Un nou enfocament per a les estimacions de final de vida útil de les bateries de vehicles elèctrics: maximitzar l'ús de la bateria

Maite Etxandi

Corchero García, Cristina Canals Casals, Lluc

Grup d'Anàlisi de Sistemes Energètics (IREC)

El compromís amb els vehicles elèctrics (VE) requereix una gestió acurada de les seves bateries, que requereixen molts recursos, per garantir que la transició no tingui un impacte ambiental elevat. Els avenços tecnològics i les reduccions de costos han comportat un augment de la capacitat de la bateria i un valor residual substancial esperat de les bateries retirades, cosa que destaca la importància de pràctiques d'economia circular com ara compartir i reutilitzar. La presa de decisions al llarg del cicle de vida de la bateria requereix una estimació precisa del final de la seva vida útil (EdV). Els mètodes actuals utilitzen un criteri universal del 70-80% d'estat de salut (SoH) per definir l'EdV, però aquest criteri ignora les necessitats individuals de cada conductor i la capacitat específica de la bateria del seu vehicle. La primera part de la tesi avalua la validesa del criteri universal d'EdV. Primer, s'avalua el rendiment dels vehicles elèctrics durant la conducció per identificar nous criteris que determinin l'EdV funcional en funció de les necessitats de conducció específiques. Posteriorment, es determinen els llindars d'EdV per a diversos casos d'ús realistes utilitzant perfils de conducció derivats d'un model de cicle de conducció sintètic proposat. Els resultats indiquen que les limitacions de rendiment estan influenciades per factors com la capacitat de la bateria, la freqüència de càrrega i els temps de conducció, cosa que destaca les deficiències de les estimacions actuals d'EdV. Tenint en compte aquestes limitacions, la segona part de la tesi presenta un nou enfocament per a l'estimació de la vida útil (EoL) mitjançant l'estat de funció (SoF). Aquest enfocament té en compte els requisits de conducció històrics per definir llindars d'EoL personalitzats, i un algoritme basat en dades per predir l'EoL en condicions d'ús realistes, com ara càrregues parcials. Ambdós aspectes, els requisits d'EoL i la degradació, s'integren en la definició proposada de SoF, mesurant fins a quin punt la bateria està a prop de mostrar un rendiment deficient. Els resultats de la tesi proposen substituir el criteri del 70-80% de SoH per SoF per millorar les estimacions d'EoL. Aquest canvi no només representa un avenç significatiu en la precisió de l'estimació de la vida útil de la bateria, sinó que també introdueix una perspectiva més adaptada a la realitat d'ús de cada conductor, fent que les decisions sobre el manteniment, la substitució o la reutilització de les bateries siguin més informades i eficients. Mitjançant aquesta nova metodologia, serà possible explotar millor el potencial de les bateries durant la seva vida activa i respondre a una necessitat crítica de la indústria del vehicle elèctric, que és la gestió sostenible de les bateries al llarg de tot el seu cicle de vida. A més, entendre la fi de vida funcional des d'una perspectiva personalitzada obre la porta a noves oportunitats, com ara l'ús del vehicle a la xarxa elèctrica (V2G) o la reutilització de bateries en aplicacions de segona vida. Aquestes alternatives no només maximitzen l'ús de bateries, sinó que també redueixen el valor residual, minimitzen els costos ambientals i contribueixen a la transició cap a un model de mobilitat més sostenible.

