Poziom naładowania baterii SOC – co to jest?
Co to jest poziom naładowania baterii SOC?
Stan naładowania baterii, określany jako SoC (State of Charge), wskazuje ilość energii dostępnej w danym momencie w odniesieniu do całkowitej pojemności akumulatora. Parametr ten umożliwia bieżące monitorowanie zasobów energetycznych pozostających do wykorzystania. Odpowiednie zarządzanie poziomem naładowania ma istotne znaczenie dla żywotności baterii litowo-jonowych. Regularne ładowanie do pełnej pojemności lub głębokie rozładowywanie może przyspieszyć proces starzenia się ogniw. Najlepsze rezultaty osiąga się poprzez utrzymywanie poziomu naładowania w zakresie, który minimalizuje obciążenie struktury chemicznej baterii.
Przeczytaj także:
- Jakie są najczęstsze problemy z pompami ciepła?
- Bufor w instalacji grzewczej – co to jest i jak wpływa na pompę ciepła?
- Jaki kabel do fotowoltaiki? Zasady obliczania przekroju
W jaki sposób poziom naładowania akumulatora wpływa na stan baterii?
Poziom energii zgromadzonej w akumulatorze w stosunku do jego całkowitej pojemności określany jest jako stan naładowania baterii. Parametr ten pozwala ocenić, ile energii pozostaje jeszcze do wykorzystania. Regularne kontrolowanie tego wskaźnika sprzyja zachowaniu długiej żywotności baterii litowo-jonowych. Częste ładowanie do pełna lub głębokie rozładowywanie może przyczyniać się do szybszego zużycia ogniw. Utrzymywanie poziomu naładowania w zakresie korzystnym dla struktury chemicznej akumulatora pozwala ograniczyć procesy degradacyjne i wydłużyć czas jego użytkowania.
Temperatura 40% naładowania 100% naładowania
0°C 98% (po 1 roku) 94% (po 1 roku)
25°C 96% (po 1 roku) 80% (po 1 roku)
40°C 85% (po 1 roku) 65% (po 1 roku)
60°C 75% (po 1 roku) 60% (po 3 miesiącach)
Analiza danych przedstawionych w tabeli wskazuje, że tempo utraty pojemności akumulatora litowo-jonowego po roku użytkowania jest silnie uzależnione od warunków otoczenia oraz poziomu naładowania. Wysoka temperatura w połączeniu z pełnym naładowaniem powoduje szybsze obniżanie dostępnej pojemności ogniw.
Aby spowolnić proces degradacji i zachować efektywność pracy magazynu energii, zaleca się unikanie całkowitego ładowania akumulatorów. Warto także uwzględnić fakt, że wpływ poziomu naładowania na zużycie ogniw nie jest jednakowy dla wszystkich technologii. Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP), powszechnie stosowane w magazynach energii, lepiej znoszą wysokie stany naładowania niż ogniwa typu NMC, które najczęściej wykorzystuje się w europejskich samochodach elektrycznych.
Czy wysoki poziom SoC wpływa na degradację baterii litowo-jonowych?
Spadek pojemności baterii litowo-żelazowo-fosforanowych wynika głównie z ograniczenia ilości litu zdolnego do przemieszczania się pomiędzy elektrodami. Zjawisko to prowadzi do zmniejszenia dostępnej pojemności, co obniża sprawność akumulatora.
W sytuacji, gdy ogniwo przez dłuższy czas pozostaje w stanie wysokiego naładowania, wewnątrz baterii zachodzą reakcje chemiczne skutkujące tworzeniem się niepożądanych związków. Reakcje te powodują rozpuszczanie żelaza i jego osadzanie się na elektrodzie ujemnej. Jednocześnie część jonów litu zostaje związana w trwały sposób, co uniemożliwia ich dalszy udział w cyklach ładowania i rozładowywania. W efekcie następuje stopniowe zużycie akumulatora oraz ograniczenie jego funkcjonalności.
Wartości SoC i DoD a niskie temperatury i pojemność akumulatora
Nie tylko wysokie temperatury przyczyniają się do pogorszenia właściwości akumulatorów. Choć działanie w takich warunkach może prowadzić do trwałych uszkodzeń, na przykład wskutek rozkładu elektrolitu, również niskie temperatury mają wpływ na kondycję baterii, jednak w większości przypadków jest on odwracalny.
Badania przeprowadzone na Uniwersytecie w Melbourne w Australii pozwoliły zbadać, jak chłodne warunki oddziałują na ogniwa litowo-jonowe. Eksperymenty wykazały, że w niskich temperaturach następuje spadek dostępnej pojemności, który ustępuje po powrocie do cieplejszego otoczenia. Za to zjawisko odpowiada ograniczona przewodność elektrolitu oraz zmniejszona mobilność jonów, co tymczasowo obniża sprawność akumulatora.
