INTEGRAL DEGRADATION INDEX OF SECOND-LIFE EV BATTERIES APPLICATION IN ENERGY STORAGE SYSTEMS: ACCOUNTING FOR CALENDAR AND CYCLIC AGING
The study aims to develop an integral degradation index for energy storage systems based on secondary lithium-ion batteries from electric vehicles, considering calendar and cyclic aging factors. It also examines the impact of the stochastic behavior of secondary batteries and renewable energy genera...
Збережено в:
| Дата: | 2024 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2024
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/848 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
System Research in Energy| _version_ | 1871104359761182720 |
|---|---|
| author | Kostenko, Ganna Zaporozhets, Artur |
| author_facet | Kostenko, Ganna Zaporozhets, Artur |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Ganna Kostenko",
"institution": null
},
{
"author": "Artur Zaporozhets",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Kostenko, Ganna |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:48Z |
| description | The study aims to develop an integral degradation index for energy storage systems based on secondary lithium-ion batteries from electric vehicles, considering calendar and cyclic aging factors. It also examines the impact of the stochastic behavior of secondary batteries and renewable energy generation. The proposed model simulates various operational scenarios, providing critical insights into battery degradation and optimization for prolonged lifespan and enhanced efficiency. This approach promotes sustainable resource management and integration of renewable energy sources. |
| first_indexed | 2026-03-24T02:03:21Z |
| format | Article |
| fulltext |
Системні дослідження в енергетиці. 2024. 2А (78) 31
ISSN 2786-7102 (Online), ISSN 2786-7633 (Print)
УДК 621.311:621.33
Ганна Костенко*, https://orcid.org/0000-0002-8839-7633
Артур Запорожець, д-р техн. наук, ст. досл., https://orcid.org/0000-0002-0704-4116
Інститут загальної енергетики НАН України, вул. Антоновича, 172, м. Київ, 03150, Україна
*Автор-кореспондент: Kostenko_HP@nas.gov.ua
_____________________________________________________________________________
ІНТЕГРАЛЬНИЙ ПОКАЗНИК ДЕГРАДАЦІЇ ВТОРИННИХ БАТАРЕЙ
ЕЛЕКТРОМОБІЛІВ В СИСТЕМАХ ЗБЕРІГАННЯ ЕНЕРГІЇ: УРАХУВАННЯ
КАЛЕНДАРНОГО ТА ЦИКЛІЧНОГО СТАРІННЯ
Ключові слова: вторинні літій-іонні батареї, системи зберігання енергії, календарне старіння, циклічне
старіння, інтегральний показник деградації.
Мета роботи. Акумулятори другого життя представляють собою перспективну можливість для
зберігання енергії, яка може суттєво вплинути на розвиток енергетичних систем у найближчі роки [1–2].
Вони мають потенціал знизити як витрати на зберігання енергії, так і вплив на навколишнє середовище.
Забезпечення ефективного управління режимами роботи вторинних батарей електротранспорту є важливим
завданням для досягнення стабільного і надійного функціонування систем зберігання енергії. Врахування
факторів календарного та циклічного старіння, а також стохастичності поведінки вторинних батарей є
необхідним для розробки високоточних моделей прогнозування та управління. У зв’язку з цим необхідно
розробити інтегральний показник деградації систем зберігання енергії на базі вторинних літій-іонних
батарей електромобілів з урахуванням водночас факторів календарного та циклічного старіння та
стохастичних впливів.
Результати роботи. Старіння літій-іонних батарей можна розділити на два основні види: календарне
та циклічне. Календарне старіння відбувається внаслідок хімічних реакцій всередині батареї навіть за
відсутності циклів заряджання-розряджання [3–4]. Воно включає утворення твердого шару електроліту на
аноді, що починається з першого ж циклу заряджання. Цей процес є важливим для запобігання подальшій
реакції електроліту з анодом, але водночас сприяє споживанню літієвих іонів та електроліту, що знижує
ємність батареї та збільшує її внутрішній опір. Високі температури прискорюють цей процес. Циклічне
старіння, з іншого боку, виникає через механічне напруження та електрохімічні реакції під час кожного
циклу заряджання та розряджання [4–5]. Високі швидкості заряджання або низькі температури можуть
спричиняти утворення літієвого покриття на аноді, коли літієві іони осаджуються на поверхні анода у
вигляді металевого літію замість інтеграції в анодний матеріал. Це призводить до втрати активного літію та
зменшення ємності батареї, а також може спричинити коротке замикання, що є потенційно небезпечним.
