W 2022 roku naukowcy z Monachijskiego Uniwersytetu Technicznego (TU Muenchen, TUM) opublikowali raport dotyczący degradacji ogniw Li-ion wchodzących w skład baterii Volkswagena ID.3 Pro Performance 62 (58) kWh. Wynika z niego, że ogniwa zużywają się znacznie wolniej niż wynikałoby to z dotychczasowych badań. Nawet przy ciągłej eksploatacji autostradowej pojemność spada do zaledwie 92 procent przy 150 000 km przebiegu, następnie linia trendu się wypłaszcza i wskazuje około 500 000 km przebiegu przy przekraczaniu granicy 80 procent pojemności fabrycznej!
Postanowiliśmy uzupełnić te dane o pewne symulacje. Po uwzględnieniu eksploatacji oraz degradacji wynikającej z wieku wychodzi nam, że degradacja równa 70 procent (=koniec życia baterii) nastąpi przy około 400 000 km przebiegu VW ID.3.
Starzenie się baterii jako funkcja przebiegu ORAZ czasu
Spis treści
Badania naukowców z TUM dotyczyły cykli pracy ogniw zastosowanych w baterii VW ID.3 Pro Performance 62 (58) kWh, odbywały się na poziomie ogniw i dotyczyły ich pojemności w lekkim oderwaniu od pojemności baterii obliczanej przez BMS samochodu. Wyznaczono trzy konkretne scenariusze eksploatacji: realistyczny miejsko-podmiejski (niebieskie romby), realistyczny autostradowy (pomarańczowe prostokąty) i syntetyczny, kontrolny (czerwone gwiazdki).
Syntetyczny z ładowaniem i rozładowywaniem z mocą 1 C (1 x pojemność, np. 58 kW dla baterii 58 kWh) został przetestowany do 800 cykli, co przeliczono na kilometry zasięgu według formuły 1 cykl = 255 km. Okazało się, że ogniwa przeznaczone dla branży motoryzacyjnej przy baterii o pojemności 62 (58) kWh powinny wytrzymać niecałe 400 000 km przebiegu, ale z nierealnym, niedającym się utrzymać poziomem rozładowywania. Bo nie da się jechać w taki sposób, żeby cały czas zagospodarowywać 58 kW mocy – to odpowiednik około 160 km/h średniej szybkości.
Scenariusz realistyczny autostradowy oznaczał start z baterią naładowaną do 100 procent, rozładowanie do 20 procent, ładowanie z mocą 100 kW do 80 procent i rozładowanie do 20 procent. Drugi cykl ładowania odbywał się do 100 procent z użyciem wallboksa 11 kW. Przy takiej eksploatacji pojemność ogniw wchodzących w skład baterii VW ID.3 powinna spaść do 80 procent przy ponad 500 000 km przebiegu (pomarańczowa kropkowana linia trendu).
UWAGA, obydwie linie trendu zostały zasymulowane przez portal Elektrowozu, ponieważ TUM zakończył eksperyment wcześniej i obiecał kontynuację w przyszłości. Test opisywaliśmy już rok temu, teraz postanowiliśmy przedłużyć wykresy na potrzeby sięgających dalej prognoz (źródło):
Spadek pojemności ogniw/baterii Li-ion – fazy
Dlaczego założyliśmy koniec życia baterii przy zaledwie 80 procent pojemności („80% EOL scenario”)? Otóż cykle życia ogniw/baterii składają się z trzech faz: 1/ gwałtownego spadku pojemności na początku, gdy dochodzi do pasywacji elektrod (utworzenia warstwy pasywnej wiążącej część litu), 2/ stabilnej, powolnej degradacji, 3/ załamania dotychczasowego trendu, w którym procesy starzenia prowadzą do szybkiego spadku pojemności ogniwa. To ostatnie zjawisko może być efektem kruszenia się elektrod, przerostu warstwy pasywnej, wzrostu litowych dendrytów.
Kiedy ogniwo jest nowe na jego degradację największy wpływ mają cykle pracy. Natomiast starzenie kumuluje się z wiekiem. Nie posiadamy przyspieszaczy czasu, jego szybszy upływ potrafimy symulować tylko do pewnego stopnia – stąd z wiekiem liniowy przebieg linii trendu jest coraz mniej wiarygodny. Zanim jednak przejdziemy do obliczeń, pierwszy ważny pozytywny wniosek: 500 000 km przebiegu to niemal 2 000 cykli pracy. Ta informacja pasuje do współczesnych danych na temat starzenia się ogniw litowo-jonowych.
