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.

Wpływ poziomu naładowania baterii na pojemność

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

Innym parametrem mierzącym poziom naładowania baterii jest poziom rozładowania baterii (DoD), który jest częściej 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, częste ładowanie do pełna (SoC = 100%) powoduje szybsze zużycie baterii litowo-jonowej. Z tego powodu, w wielu telefonach można ustawić maksymalne ładowanie baterii np. na poziomie 85%. Spowoduje to jej wzrost 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 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%.

Ładowanie do pełna jest zalecane 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).

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

Poziom naładowania 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, mające pokazać jak 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 nominalnej (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 na wzrost jej temperatury przed rozpoczęciem ładowania.

BMS – kontrola poziomu naładowania baterii

Poziom naładowania baterii jest ustalany 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.

Pewnym utrudnieniem może być niewielka zmienność niektórych parametrów. Bateria LFP wykazuje bardzo niewielką zmianę napięcia pomiędzy SoC bliskim zera a SoC powyżej 90%. Z tego powodu, jeżeli BMS nie jest bardzo precyzyjny, pomiar może być obciążony sporym błędem.

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

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 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