Poziom naładowania baterii SOC – co to jest?

Poziom naładowania baterii, określany jako SoC (State of Charge), odnosi się do ilości energii dostępnej w danym momencie w stosunku do pełnej pojemności akumulatora. Parametr ten pozwala na bieżąco ocenić, jaką część zasobów energetycznych można jeszcze wykorzystać. Zarządzanie poziomem naładowania odgrywa istotną rolę w kontekście trwałości baterii litowo-jonowych. Zbyt częste ładowanie do pełna lub rozładowywanie do bardzo niskiego poziomu może prowadzić do przyspieszonego zużycia ogniw. Optymalne funkcjonowanie systemu zakłada utrzymywanie poziomu naładowania w przedziale, który nie obciąża nadmiernie struktury chemicznej akumulatora.

Przeczytaj także:

• Zabezpieczenie instalacji fotowoltaicznej. Co powinno być w rozdzielni?
• Jakie są zabezpieczenia nadprądowe strony AC i DC?
• Dobór mocy falownika do instalacji fotowoltaicznej

Jak poziom naładowania baterii wpływa na jej pojemność?

Stan naładowania baterii opisuje ilość zgromadzonej energii w odniesieniu do całkowitej pojemności akumulatora. Dzięki temu wskaźnikowi możliwe jest określenie, jak duży zasób energetyczny pozostaje jeszcze do dyspozycji. Prawidłowe monitorowanie tego parametru ma istotne znaczenie dla utrzymania dobrej kondycji baterii litowo-jonowych przez długi czas. Ciągłe doprowadzanie do pełnego naładowania lub zbyt głębokiego rozładowania może negatywnie wpłynąć na trwałość ogniw. Aby ograniczyć tempo ich degradacji, zaleca się utrzymywanie poziomu energii w granicach, które nie powodują nadmiernych obciążeń chemicznych wewnątrz akumulatora.

Dane zestawione w tabeli pokazują, że stopień utraty pojemności akumulatora litowo-jonowego po upływie roku wyraźnie zależy zarówno od temperatury otoczenia, jak i od poziomu naładowania. Im wyższa temperatura i im większy stopień naładowania, tym większy spadek dostępnej pojemności.

Pełne ładowanie w połączeniu z wysoką temperaturą prowadzi do znacznie szybszego zużycia ogniw. Aby ograniczyć ten proces i utrzymać sprawność magazynu energii na odpowiednim poziomie, zaleca się unikanie ładowania akumulatora do pełna.

Wpływ stanu naładowania na szybkość degradacji nie jest jednakowy dla wszystkich typów akumulatorów. Ogniwa litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP), szeroko wykorzystywane m.in. w systemach magazynowania energii, wykazują większą odporność na utrzymywanie wysokiego poziomu energii niż ogniwa NMC, stosowane głównie w europejskich pojazdach elektrycznych.

Wysoki poziom SoC a degradacja baterii litowo-jonowej

Spadek pojemności baterii litowo-żelazowo-fosforanowych wiąże się przede wszystkim z ograniczeniem ilości litu zdolnego do przemieszczania się między elektrodami. Proces ten skutkuje zmniejszeniem dostępnej pojemności, co przekłada się na niższą efektywność akumulatora.

Gdy akumulator pozostaje przez dłuższy czas w stanie wysokiego naładowania, w jego wnętrzu zachodzą reakcje chemiczne prowadzące do powstawania niepożądanych związków. W wyniku tych reakcji dochodzi do rozpuszczania żelaza i jego osadzania na elektrodzie ujemnej. Jednocześnie część jonów litu zostaje trwale związana, co ogranicza ich dalszą zdolność do uczestnictwa w procesach ładowania i rozładowywania. Skutkiem tego jest postępujące zużycie i utrata funkcjonalności akumulatora.

Wartości SoC i DoD w niskich temperaturach

Nie tylko wysokie temperatury prowadzą do pogorszenia parametrów akumulatorów. Choć działanie w takich warunkach może powodować trwałe uszkodzenia, na przykład poprzez rozpad elektrolitu, niskie temperatury również oddziałują na baterie, jednak ich wpływ zazwyczaj ma charakter odwracalny.

Badania przeprowadzone na Uniwersytecie w Melbourne w Australii pozwoliły przeanalizować, jak chłodne warunki wpływają na właściwości ogniw litowo-jonowych. Wyniki eksperymentów wskazują, że w niskich temperaturach obserwuje się spadek dostępnej pojemności, który jednak ustępuje po powrocie do cieplejszego środowiska. To zjawisko wynika z ograniczonej przewodności elektrolitu oraz zmniejszonej mobilności jonów, co chwilowo osłabia działanie baterii.

