ORIGINAL PAPER
Optimizing the lifespan of lithium-ion batteries for piezoelectric devices using dynamic controllers and AI models
 
More details
Hide details
1
UM5 ENSAM Rabat, Morocco
 
 
Submission date: 2025-03-13
 
 
Final revision date: 2025-09-10
 
 
Acceptance date: 2025-09-16
 
 
Publication date: 2026-04-01
 
 
Corresponding author
Chaymae Amri   

UM5 ENSAM Rabat, Rabat, Morocco
 
 
Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 2026;29(1):49-68
 
KEYWORDS
TOPICS
ABSTRACT
Powering small biomedical and Internet-of-Things devices with piezoelectric harvesters is challenging because the available power is low, intermittent, and difficult to condition, which can actually overstress storage elements if charging is not adapted. This study evaluates lithium-ion battery longevity under such constraints using NASA PCoE datasets and designs charge policies matched to limited source power. Firstly, we examine temperature – voltage behavior, and identify a moderate operating window, which motivates a slow-charge baseline that reduces electrochemical stress. Secondly, we introduce two control layers: a dynamic, rule-based controller that derates current as terminal voltage approaches 4.2 V or temperature exceeds 24°C within a defined safe window, and intelligent controllers (Random Forest, XGBoost, Gradient Boosting) that predict incremental degradation from routinely measured signals and select the current that minimizes expected damage under the same constraints. Using the number of cycles to SoH = 0.7 as the endpoint, dynamic control extends life from 30 to 43 cycles, while the intelligent controllers reach 45, 47, and 48 cycles. Reduced voltage peaks and ripple, together with lower thermal exposure, support the mechanism. Overall, aligning slow, condition-aware, and predictive charging with piezoelectric availability robustly extends service life and improves energy-capture efficiency, enabling more reliable, lower-maintenance biomedical and Internet-of-Things systems.
CONFLICT OF INTEREST
The Authors have no conflicts of interest to declare.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Optymalizacja żywotności baterii litowo-jonowych do urządzeń piezoelektrycznych przy użyciu kontrolerów dynamicznych i modeli sztucznej inteligencji
optymalizacja żywotności akumulatorów litowo-jonowych, urządzenia piezoelektryczne, uczenie maszynowe, zasilanie urządzeń biomedycznych, sterowniki
Zasilanie małych urządzeń biomedycznych i urządzeń Internetu rzeczy za pomocą piezoelektrycznych urządzeń zbierających energię stanowi wyzwanie, ponieważ dostępna moc jest niska, przerywana i trudna do uregulowania. Może to w rzeczywistości nadmiernie obciążać elementy magazynujące energię, jeśli ładowanie nie jest odpowiednio dostosowane. W niniejszym badaniu oceniono trwałość baterii litowo-jonowych w takich warunkach, wykorzystując zbiory danych NASA PCoE i opracowując zasady ładowania dostosowane do ograniczonego źródła zasilania. Po pierwsze, badamy zachowanie temperatury i napięcia oraz identyfikujemy umiarkowany zakres roboczy, co motywuje do zastosowania podstawowego trybu powolnego ładowania, który zmniejsza obciążenie elektrochemiczne. Po drugie, wprowadzamy dwie warstwy sterowania: dynamiczny, oparty na regułach kontroler, który zmniejsza prąd, gdy napięcie na zaciskach zbliża się do 4,2 V lub temperatura przekracza 24°C w określonym bezpiecznym zakresie, oraz inteligentne kontrolery (Random Forest, XGBoost, Gradient Boosting), które przewidują stopniową degradację na podstawie rutynowo mierzonych sygnałów i wybierają prąd, który minimalizuje oczekiwane uszkodzenia w tych samych warunkach. Wykorzystując liczbę cykli do SoH = 0,7 jako punkt końcowy, sterowanie dynamiczne wydłuża żywotność z 30 do 43 cykli, podczas gdy inteligentne sterowniki osiągają 45, 47 i 48 cykli. Mechanizm ten wspierają zmniejszone szczyty napięcia i tętnienia oraz niższa ekspozycja termiczna. Ogólnie rzecz biorąc, dostosowanie powolnego, uwzględniającego stan i predykcyjnego ładowania do dostępności piezoelektrycznej znacznie wydłuża żywotność i poprawia wydajność pozyskiwania energii, umożliwiając tworzenie bardziej niezawodnych i wymagających mniej konserwacji systemów biomedycznych oraz systemów Internetu rzeczy.
REFERENCES (24)
1.
Barcellona et al. 2022 – Barcellona, S., Colnago, S., Dotelli, G., Latorrata, S. and Piegari, L. 2022. Aging effect on the variation of Li-ion battery resistance as function of temperature and state of charge. Journal of Energy Storage 50, https://doi.org/10.1016/j.est.....
 