Крім того, під час циклів заряджання-розряджання відбувається втрата активного матеріалу електродів через
розтріскування частинок та втрату електричного контакту між ними, що додатково знижує ємність батареї
та збільшує її внутрішній опір.
Календарне старіння залежить від часу та умов зберігання (температура, SOC). Модель
календарного старіння можна описати наступним рівнянням:
𝑄𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑑𝑎𝑟(𝑡) = 𝑘𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑑𝑎𝑟 ⋅ 𝑒
𝐸𝑎
𝑅 𝑇 ⋅ 𝑡 ⋅ 𝑓(𝑆𝑂𝐶),
де: 𝑄𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑑𝑎𝑟(𝑡) – втрати ємності через календарне старіння; 𝑘𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑑𝑎𝑟– константа швидкості реакції; 𝐸𝑎 –
енергія активації; R – універсальна газова стала; T – температура; t – час; f(SOC) – функція, що описує
залежність від SOC.
Системні дослідження в енергетиці. 2024. 2А (78) 32
Циклічне старіння залежить від кількості циклів заряджання / розряджання, глибини розряду (DOD),
швидкості заряджання (C-rate) і температури. Модель циклічного старіння можна описати наступним
рівнянням:
𝑄𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒(𝑡) = 𝑘𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 ⋅ (𝐷𝑂𝐷)𝛼 ⋅ (𝐶𝑟𝑎𝑡𝑒)𝛽 ⋅ 𝑒
𝐸𝑎
𝑅 𝑇 ⋅ 𝑁𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒(𝑡),
де: 𝑄𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒(𝑡) – втрати ємності через циклічне старіння; 𝑘𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 – константа швидкості реакції для циклічного
старіння; DOD – глибина розряду; Crate – швидкість заряджання / розряджання; α і β – параметри моделі;
𝑁𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒(𝑡) – кількість циклів заряджання / розряджання.
Запропонований інтегральний показник деградації батареї враховує не тільки календарне та
циклічне старіння, але також і випадкові змінні, які моделюють невизначеності в експлуатаційних умовах,
таких як температура, глибина розряду та інші, і дозволяє отримати більш точну оцінку загальної деградації
батареї з урахуванням різних експлуатаційних факторів. Це дозволяє більш ефективно планувати та
оптимізувати режими експлуатації систем зберігання енергії на базі вторинних літій-іонних батарей
електромобілів.
𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙(𝑡) = 𝑄𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑑𝑎𝑟(𝑡) + 𝑄𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒(𝑡) ± 𝛥𝑄(𝑡)
= 𝑘𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑑𝑎𝑟 ⋅ 𝑒
𝐸𝑎
𝑅 𝑇 ⋅ 𝑡 ⋅ 𝑓(𝑆𝑂𝐶) + 𝑘𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 ⋅ (𝐷𝑂𝐷)𝛼 ⋅ (𝐶𝑟𝑎𝑡𝑒)𝛽 ⋅ 𝑒
𝐸𝑎
𝑅 𝑇 ⋅ 𝑁𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒(𝑡)
± √(
𝜕𝑄
𝜕𝑇
∆𝑇)
2
+ (
𝜕𝑄
𝜕𝑆𝑂𝐶
∆𝑆𝑂𝐶)
2
+ (
𝜕𝑄
𝜕𝐷𝑂𝐷
∆𝐷𝑂𝐷)
2
+ (
𝜕𝑄
𝜕𝐶𝑟𝑎𝑡𝑒
∆𝐶𝑟𝑎𝑡𝑒)
2
𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙(𝑡) – загальні втрати ємності батареї з урахуванням факторів календарного і циклічного
старіння; 𝛥𝑄(t) – урахування невизначеності стану / поведінки вторинних батарей в умовах експлуатації;
∆T0, ∆𝑆𝑂𝐶, ∆𝐷𝑂𝐷, ∆𝐶𝑟𝑎𝑡𝑒 – випадкові змінні, відповідно, температури, стану заряду, глибини розряду,
швидкості заряджання / розряджання з певним розподілом (наприклад, нормальним); похідні
𝜕𝑄
𝜕𝑇
,
𝜕𝑄
𝜕𝑆𝑂𝐶
,
𝜕𝑄
𝜕𝐷𝑂𝐷
,
𝜕𝑄
𝜕𝐶𝑟𝑎𝑡𝑒
– представляють чутливість ємності батареї до змін кожного з цих параметрів.