Przyspieszacz czasu
W procesach chemicznych czas można przyspieszyć zwiększając temperaturę, w jakiej przebiega reakcja. Naukowcy zrobili to w eksperymencie symbolizowanym przez gwiazdki i czerwoną linię, gdzie ogniwa miały 25 stopni Celsjusza (pozostałe: 20 stopni Celsjusza). W takiej sytuacji degradacja ogniw wyniosła 20 procent przy niecałych 400 000 km przebiegu, około 1 560 cyklach pracy.
400 000 km przebiegu przy 20 000 km rocznie to 20 lat całkiem intensywnej eksploatacji. Dodajmy, że według deklaracji, pojemność wyświetlana przez samochód była nieco niższa niż faktyczna pojemność ogniw.
Jednocześnie pominięto starzenie kalendarzowe, wynikające z wieku samochodu. To mocne założenie, choć ma sens i zostało uzasadnione. Trudno postarzeć ogniwo o 20 lat w ciągu roku, z dotychczasowych symulacji wynika, że gwałtowne załamanie się pojemności baterii, faza nr 3, zachodzi dopiero w okolicy 70 procent pojemności. W symulacji badaczy z TU Muenchen ledwie udało się dojść w okolice 90 procent pojemności fabrycznej (degradacja: 10 procent).
Symulacja wieku na podstawie Nissanów Leafów
Aby obejść ostatnie założenie, postanowiliśmy sięgnąć do pojemności baterii Nissanów Leafów oferowanych na portalu Finn.no. Przebiegi modeli z rocznika modelowego 2013 dla aut z konkretnymi degradacjami były następujące:
- 12/12 segmentów akumulatora wyświetlanych na licznikach – 37 000-95 000 km,
- 11/12 – 50 000-149 000 km,
- 10/12 – 50 000-148 000 km,
- 9/12 – 59 000-168 500 km,
- 8/12 – 84 000-165 000 km.
Nissan Leaf miał baterię bez aktywnego chłodzenia (=szybsza degradacja z powodu zbyt wysokiej temperatury), VW ID.3 ma baterię chłodzoną cieczą. Nissan Leaf miał ogniwa NCM333 produkowane przez AESC w technologii z końca poprzedniej dekady, Volkswagen w ID.3 korzysta z ogniw NCM712 produkowanych przez LG En Sol z końca obecnej dekady. Dziesięć lat w segmencie aut elektrycznych to naprawdę bardzo długo. Dlatego trudno o praktyczne zastosowanie powyższych danych, są zbyt niereprezentatywne.
Mimo tego spróbujmy:
Wnioski: koniec życia baterii VW ID.3 przy 400 000 km przebiegu
Największą grupę sprzedawanych Leafów stanowiły pojazdy z 9-10-11 segmentami akumulatora, posiadającymi minimalnie 66,25 procent i maksymalnie 85 procent pojemności. Oceniając po przebiegach, baterie aut miały od 500 (50 000 km) do niemal 1 700 cykli pracy. Da się z tego wyciągnąć zgrubny wniosek, że wiek (starzenie się) dwukrotnie przyspiesza zużycie ogniw. Zatem VW ID.3 eksploatowane autostradowo osiągnęłyby poziom 80 procent pojemności baterii przy 250 000-260 000 km.
Koniec życia baterii, degradacja na poziomie 30 procent (=70 procent pojemności fabrycznej) zostałaby osiągnięta przy około 400 000 km przebiegu (niebieska kropkowana linia). Daje to około 20 lat eksploatacji przy 20 000 km rocznie i 30 lat eksploatacji przy około 13 000 km rocznie. Dodajmy również, że taka bateria nadal nadawałaby się do naprawienia przez wymianę najbardziej zużytych modułów.
Prognozowana degradacja baterii przy złożeniu symulacji naukowców TUM oraz wieku aut (niebieska kropkowana linia). Wygląda na to, że koniec życia akumulatora, 70 procent pojemności pierwotnej, przypadnie na przebieg około 400 000 kilometrów po 20-30 latach eksploatacji