2.
CapstoneProject/Analysis_B0005.ipynb at master · Kalrfou/CapstoneProject n.d. GitHub. [Online:] https://github.com/Kalrfou/Cap... [Accessed: 2024-12-16].
 
3.
Chen et al. 2021 – Chen, Y., Kang, Y., Zhao, Y., Wang, L., Wang, L., Liu, J., Li, Y., Liang, Z., He, X., Li, X., Tavajohi, N. and Li, B. 2021. A review of lithium-ion battery safety concerns: The issues, strategies, and testing standards. Journal of Energy Chemistry 59, pp. 83–99, https://doi.org/10.1016/j.jech....
 
4.
Gaouzi et al. 2021 – Gaouzi, K., El Fadil, H., Rachid, A., Lassioui, A., El Idrissi, Z. and Giri, F. 2021. Sampled-Data Observer for Estimating the State of Charge, State of Health, and Temperature of Batteries. Electric Power Components and Systems 48(19–20), pp. 2168–2180, https://doi.org/10.1080/153250....
 
5.
Garg et al. 2018 – Garg, M., Tanim, T.R., Rahn, C.D., Bryngelsson, H. and Legnedahl, N. 2018. Elevated temperature for life extension of lithium ion power cells. Energy 159, pp. 716–723, https://doi.org/10.1016/j.ener....
 
6.
Geslin et al. 2025 – Geslin, A., Xu, L., Ganapathi, D., Moy, K., Chueh, W.C. and Onori, S. 2025. Dynamic cycling enhances battery lifetime. Nature Energy 10, pp. 172–180, https://doi.org/10.1038/s41560....
 
7.
Goodenough, J.B. and Kim, Y. 2011. Challenges for rechargeable batteries. Journal of Power Sources 196(16), pp. 6688–6694, https://doi.org/10.1016/j.jpow....
 
8.
How et al. 2020 – How, D.N.T., Hannan, M.A., Lipu, M.S.H., Sahari, K.S.M., Ker, P.J. and Muttaqi, K.M. 2020. State-of-Charge Estimation of Li-Ion Battery in Electric Vehicles: A Deep Neural Network Approach. IEEE Transactions on Industry Applications 56(5), pp. 5565–5574, https://doi.org/10.1109/tia.20....
 
9.
Khawaja et al. 2023 – Khawaja, Y., Shankar, N., Qiqieh, I., Alzubi, J., Alzubi, O., Nallakaruppan, M.K. and Padmanaban, S. 2023. Battery management solutions for li-ion batteries based on artificial intelligence. Ain Shams Engineering Journal 14(12), https://doi.org/10.1016/j.asej....
 
10.
Li et al. 2022 – Li, D., Wang, C., Cui, X., Chen, D., Fei, C. and Yang, Y. 2022. Recent progress and development of interface integrated circuits for piezoelectric energy harvesting. Nano Energy 94, https://doi.org/10.1016/j.nano....
 
11.
Lin et al. 2025 – Lin, C., Xu, J., Jiang, D., Hou, J., Liang, Y., Zou, Z. and Mei, X. 2025. Multi-model ensemble learning for battery state-of-health estimation: Recent advances and perspectives. Journal of Energy Chemistry 100, pp. 739–759, https://doi.org/10.1016/j.jech....
 
