Modelling Li-ion battery aging for second life business models

Abstract

Electric vehicles are, slowly but steadily, entering into the automotive market. The slow entry is caused, basically, by the high cost of their batteries. Additionally, electric vehicle batteries are considered not useful for traction purposes when they have lost between 20 or 30% of its capacity. At this point, batteries should be recycled by the phew companies capable to do so in Europe, knowing that management of batteries as industrial waste until the recycling factory costs money. In the search of economical incentives and trying to eliminate the recycling costs, the idea of electric vehicle battery reuse for stationary applications appeared, which will take advantage from the benefits of reused batteries selling or by the profit obtained from the 2nd life use. This thesis analyzes the different electric vehicle batteries actually in the market, studying the aspects that should be modified and that have to be taken into account when repurposing them. Moreover, it analyzes the remanufacturing costs taking into account the actual battery checking methods. In order to improve these processes, a novel battery state of health estimation methodology is developed using on-board data. This new methodology observes the voltage recovery evolution when the car stops and relates it to battery aging. This thesis studies the rest of useful life in the different possible applications for second life developing an aging model using Matlab and Simuling tools. This model includes the principal aging factors of a battery and, based on current load requirements and temperature profiles of different stationary applications, it determines their expected lifetime. The presented values can be used, afterwards, for economic evaluation, business model calculations, amortization periods and maintenance schedules. Finally, this thesis finishes with an environmental analysis based on the global warming effect produced by the electric vehicle and the battery reuse during its second life, evaluating their environmental presupposed advantages against internal combustion engine vehicles and the battery reuse in each possible business case. This thesis concludes that electric vehicle battery reuse is surely going to take place sooner or later. The electricity grid is waiting for affordable energy storage systems and battery reuse is foreseen as a good option.

Els vehicles elèctrics estan, poc a poc però de manera sostinguda, entrant dins el parc automotriu. La seva entrada és més lenta de l'esperat bàsicament per l'alt cost de les bateries. A més, les bateries de vehicle elèctric es consideren no aptes per a usos de tracció de vehicles quan aquestes han perdut entre un 20 i un 30% de la seva capacitat. Arribades a aquest punt, les bateries han de ser reciclades a les poques empreses que en són capaces i la seva gestió costa diners. Per tal d'intentar trobar incentius econòmics i d'eliminar el cost del reciclatge, ha aparegut la idea d'aprofitar les bateries per a aplicacions estacionaries i, dels beneficis de la venta i els serveis oferts, treure'n certa rendibilitat. Aquesta tesi analitza les bateries de vehicle elèctric que actualment estan al mercat, n'estudia els aspectes que cal modificar i tenir presents a l'hora de preparar-les per a la segona vida. Així mateix, fa un estudi de costs del procés de re-manufactura tenint en compte els mètodes actuals de validació de les bateries. Per tal de millorar-ne els processos, s'ha desenvolupat un sistema d'estimació de l'estat de salut de les bateries mitjançant dades embarcades en el propi vehicle basat en l'evolució del voltatge de recuperació un cop el vehicle s'atura. Així mateix, per tal de determinar la duració de les bateries en les possibles aplicacions en segona vida, s'ha desenvolupat un model d'envelliment en Matlab i les eines del Simulink. Aquest model inclou els factors d'envelliment principal de les bateries i, basant-se en els requeriments de corrent i les condicions de temperatura de diverses aplicacions estacionàries de bateries en segona vida, en determina l'esperança de vida útil. Aquests valors poden ser posteriorment utilitzats per a valoracions econòmiques d'amortitzacions de material i dels períodes de manteniment. Finalment, la tesi acaba amb un anàlisi mediambiental de l'efecte hivernacle que produeix el vehicle elèctric i la reutilització de les bateries en una segona vida, valorant la seva idoneïtat mediambiental, o no, en cada possible ús. Acaba concloent que, la reutilització de bateries de vehicle elèctric és un fet que acabarà per ocórrer amb seguretat, doncs el sistema elèctric està esperant sistemes d'emmagatzematge de baix cost i la reutilització de bateries n'és una bona opció.