van optimale thermische omstandigheden is cruciaal om het cyclusleven te maximaliseren.

Invloed van laad/ontlaadsnelheden en diepte van ontlading (DoD)

Hoge laad/ontlaadsnelheden (>1C) veroorzaken mechanische spanning die de elektrode-structuren beschadigt, terwijl diepe ontladingen (>80% DoD) actief lithium uitputten. Veldgegevens tonen een duidelijk omgekeerd verband tussen DoD en levensduur in cycli:

Het beperken van DoD tot onder de 60% kan de levensduur verdubbelen in stationaire opslagsystemen.

Balans tussen hoge prestaties en lange levensduur in industriële toepassingen

De elektrische voertuigmarkt laat ons de klassieke afweging zien tussen prestaties en levensduur. Wanneer bestuurders hard remmen, laadt het recuperatiesysteem sneller, maar kan dit op termijn barstjes veroorzaken in de anodes van de accu. En bij lange ritten op de snelweg tegen hoge snelheden (ongeveer 4 keer het normale ontladingsniveau) slijten accu's veel sneller dan bij stop-and-go rijden in de stad, waardoor ze ongeveer 18% sneller achteruitgaan. Sommige mensen vragen zich misschien af waarom bedrijven extra geld uitgeven aan thermische beheerssystemen die de kosten met ongeveer 9 tot 12% verhogen. Nou, deze systemen houden de accu's tijdens gebruik koeler en weten op de een of andere manier de levensduur te verlengen tot wel 40%. Grote autofabrikanten worden hier ook steeds slimmer in. Ze passen machine learning-algoritmen toe om precies af te stemmen wanneer en hoe accu's worden opgeladen. Deze slimme oplaadmethoden verminderen de kalenderveroudering met ongeveer 22%, terwijl ze toch een goed vermogen behouden voor commerciële opslagtoepassingen in verschillende industrieën.

FAQ

Wat is het belang van een lange levensduur in lithium-ionbatterijen?

Een lange levensduur bepaalt hoe effectief een batterij bruikbare capaciteit behoudt over vele laad-ontlaadcycli, wat cruciaal is voor toepassingen die duurzame stroombronnen vereisen, zoals elektrische voertuigen en grote energiesystemen.

Hoe beïnvloedt temperatuur de levensduur van een batterij?

Temperatuur heeft een groot effect op de versnelde afbraak. Batterijen slijten sneller bij extreme temperaturen, wat het slijtageproces kan versnellen. Daarom is het essentieel om optimale thermische omstandigheden te handhaven om de levensduur te maximaliseren.

Wat wordt beschouwd als de einde-levensduur-drempel voor een batterij?

De einde-levensduur-drempel wordt meestal bereikt wanneer een batterij slechts 80% van zijn oorspronkelijke capaciteit behoudt, waarna de prestaties en betrouwbaarheid snel kunnen afnemen.