Poziom naładowania baterii SOC

Jednym z parametrów charakteryzujących pracę baterii litowo-jonowej jest jej poziom naładowania (SoC – State of Charge). O czym nam mówi poziom naładowania baterii oraz jaki jest jego wpływ na żywotność baterii litowo-jonowych dowiesz się poniżej.

Poziom naładowania baterii – wpływ na pojemność

Definicja poziomu naładowania baterii (SoC) jest prosta: określa jak „pełna” jest bateria, czyli ile energii (prądu) jeszcze pozostało do wykorzystania. SoC 100% to poziom naładowania baterii do pełna, natomiast SoC 0% oznacza „pustą” baterię.

Innym parametrem mierzącym poziom naładowania baterii jest poziom rozładowania baterii (DoD), który jest również stosowany do opisania stanu akumulatora. Oba parametry wydają się dość oczywiste. Jednak ich wpływ na żywotność akumulatora jest już mniej oczywisty.

Badania wykazują, że jeśli bateria jest często ładowana do 100% SoC, lub gdy przez długi czas pozostaje w pełni naładowana (np. telefon po naładowaniu jest przez jakiś czas nieużywany / wyłączony), wówczas następuje przyspieszone zmniejszanie się dostępnej pojemności baterii. Innymi słowy, częsty poziom naładowania baterii SoC 100%, powoduje szybsze zużycie baterii litowo-jonowej. Z tego powodu, w wielu telefonach można ustawić maksymalne SoC baterii np. na poziomie 85%. Spowoduje to wydłużenie jej żywotności.

Naładowanie baterii do pełna i ciągłe jej podładowywanie (zamiast odłączenia od ładowarki) wpływa niekorzystnie na jej żywotność. Wiele osób ładuje baterie do pełna, gdyż od poziomu SoC akumulatora zależy, na ile wystarczy magazyn energii, jednak często producenci tego nie zalecają.

Poniższa tabela prezentuje porównanie dostępnej pojemności akumulatora po upływie roku w zależności od temperatury.

Jak wynika z powyższych danych, pełne naładowanie akumulatora litowo-jonowego powoduje jego przyspieszoną degradację. Dodatkowo, poziom degradacji baterii wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

W związku z tym, iż ładowanie magazynu energii do pełna powoduje przyspieszoną degradację, w celu wydłużenia żywotności baterii zalecany poziom naładowania nie powinien osiągać 100%. Np. Tesla zaleca aby ładować baterie nie więcej niż do 90%.

Tesla zaleca ładowanie do pełna tylko w przypadku dłuższych podróży.

Występują jednak różnice wpływu poziomu SoC na szybkość degradacji baterii, w zależności od składu chemicznego ogniw. Ogniwa LFP (stosowane powszechnie w magazynach energii i chińskich samochodach elektrycznych) lepiej znoszą wysokie poziomy naładowania niż ogniwa NMC (stosowane na ogół w europejskich samochodach elektrycznych).

Dlaczego wysoki poziom SoC powoduje przyspieszoną degradację baterii litowo-jonowej

Główną przyczyną spadku pojemności baterii LFP jest zmniejszenie ilości litu dostępnego w ogniwach bateryjnych (lithium inventory loss). Chodzi tutaj o lit (a konkretnie jony litu), który znajduje się w akumulatorze między elektrodą dodatnią a ujemną. Jeśli więc ulegnie zmniejszeniu całkowita ilość litu, która może się przemieścić z jednej strony ogniwa na drugą, oznacza to, że do dyspozycji pozostaje mniejsza całkowita pojemność. Mniejsza pojemność oznacza, że bateria nie jest tak użyteczna jak dawniej.

Utrzymywanie akumulatora w stanie pełnego naładowania powoduje powstawanie szkodliwych związków chemicznych, które zużywają lit. Podczas cyklicznego doładowywania akumulatora do wysokich poziomów SoC, szkodliwe związki rozpuszczają żelazo i osadzają je na elektrodzie ujemnej zużywając lit.

Zobacz, jaki magazyn energii do fotowoltaiki, jaka jest opłacalność, ceny, zasady doboru, trwałość, i wiele więcej.

Poziom naładowania baterii w niskich temperaturach

Nie tylko zbyt wysokie temperatury mają negatywny wpływ na pojemność baterii. Jednak o ile w wysokich temperaturach zmiany mogą być nieodwracalne, z powodu rozpadu elektrolitu, o tyle w niskich temperaturach spadek pojemności może być przejściowy.

Na Uniwersytecie w Melbourne w Australii przeprowadzono badania, pokazujące w jaki sposób niskie temperatury wpływają na parametry ogniw litowo-jonowych:

Wyniki badań pokazały, iż w niskich temperaturach baterie li-ion wykazują znaczny spadek pojemności. Na przykład, w temperaturze -10⁰C, podczas ładowania osiągały poziom 88% nominalnej pojemności (SoC 88%). Czyli baterię udało się naładować do poziomu 88%. Natomiast podczas rozładowywania można było uzyskać jedynie 85% pojemności (DoD 85%).

Do uszkodzenia ogniw litowo-jonowych w niskich temperaturach może dojść podczas ładowania baterii, szczególnie ładowania wysokim prądem. Dlatego większość magazynów energii nie może być ładowana w temperaturach poniżej zera stopni Celsjusza. Jeżeli producent pozwala ładować baterię na mrozie, odbywa się to najczęściej przy niskim prądzie i bateria musi posiadać mechanizm umożliwiający podniesienie jej temperatury przed rozpoczęciem ładowania.