Temperatura SoC akumulatora – poziom naładowania DoD – poziom rozładowania
25°C 100% 100%
-5°C 93% 92%
-10°C 88% 85%
-15°C 77% 82%
W badaniach stwierdzono, że ogniwa litowo-jonowe w warunkach niskiej temperatury wykazują znaczne ograniczenie pojemności. Przy temperaturze -10°C podczas ładowania osiągano około 88% wartości nominalnej, a w trakcie rozładowywania dostępna była pojemność na poziomie 85%.
Ryzyko uszkodzenia akumulatorów w niskich temperaturach jest szczególnie wysokie w fazie ładowania, zwłaszcza przy zastosowaniu zbyt dużego prądu. Z tego powodu wiele systemów magazynowania energii uniemożliwia ładowanie poniżej 0°C. Tam, gdzie dopuszcza się ładowanie w takich warunkach, zazwyczaj obowiązuje ograniczenie prądu, a akumulatory wyposażane są w mechanizmy podgrzewające, które zapewniają odpowiednią temperaturę przed rozpoczęciem procesu ładowania.
Czy można kontrolować stan naładowania magazynu energii przez BMS?
Poziom energii zgromadzonej w akumulatorze nadzorowany jest przez układ zarządzania baterią, czyli BMS. System ten nieustannie analizuje wartości napięcia, natężenia prądu oraz temperatury i na tej podstawie określa aktualny stan naładowania.
W akumulatorach typu LFP występuje niewielka zmienność napięcia w szerokim zakresie pracy. Może to powodować trudności w precyzyjnym określeniu poziomu naładowania bez odpowiednio zaawansowanego systemu pomiarowego. Natomiast ogniwa NMC, pracujące przy wyższych napięciach, wykazują wyraźniejszą zależność między napięciem a poziomem energii, co ułatwia ich kontrolę.
W sytuacji, gdy samo napięcie nie wystarcza do oceny stanu baterii, dodatkowo mierzy się przepływ prądu, obliczając ilość energii oddanej i pobranej przez akumulator. Metoda ta jednak z czasem traci na dokładności. Dlatego, aby przywrócić prawidłowe wskazania, wykonuje się pełne ładowanie ogniwa do 100%. W tym momencie napięcie rośnie skokowo, a to pozwala systemowi ponownie wyznaczyć właściwy punkt odniesienia. Z tego powodu niektórzy producenci zalecają regularne przeprowadzanie pełnych cykli ładowania.
Czy da się wydłużyć żywotność baterii?
W artykule opublikowanym w Journal of Electrochemical Society dotyczącym ogniw litowo-żelazowo-fosforanowych przedstawiono zalecenia dotyczące ich eksploatacji. Podkreślono, że zaleca się okresowe ładowanie akumulatora do pełnej pojemności przynajmniej raz na miesiąc. Działanie to nie ma na celu zwiększenia trwałości baterii, lecz zapewnienie precyzyjnych wskazań poziomu energii dostępnej w ogniwach. Ma to istotne znaczenie w przypadku systemów zasilania awaryjnego lub użytkowania pojazdów elektrycznych.
W sytuacji, gdy bateria LFP nie będzie wykorzystywana przez dłuższy czas, rekomenduje się jej przechowywanie przy częściowym naładowaniu, na przykład na poziomie około 50% pojemności. Taki stan magazynowania ogranicza napięcie wewnętrzne, co zmniejsza ryzyko wystąpienia procesów przyspieszających degradację materiałów aktywnych. Ponadto umożliwia utrzymanie dobrego stanu technicznego akumulatora przez dłuższy czas.
O czym informuje wskaźnik SoH, czyli stan zużycia baterii?
Na dokładność oceny poziomu energii w akumulatorze wpływa również naturalny proces starzenia się ogniw. Z upływem lat zmniejsza się dostępna pojemność akumulatora, co można zauważyć, chociażby na przykładzie smartfonów, które po kilku latach pracy wymagają coraz częstszego ładowania. Zjawisko to wynika z ograniczenia ilości energii, jaką bateria jest w stanie jeszcze zmagazynować i oddać.
Proces ten określany jest jako stan techniczny baterii, oznaczany skrótem SoH (State of Health), który wskazuje na ogólny poziom zużycia ogniw. W systemach zarządzania energią opartych na BMS (Battery Management System) konieczne jest uwzględnianie tych zmian, aby możliwe było precyzyjne określanie czasu pracy lub aktualnego poziomu naładowania. Dzięki odpowiednim korektom, które biorą pod uwagę zmniejszającą się pojemność, system nadal może przekazywać użytkownikowi wiarygodne informacje o stanie akumulatora.