Ipotesi di durata della mia batteria Litio Ferro - LiFePO4

E’ da un po’ di tempo che mi arrovello a capire quale possa essere l’aspettativa di vita delle mie batterie.

Purtroppo non è cosi’ semplice determinarlo, gli elementi in gioco che possono accelerare il deterioramento delle celle sono parecchi.

Intanto iniziamo con una assunzione abbastanza standard: la batteria viene considerata a fine vita quando perde il 20% di capacità. E’ una politica usata dai produttori di celle che assumo anche io per fare i paragoni, infatti è un valore che trovate in tutti i datasheet.

Le mie celle solo le Winston da 40AH, nel datasheet per un utilizzo con scarica al 70% abbiamo qualcosa come 8000 cicli previsti, ma con scarica a 20A (0,5C).  Io in realtà mediamente temo di avere una scarica maggiore nei miei giretti, diciamo stando un po’ abbondanti intorno a 40A (1C), ma non sono continuativi, infatti spesso ci ferma al semaforo in città e si aspetta..

Segue grafico dei cicli in funzione del DOD (profondità della scarica) del produttore. Si nota una differenza significativa nell’utilizzo in funzione della prodondità della scarica. Se scarico le celle al 100% faccio 1.000 Cicli, mentre se le scarico al 70% ne faccio ben 8.000!!. Direi che è conveniente non scaricare le celle ai limiti!!

Ma per ipotizzare la longevità possibile delle celle LIFEPO4 manca un altro dato: quanto l’invecchiamento ,oltre all’utilizzo, puo’ ridurre l’aspettativa di vita?

Diciamo che finalmente ho trovato un paio di ricerche che possono aiutare a rispondere:

Questo link contiene una ricerca fatta su celle A123 che mette insieme uso ciclico+tempo+temperatura

http://www.cmu.edu/me/ddl/publications/2012-SAE-Yuksel-Michalek-Thermal-Mgmt.pdf

Questo si limita ad analizzate tempo + temperatura mixata con lo stato della carica (SOC a 30%, 65% e 100%)

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00876555/document

Da entrambi escono dati rassicuranti sulla vita delle celle con chimica LiFePO4 perche’

A)La temperatura, salvo che non si raggiungano livelli oltre i 40 gradi, non sembra creino particolari problemi

B)      Il passare del tempo fa perdere capacità, ma a livelli notevolmente inferiori di molte altre celle Litio con altre chimiche oggi in uso (es: LiMn04, LiCo.., vedi questo link http://www.electricvehiclewiki.com/Battery_Capacity_Loss)

Quello che mi interessa è cercare di fare un conto spannometrico con i dati a disposizione per cercare di ipotizzare una durata ipotetica del mio tanto amato pacco batterie.

  

Profilo dei miei viaggi tipici

#	Voce	Valore	Note calcolo
1	Km medi percorsi giornalmente	36 Km	Sono circa 8000Km con 220 viaggi
2	Scarica in C media per ogni viaggio	0,3C	Nel tipico viaggio A/R a lavoro consumo circa 13Ah in 55min: scarico mediamente 11,9A all’ora. N.B.: E’ una forzatura, il ciclo medio è fatto di picchi da 2C in accelerazione e tanti stop in cui non scarico nulla.
3	Profondità scarica media (DOD)	51%	Sono 36 Km su circa 70 Km di autonomia
4	Nr viaggi medi all’anno & nr di cariche e scariche	220	Dato indicativo, è molto raro per me fare ricariche intermedie, quinid il nr viaggi e cicli è identico
5	Km medi  percorsi l’anno	8000 Km

Indicazioni tratte dal link

http://www.cmu.edu/me/ddl/publications/2012-SAE-Yuksel-Michalek-Thermal-Mgmt.pdf

#	Voce	Valore	Note
1	Perdita di capacità dopo 10.000 giorni @25 gradi(27 anni)	4% circa	Rif. Figure 6. Capacity Fade at Storage-Data and Fit.
2	Perdita di capacità dopo 1.000 giorni  @25 gradi (2,7 anni)	3% circa	Rif. Figure 6. Capacity Fade at Storage-Data and Fit.
3	Profondità scarica media (DOD)	70%	L’ho calcolato indicativamente sulla base delle info
4	Nr viaggi medi all’anno & nr di cariche e scariche	365	Table 1. Daily Usage Profile Simulated.

Dalla tabella sopra si intuisce quanto che il degrado nel tempo è forte nei primi 3 anni, poi si stabilizza, nella simulazione dell’utilizzo dell’auto si intuisce come queste celle siano soprattutto influenzate dall’utilizzo in assenza di temperature alte (oltre i 30 gradi).

Perdita di capacità in storage vs livello di carica (SOC) e temperatura

Da questo test si evince che fino a 45 gradi, anche caricando al 100% la cella non sembra esserci un degrado molto diverso dagli altri SOC, si tratta di uno scarso scostamento. Vedi stralcio delle indicazioni. Questa è una buona indicazione dato che ogni volta che carico le celle sono quasi al 100%.

La stessa figura mostra quanto sia influente la temperatura sulla celle anche in assenza di utilizzo, meno male che qui a Milano, salvo rari casi difficilmente si va oltre i 30 Gradi se lo scooter lo tieni all’ombra.

Perdita di performance data dall’invecchiamento (3.2. Rate-capability test)

Anche in questo caso la ricerca da ottime notizie, sebbene le celle perdano capacità , anche nel caso peggiore viene mostrato che la capacità di scaricare rimane buona o addirittura migliorata!! Si puo’ dire che cella vecchia fa buon brodo anche se dimezzata.

Questa nota gioca un altro punto a favore di questa chimica, io uso solo il 50% della carica, ma mi chiedevo se le celle sarebbero state in grado di reggere ancora gli 80A richiesti quando piu’ vecchie, la risposta sembra essere favorevole!!

Tirando le somme provo a fare un conto della serva per provare ad immaginare quanti anni possa durare il mio pacco batterie:

Diciamo che 8.000 cicli con scarica profonda al 50% dovrei poterli fare, ma per farli avrei bisogno di circa 36 anni (8.000/220 cicli annui). Se ho interpretato bene i vari studi e considerato che a Milano le temperature sono relativamente piu' basse, è realistico pensare che 30 anni possano durare.

Onestamente mi sembrano dati troppo buoni per essere veri, poi bisogna anche considerare che le verifiche sono state fatte su celle probabilmente di ben miglior qualità delle mie, ma anche togliendo 10 anni sarebbe una inifnità di tempo!!

Per chiudere , qui sotto i risultati ottenuti dalla simulazione di utilizzo del pacco batterie in 30 anni , utilizzando l'auto con  celle A123 LiFePO4 avrebbero perso solo il 25% della capacità!!

Sarà davvero cosi?