Kontrola poziomu naładowania baterii przy pomocy BMS

Poziom naładowania baterii jest kontrolowany przez system zarządzania baterią, zwany BMS (Battery Management System). BMS pobiera informacje takie jak napięcie ogniwa bateryjnego, natężenie prądu czy temperatura. Na podstawie tych parametrów ustalany jest poziom SoC magazynu energii.

Napięcie ogniwa bateryjnego a poziom SoC

Pewnym utrudnieniem kontroli poziomu naładowania baterii, może być niewielka zmienność napięcia. Bateria LFP wykazuje bardzo niewielką zmianę napięcia w dużym zakresie pracy. Z tego powodu, jeżeli BMS nie jest bardzo precyzyjny, odczyt może być obciążony sporym błędem.

W przypadku baterii NMC, różnica napięć jest znacznie większa, niż dla LFP. Dlatego akumulatory NMC jest łatwiej kontrolować.

Ogniwa NMC pracują przy wyższym napięciu niż LFP, ale co istotniejsze, ogniwo LFP ma znacznie bardziej płaską krzywą napięcia w porównaniu do ogniwa NMC, które ma bardziej strome nachylenie.
Jak więc określić, ile procent naładowania baterii pozostało?

W przypadku ogniwa NMC jest to stosunkowo proste – łatwo można na wykresie odczytać zależność napięcia od poziomu naładowania. Jednak dla ogniwa LFP odczyt napięcia np. 3,3 V może oznaczać od 40% do 70% dostępnej pojemności, ponieważ wykres jest na tym odcinku bardzo płaski.

W takiej sytuacji dodatkowo dokonuje się pomiaru prądu wchodzącego i wychodzącego z ogniwa, czyli można powiedzieć oblicza się, ile elektronów wyszło z ogniwa a ile do niego wróciło aby ustalić jaki jest poziom naładowania.

Z upływem czasu odczyt staje się coraz mniej dokładny, a przecież użytkownik magazynu energii (lub kierowca samochodu elektrycznego) musi wiedzieć, jaki procent baterii jest dostępny.

Więc jak skorygować obliczenia, gdy zaczną stawać się coraz mniej precyzyjne? Krzywa zależności SoC baterii od napięcia ma skokowy wzrost dla 100% naładowania. A zatem, ładując do 100% SoC baterii LFP, system może się ponownie skalibrować. Dlatego niektórzy producenci, np. Ford zalecają ładowanie do 100%, bo w przeciwnym wypadku poprawne ustalenie SoC dla baterii LFP może być kłopotliwe.

Sposób obliczania SoC ogniwa bateryjnego pokazano na filmie (można włączyć polskie napisy):

Z kolei BYD w swojej instrukcji pisze:

Nie można zmierzyć SOC akumulatora LFP. Jest to wartość obliczeniowa. Ogólnie rzecz biorąc, stan naładowania (SOC) akumulatora jest obliczany na podstawie napięcia, ale inne czynniki, takie jak temperatura, przepływ prądu i sposób ładowania, również odgrywają rolę. Obliczenie stanu naładowania jest generalnie bardziej precyzyjne, jeśli akumulator regularnie wykonuje pełne cykle. Od czasu do czasu może wystąpić korekta / kalibracja SOC. Jest to normalne zjawisko.

Najlepsze praktyki dotyczące ładowania baterii LFP

W raporcie z badań nad ogniwami LFP opublikowanych w Journal Of Electrochemical Society, badacze zalecają:

• Ładuj magazyn energii lub samochód elektryczny do 100% co najmniej raz w miesiącu. Nie chodzi tu o trwałość baterii, ale bardziej o poprawną informację, jaki jest poziom naładowania, co jest oczywiście istotnym wskaźnikiem podczas jazdy samochodem lub pracy magazynu energii, szczególnie, gdy jest awaria sieci.
• Jeśli z jakiegoś powodu nie używasz magazynu energii przez dłuższy czas, lub garażujesz samochód elektryczny, pozostaw baterię LFP naładowaną do np. 50%. Jak już wcześniej mówiliśmy, żywotność baterii jest negatywnie skorelowana z wysokim poziomem naładowania. Wyższy poziom naładowania SoC odpowiada wyższemu napięciu na baterii, co prowadzi do jej degradacji. Przechowując baterię naładowaną do 50%, przechowujesz ją przy niższym napięciu, co oznacza, że będzie ona degradować wolniej.

Stan zużycia baterii (SoH) a jej poziom naładowania

Innym zjawiskiem wpływającym na dokładność pomiaru jest degradacja akumulatora. Z upływem czasu dostępna pojemność ulega zmniejszeniu. Łatwo to zauważyć np. w przypadku telefonu. Stary telefon wymaga częstszego ładowania niż nowy – wyeksploatowana bateria ma mniejszą pojemność niż nowa. Zjawisko to określane jest skrótem SoH – State of Health, czyli stan zdrowia lub stan zużycia baterii. System BMS musi uwzględnić zmiany wynikające z degradacji.

Podsumowanie

• Poziom naładowania baterii (SoC) informuje o ilości dostępnej energii
• Poziom naładowania baterii Li-ion ma wpływ na jej żywotność, jednak wielkość wpływu zależy od składu chemicznego ogniw bateryjnych
• Temperatura otoczenia wpływa na poziom SoC – czym niższa temperatura poniżej 25⁰C, tym mniejszy SoC