Інтегральний показник деградації дозволяє об’єднати всі аспекти старіння батареї, такі як календарне
та циклічне старіння, в один узагальнений параметр. Це спрощує аналіз стану батареї та дає змогу адекватно
оцінити її залишковий термін служби. Завдяки цьому користувачі та оператори систем зберігання енергії
можуть отримувати цілісну картину про стан батареї без необхідності аналізувати безліч окремих
параметрів. Врахування стохастичних факторів у моделях деградації дозволить більш точно моделювати
реальні умови експлуатації батарей та оцінювати вплив випадкових змін на їх стан.
Цей показник може бути використаний для розробки та налаштування оптимальних режимів
заряджання та розряджання батарей, мінімізуючи вплив несприятливих факторів та подовжити життєвий
цикл батареї.
Висновки. Оцінювання стану здоров’я та прогнозування терміну служби батарей є критично
важливим для забезпечення надійності та ефективності їх експлуатації. Якщо у первинному застосуванні в
електротранспорті це важливо для гарантування безпеки та довговічності використання батарей, то у
вторинному застосуванні для зберігання енергії, здатність точно оцінювати та прогнозувати термін служби
батарей дозволяє ефективно управляти їх експлуатаційними ресурсами, забезпечуючи стабільність
енергопостачання та оптимізуючи економічність систем. Завдяки введеному інтегральному показнику
деградації можна більш ефективно планувати використання вторинних батарей, визначати оптимальні
строки їх заміни та планувати витрати на обслуговування. Це дозволяє знизити загальні експлуатаційні
витрати та підвищити економічну ефективність систем зберігання енергії.
Системні дослідження в енергетиці. 2024. 2А (78) 33
Посилання
1. Trends and projections in Europe 2023. EEA, European Environment Agency, 83 p. https://doi.org/10.2800/595102
2. Kostenko G., Zaporozhets A. World experience of legislative regulation for lithium-ion electric vehicle batteries
considering their second-life application in the power sector. System Research in Energy. 2024. No. 2(77). P. 97—114.
https://doi.org/10.15407/srenergy2024.02.097
3. Li R., Hassan A., Gupte N., Su W., Zhou X. Degradation Prediction and Cost Optimization of Second-Life Battery Used
for Energy Arbitrage and Peak-Shaving in an Electric Grid. Energies. 2023. Vol. 16. Iss. 17. 6200.
https://doi.org/10.3390/en16176200
4. Kostenko G., Zaporozhets A. (2023). Enhancing of the Power System Resilience Through the Application of Micro Power
Systems (microgrid) with Renewable Distributed Generation. System Research in Energy. No. 3(74). P. 25—38.
https://doi.org/10.15407/srenergy2023.03.025
5. Rallo H., Canals Casals L., De La Torre D., Reinhardt R., Marchante C., Amante B. Lithium-ion battery 2nd life used as
a stationary energy storage system: Ageing and economic analysis in two real cases. Journal of Cleaner Production. 2020.
Vol. 272. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122584
INTEGRAL DEGRADATION INDEX OF SECOND-LIFE EV BATTERIES
APPLICATION IN ENERGY STORAGE SYSTEMS: ACCOUNTING FOR
CALENDAR AND CYCLIC AGING
Ganna Kostenko*, https://orcid.org/0000-0002-8839-7633
Artur Zaporozhets, Dr. Sci. (Engin.), Senior Researcher, https://orcid.org/0000-0002-0704-4116
General Energy Institute of NAS of Ukraine, 172, Antonovycha St., 03150, Kyiv, Ukraine
*Corresponding author: Kostenko_HP@nas.gov.ua
Abstract. The study aims to develop an integral degradation index for energy storage systems based on secondary lithium-
ion batteries from electric vehicles, considering calendar and cyclic aging factors. It also examines the impact of the
stochastic behavior of secondary batteries and renewable energy generation. The proposed model simulates various
operational scenarios, providing critical insights into battery degradation and optimization for prolonged lifespan and
enhanced efficiency. This approach promotes sustainable resource management and integration of renewable energy
sources.