L'IREC està explorant activament l'explotació de la tecnologia amb socis del projecte europeu i socis industrials específics en diverses àrees. En cadascun dels punts següents, es faran connexions amb les col·laboracions i els vincles que s'han desenvolupat al llarg de la tesi amb diferents empreses del sector. Aquestes relacions industrials han ajudat a identificar les necessitats del mercat i les oportunitats d'implementació, facilitant així la transferència del coneixement adquirit en la recerca a aplicacions reals i comercialitzables. • Integració al mercat de l'automoció (OEM): aquesta tecnologia podria ser implementada pels fabricants de vehicles elèctrics, oferint-los un avantatge competitiu en proporcionar una funcionalitat única que augmenta la confiança i la satisfacció dels usuaris. En aquest context, l'IREC ha dut a terme un projecte de col·laboració amb SEAT, on es va estimar la vida útil de les bateries en diferents condicions de funcionament, incloent-hi diversos escenaris de conducció i climàtics. Aquest projecte va ser particularment rellevant per estudiar les garanties de les bateries, permetent la identificació de factors que poden afectar el seu rendiment i durabilitat. La integració del SoF representaria un pas important en aquesta col·laboració, ja que els fabricants podrien oferir als conductors una visió més clara de l'estat operatiu de les bateries, ajudant a gestionar millor les expectatives pel que fa a la seva vida útil. A més, aquesta informació complementaria els estudis previs realitzats en el projecte amb SEAT, millorant la precisió en l'estimació de la durabilitat de les bateries i reforçant les garanties ofertes als clients. Així, el SoF contribuiria a la confiança del consumidor i ajudaria els fabricants a ajustar les seves estratègies de màrqueting i servei postvenda per millorar l'experiència del client. Proposta d'aplicació dels resultats obtinguts Maite Etxandi Santolaya 5 • Col·laboració amb els gestors de demanda i càrrega: l'avaluació del V2G a través del SoF ofereix oportunitats de col·laboració amb empreses del sector energètic, creant nous models de negoci basats en serveis de resposta a la demanda i estabilització de la xarxa proporcionats pels usuaris de vehicles elèctrics. L'IREC ha establert diverses col·laboracions amb empreses que treballen en la gestió de la demanda, com ara Bamboo Energy, una spin-off de l'IREC dedicada a oferir serveis de gestió i agregació de la demanda. Aquesta empresa pot integrar el SoF per millorar les seves estimacions de la capacitat de resposta dels vehicles elèctrics en situacions d'alta demanda. A més, l'IREC ha treballat amb una varietat de proveïdors de carregadors, com ara Wallbox, Enel X Way, EATON, entre d'altres, alguns dels quals disposen de carregadors que permeten una càrrega intel·ligent i bidireccional. Un camí clar cap a l'explotació seria utilitzar el SoF en les estimacions per gestionar la càrrega de manera òptima i per gestionar la demanda i facilitar el V2G, basant-se en les dades recollides pel carregador. En aquest sentit, els protocols de comunicació utilitzats tindran un paper clau per garantir que la informació necessària per estimar el SoF es transfereixi eficaçment entre el vehicle i la infraestructura de càrrega. • Desenvolupament de serveis d'assessorament per a vehicles elèctrics de segona mà: la informació detallada sobre l'estat de les bateries és essencial per al negoci de vehicles elèctrics de segona mà. En aquest context, l'IREC està iniciant un projecte industrial amb BatteryCycle, que busca millorar el coneixement sobre l'estat de les bateries per als venedors de vehicles elèctrics de segona mà. El primer pas d'aquest projecte se centrarà en millorar l'estimació del SoH que es pot obtenir. Un cop aconseguit aquest objectiu, el següent pas seria l'estimació del SoF, que proporcionarà una visió més clara de la capacitat de les bateries per satisfer les necessitats dels futurs propietaris. • Aplicacions en altres sectors: A llarg termini, el SoF es podria adaptar per a diferents tipus de bateries utilitzades en sistemes d'emmagatzematge d'energia. En aquest sentit, l'IREC està treballant en un projecte amb Cellect, una empresa que ofereix serveis de gestió per a sistemes de bateries destinats a donar servei a la xarxa elèctrica. L'objectiu inicial del projecte se centra en millorar l'estimació del SoH, que és essencial per garantir un rendiment òptim de la bateria. Tanmateix, Cellect té plans futurs per oferir serveis més detallats, com ara el manteniment predictiu, que requereix una comprensió més profunda del SoF. La incorporació del SoF en aquests sistemes podria ser clau per millorar la gestió de les bateries a mesura que s'acosten al final de la seva vida útil.

Vehicles elèctrics (VE); Bateries intensives en recursos; Impacte ambiental; Economia circular; Compartició de bateries; Reutilització de bateries; Cicle de vida de la bateria; Final de la vida útil (Fi de la vida útil); Estat de salut (Fi de la vida útil); Criteri universal de final de la vida útil; Rendiment de conducció; Final de la vida útil funcional; Necessitats de conducció; Llindars de final de la vida útil; Casos d'ús realistes; Model sintètic del cicle de conducció; Limitacions de rendiment; Capacitat de la bateria; Freqüència de càrrega; Temps de conducció; Estat de funcionament (Fi de la vida útil); Requisits històrics de conducció; Llindars de final de la vida personalitzats; Algoritme basat en dades; Predicció de la Final de la vida útil; Càrregues parcials; Degradació; Mal rendiment; Decisions de manteniment; Decisions de substitució; Decisions de reutilització de bateries; Gestió sostenible de bateries; Del vehicle a la xarxa elèctrica (V2G); Aplicacions de segona vida; Reducció del valor residual; Minimització dels costos ambientals; Mobilitat sostenible.