12.
Lipu et al. 2018 – Lipu, M.S.H., Hannan, M.A., Hussain, A., Hoque, M.M., Ker, P.J., Saad, M.H.M. and Ayob, A. 2018. A review of state of health and remaining useful life estimation methods for lithium-ion battery in electric vehicles: Challenges and recommendations. Journal of Cleaner Production 205, pp. 115–133, https://doi.org/10.1016/j.jcle....
 
13.
Qian et al. 2019 – Qian, F., Xu, T.-B. and Zuo, L. 2019. Piezoelectric energy harvesting from human walking using a two-stage amplification mechanism. Energy 189, https://doi.org/10.1016/j.ener....
 
14.
Raoofi, T. and Yıldız, M. 2023. Comprehensive review of battery state estimation strategies using machine learning for battery Management Systems of Aircraft Propulsion Batteries. Journal of Energy Storage 59, pp. 106486–106486, https://doi.org/10.1016/j.est.....
 
15.
Ray et al. 2020 – Ray, P.P., Dash, D. and Kumar, N. 2020. Sensors for internet of medical things: State-of-the-art, security and privacy issues, challenges and future directions. Computer Communications 160, pp. 111–131, https://doi.org/10.1016/j.comc....
 
16.
Raza et al. 2024 – Raza, A., Zulfiqar, H., Gong, Z., Chen, Y. and Chen, Y. 2024. A Comprehensive Review on Biomedical Sensors: Technological Advancements, Applications in Molecular Informatics, and Future Trends. Preprinty, https://doi.org/10.20944/prepr....
 
17.
Roman et al. 2021 – Roman, D., Saxena, S., Robu, V., Pecht, M. and Flynn, D. 2021. Machine learning pipeline for battery state of health estimation. Pre-print version of the article in Nature Machine Intelligence, https://doi.org/10.48550/arXiv....
 
18.
Sirigireddy, P. and Eladi, P.B. 2023. Analytical model of z-piezoelectric energy harvester for power generation from human physical activities. Physica Scripta 98(10), https://doi.org/10.1088/1402-4....
 
19.
Wei et al. 2020 – Wei, K., Zhang, L., Guo, Y. and Jiang, X. 2020. Health Monitoring Based on Internet of Medical Things: Architecture, Enabling Technologies, and Applications. IEEE Access 8, pp. 27468–27478, https://doi.org/10.1109/ACCESS....
 
20.
Werner et al. 2021 – Werner, D., Paarmann, S. and Wetzel, T. 2021. Calendar Aging of Li-Ion Cells – Experimental Investigation and Empirical Correlation. Batteries 7(2), https://doi.org/10.3390/batter....
 
21.
Woody et al. 2020 – Woody, M., Arbabzadeh, M., Lewis, G.M., Keoleian, G.A. and Stefanopoulou, A. 2020. Strategies to limit degradation and maximize Li-ion battery service lifetime – Critical review and guidance for stakeholders. Journal of Energy Storage 28, https://doi.org/10.1016/j.est.....
 
22.
Yang et al. 2020 – Yang, F., Wang, D., Xu, F., Huang, Z. and Tsui, K.-L. 2020. Lifespan prediction of lithium-ion batteries based on various extracted features and gradient boosting regression tree model. Journal of Power Sources 476, https://doi.org/10.1016/j.jpow....
 
23.
Zhu et al. 2023 – Zhu, J., Xu, W., Knapp, M., Darma, M.S.D., Mereacre, L., Su, P., Hua, W., Liu-Théato, X., Dai, H., Wei, X. and Ehrenberg, H. 2023. A method to prolong lithium-ion battery life during the full life cycle. Cell Reports Physical Science 4, https://doi.org/10.1016/j.xcrp....
 
24.
Zong et al. 2020 – Zong, L., Wu, W., Liu, S., Yin, H., Chen, Y., Liu, C., Fan, K., Zhao, X., Chen, X., Wang, F., Yang, Y., Wang, L. and Feng, S. 2020. Metal-free, active nitrogen-enriched, efficient bifunctional oxygen electrocatalyst for ultrastable zinc-air batteries. Energy Storage Materials 27, pp. 514–521, https://doi.org/10.1016/j.ensm....
 
eISSN:2720-569X
ISSN:1429-6675
Journals System - logo
Scroll to top