Badania wykazały, że ogniwa litowo-jonowe w niskich temperaturach cechują się wyraźnym ograniczeniem pojemności. Przykładowo, przy -10°C podczas ładowania udawało się osiągnąć jedynie 88% wartości nominalnej, natomiast w trakcie rozładowywania dostępna była pojemność rzędu 85%.

Zagrożenie uszkodzeniem tych akumulatorów przy niskich temperaturach dotyczy szczególnie etapu ładowania, zwłaszcza gdy prąd ładowania jest zbyt wysoki. Z tego względu wiele systemów magazynowania energii nie dopuszcza ładowania poniżej 0°C. W przypadkach, gdy dopuszcza się taką możliwość, zazwyczaj obowiązuje ograniczenie prądu ładowania, a sam akumulator musi być wyposażony w system umożliwiający wcześniejsze podgrzanie do odpowiedniego poziomu temperatury przed rozpoczęciem procesu.

Jak kontrolować poziom naładowania akumulatora przy pomocy BMS?

Poziom naładowania akumulatora kontrolowany jest przez system zarządzający pracą baterii, czyli BMS. System ten monitoruje parametry takie jak napięcie, natężenie prądu oraz temperatura, a na ich podstawie wyliczany jest aktualny stan naładowania.

W przypadku akumulatorów typu LFP, problematyczne może być to, że napięcie zmienia się w bardzo niewielkim stopniu w szerokim zakresie pracy. Taka charakterystyka powoduje, że bez odpowiednio precyzyjnego systemu odczyty mogą być obarczone dużym błędem. Z kolei ogniwa NMC, które pracują przy wyższych napięciach, oferują bardziej wyraźną zależność napięcia od poziomu naładowania, co ułatwia kontrolę.

W sytuacji, gdy napięcie nie dostarcza wystarczającej informacji o stanie akumulatora, stosowany jest dodatkowy pomiar przepływu prądu – oblicza się ilość energii, która opuściła i powróciła do ogniwa. Takie podejście pozwala lepiej oszacować pozostałą pojemność, jednak z biegiem czasu może tracić na dokładności.

Aby przywrócić precyzję odczytu, stosuje się pełne ładowanie baterii do 100%. W tym punkcie charakterystyka napięciowa wykazuje skokowy wzrost, co pozwala systemowi ponownie ustawić właściwy poziom odniesienia. Z tego względu producenci niektórych urządzeń zalecają okresowe pełne ładowanie, aby utrzymać dokładność wskazań poziomu naładowania.

Jak wydłużyć żywotność baterii w magazynie energii?

W opublikowanym w Journal of Electrochemical Society opracowaniu dotyczącym ogniw litowo-żelazowo-fosforanowych, przedstawiono zalecenia dotyczące ich użytkowania. Zwrócono uwagę na potrzebę okresowego ładowania akumulatora do pełna, co najmniej raz w miesiącu. Celem tego działania nie jest poprawa trwałości samej baterii, lecz zapewnienie dokładnych danych dotyczących poziomu zgromadzonej energii, co ma znaczenie podczas korzystania z systemu zasilania awaryjnego lub jazdy pojazdem elektrycznym.

W przypadku, gdy urządzenie z baterią LFP nie będzie używane przez dłuższy czas, zaleca się pozostawienie jej z częściowym poziomem energii – na przykład na poziomie około połowy pojemności. Taki sposób przechowywania wpływa korzystnie na trwałość ogniw, ponieważ niższy poziom zgromadzonego ładunku oznacza również niższe napięcie wewnętrzne, co ogranicza procesy prowadzące do degradacji materiałów aktywnych. Dzięki temu bateria może dłużej zachować swoje właściwości użytkowe.

Co to jest SoH, czyli stan zużycia baterii?

Na dokładność pomiaru poziomu energii w akumulatorze wpływa również naturalny proces zużywania się ogniw. Wraz z upływem czasu zmniejsza się ilość dostępnej pojemności, co można zaobserwować chociażby na przykładzie telefonu komórkowego, który po kilku latach użytkowania wymaga częstszego ładowania. Taka zmiana jest wynikiem ograniczenia zasobów energetycznych, jakie bateria może jeszcze zgromadzić i oddać.

Zjawisko to określane jest jako stan techniczny baterii, opisany skrótem SoH (State of Health), oznaczającym ogólny stopień zużycia. W systemie zarządzania energią funkcjonującym w ramach BMS (Battery Management System), konieczne jest uwzględnienie tych zmian w celu dokładnego określania pozostałego czasu działania lub stopnia naładowania. Dzięki odpowiednim korektom uwzględniającym stopniową utratę pojemności, system może dostarczać użytkownikowi rzetelne informacje o aktualnym stanie baterii.