Keywords: second-life batteries, energy storage systems, calendar aging, cyclic aging, integral degradation index.
https://doi.org/10.2800/595102
https://doi.org/10.15407/srenergy2024.02.097
https://doi.org/10.3390/en16176200
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122584
https://orcid.org/0000-0002-8839-7633
|
| id | systemreorg-article-848 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:22:51Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/54/cb3d4a1002e198265d95afb7185c6e54.pdf |
| spelling | systemreorg-article-8482026-07-18T12:57:48Z INTEGRAL DEGRADATION INDEX OF SECOND-LIFE EV BATTERIES APPLICATION IN ENERGY STORAGE SYSTEMS: ACCOUNTING FOR CALENDAR AND CYCLIC AGING Інтегральний показник деградації вторинних батарей електромобілів в системах зберігання енергії: урахування календарного та циклічного старіння Kostenko, Ganna Zaporozhets, Artur second-life batteries, energy storage systems, calendar aging, cyclic aging, integral degradation index. second-life batteries, energy storage systems, calendar aging, cyclic aging, integral degradation index. The study aims to develop an integral degradation index for energy storage systems based on secondary lithium-ion batteries from electric vehicles, considering calendar and cyclic aging factors. It also examines the impact of the stochastic behavior of secondary batteries and renewable energy generation. The proposed model simulates various operational scenarios, providing critical insights into battery degradation and optimization for prolonged lifespan and enhanced efficiency. This approach promotes sustainable resource management and integration of renewable energy sources. The study aims to develop an integral degradation index for energy storage systems based on secondary lithium-ion batteries from electric vehicles, considering calendar and cyclic aging factors. It also examines the impact of the stochastic behavior of secondary batteries and renewable energy generation. The proposed model simulates various operational scenarios, providing critical insights into battery degradation and optimization for prolonged lifespan and enhanced efficiency. This approach promotes sustainable resource management and integration of renewable energy sources. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2024-06-04 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/848 System Research in Energy; No. 2а (78) (2024): System Research in Energy; 31-33 Системні дослідження в енергетиці; № 2а (78) (2024): Системні дослідження в енергетиці; 31-33 2786-7102 2786-7633 10.15407/srenergy2024.02a uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/848/755 Copyright (c) 2024 Ganna Kostenko, Artur Zaporozhets https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | second-life batteries energy storage systems calendar aging cyclic aging integral degradation index. Kostenko, Ganna Zaporozhets, Artur INTEGRAL DEGRADATION INDEX OF SECOND-LIFE EV BATTERIES APPLICATION IN ENERGY STORAGE SYSTEMS: ACCOUNTING FOR CALENDAR AND CYCLIC AGING |
| title | INTEGRAL DEGRADATION INDEX OF SECOND-LIFE EV BATTERIES APPLICATION IN ENERGY STORAGE SYSTEMS: ACCOUNTING FOR CALENDAR AND CYCLIC AGING |
| title_alt | Інтегральний показник деградації вторинних батарей електромобілів в системах зберігання енергії: урахування календарного та циклічного старіння |
| title_full | INTEGRAL DEGRADATION INDEX OF SECOND-LIFE EV BATTERIES APPLICATION IN ENERGY STORAGE SYSTEMS: ACCOUNTING FOR CALENDAR AND CYCLIC AGING |
| title_fullStr | INTEGRAL DEGRADATION INDEX OF SECOND-LIFE EV BATTERIES APPLICATION IN ENERGY STORAGE SYSTEMS: ACCOUNTING FOR CALENDAR AND CYCLIC AGING |
| title_full_unstemmed | INTEGRAL DEGRADATION INDEX OF SECOND-LIFE EV BATTERIES APPLICATION IN ENERGY STORAGE SYSTEMS: ACCOUNTING FOR CALENDAR AND CYCLIC AGING |
| title_short | INTEGRAL DEGRADATION INDEX OF SECOND-LIFE EV BATTERIES APPLICATION IN ENERGY STORAGE SYSTEMS: ACCOUNTING FOR CALENDAR AND CYCLIC AGING |
| title_sort | integral degradation index of second-life ev batteries application in energy storage systems: accounting for calendar and cyclic aging |
| topic | second-life batteries energy storage systems calendar aging cyclic aging integral degradation index. |
| topic_facet | second-life batteries energy storage systems calendar aging cyclic aging integral degradation index. second-life batteries energy storage systems calendar aging cyclic aging integral degradation index. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/848 |
| work_keys_str_mv | AT kostenkoganna integraldegradationindexofsecondlifeevbatteriesapplicationinenergystoragesystemsaccountingforcalendarandcyclicaging AT zaporozhetsartur integraldegradationindexofsecondlifeevbatteriesapplicationinenergystoragesystemsaccountingforcalendarandcyclicaging AT kostenkoganna íntegralʹnijpokaznikdegradacíívtorinnihbatarejelektromobílívvsistemahzberígannâenergííurahuvannâkalendarnogotaciklíčnogostarínnâ AT zaporozhetsartur íntegralʹnijpokaznikdegradacíívtorinnihbatarejelektromobílívvsistemahzberígannâenergííurahuvannâkalendarnogotaciklíčnogostarínnâ |