SOH и SOC аккумулятора¶

SOH (State of Health, состояние здоровья) и SOC (State of Charge, состояние заряда) — два ключевых показателя, используемых для оценки состояния аккумуляторных батарей. SOC отражает текущий уровень заряда относительно полной ёмкости, а SOH характеризует, насколько батарея сохранила свою первоначальную ёмкость и способность удерживать заряд по сравнению с состоянием новой ячейки. Оба параметра являются центральными в системах управления батареями (BMS — Battery Management System) и применяются в электромобилях, портативной электронике, системах резервного питания и накопителях энергии.

¶SOC: состояние заряда

SOC измеряется в процентах от 0 % (полностью разряженная батарея) до 100 % (полностью заряженная). По сути, это «топливный индикатор» аккумулятора. Определение SOC не является тривиальной задачей, поскольку прямых электрических методов измерения остатка заряда не существует — приходится использовать косвенные методы.

¶Методы определения SOC

• Кoulометрия (интегрирование тока) — метод заключается в подсчёте «входящего» и «выходящего» тока во времени. Заряд, поданный в батарею, суммируется, а израсходованный вычитается. Метод прост, но накапливает ошибку со временем, поэтому периодически требует корректировки по точным точкам (полный заряд или полный разряд).
• Измерение напряжения — напряжение на клеммах батареи зависит от степени заряженности. Метод применим в основном в состоянии покоя, поскольку под нагрузкой напряжение «просаживается».
• Импедансные методы — измеряют внутреннее сопротивление батареи, которое меняется в зависимости от степени заряженности.
• Модельные методы — алгоритмы на основе эквивалентных электрических схем или нейронных сетей, сочетающие данные о токе, напряжении и температуре.

В реальных BMS обычно применяется комбинация методов: кoulометрия как основа, корректируемая по напряжению в состоянии покоя и по точкам полного заряда/разряда.

¶SOH: состояние здоровья

SOH отражает износ батареи и выражается в процентах относительно номинальной ёмкости, заявленной производителем. Новая батарея имеет SOH ≈ 100 %; по мере старения и деградации этот показатель снижается. Для литий-ионных аккумуляторов принято считать батарею «конченной» (end of life) при снижении SOH до 70–80 % от первоначальной ёмкости, хотя электромобиль при этом остаётся работоспособным, просто сокращается запас хода.

¶Причины деградации SOH

• Циклическое старение — деградация, связанная с числом циклов заряд-разряд. При каждом цикле происходит необратимая потеря части ёмкости из-за роста твёрдого электролитного интерфейса (SEI-слоя) на аноде, деградации катодного материала и потери электролита.
• Календарное старение — деградация, происходящая даже при хранении батареи, особенно при высоких температурах и высокой степени заряженности.
• Воздействие температуры — работа при экстремально низких или высоких температурах ускоряет износ. Оптимальный диапазон для литий-ионных батарей — 15–35 °C.
• Режим эксплуатации — глубокие разряды, постоянная работа на 100 % заряда, быстрая зарядка токами выше рекомендованных ускоряют деградацию.

¶Методы определения SOH

SOH оценивают по снижению доступной ёмкости (в ампер-часах) относительно номинальной, по росту внутреннего сопротивления, а также по изменению кривых заряда/разряда. Встроенные алгоритмы BMS отслеживают накопленную энергию, число циклов и условия эксплуатации, на основании чего прогнозируют остаточный ресурс.

¶Связь между SOH и SOC

Показатели тесно взаимосвязаны: SOC всегда вычисляется относительно текущей ёмкости батареи, которая и определяется SOH. Деградировавшая батарея с SOH = 80 % при индикаторе SOC = 100 % фактически содержит лишь 80 % заряда новой батареи. Поэтому корректная работа BMS требует постоянного пересчёта «полного» объёма батареи по мере снижения SOH.

¶Применение

• Электромобили — SOH определяет остаточный запас хода и стоимость б/у электромобиля; SOC — «дальность до пустого бака». Производители (Tesla, Nissan, китайские бренды) публикуют данные о деградации: типичная потеря — 10–20 % ёмкости за первые 5 лет или 150–250 тыс. км.
• Портативная электроника — индикатор заряда в смартфонах и ноутбуках отображает SOC, а калибровка показаний связана с деградацией SOH.
• Стационарные накопители энергии — SOH критичен для оценки экономики проекта и графика замены батарейных модулей.
• Промышленные ИБП — SOH свинцово-кислотных и литий-ионных батарей определяет надёжность резервного питания.

¶Ограничения показателей

Ни SOC, ни SOH не являются физически измеряемыми величинами — оба являются результатом расчёта и оценки алгоритмами BMS. Точность SOC зависит от качества калибровки и метода, а точность SOH — от глубины тестирования батареи. Производители электроники нередко завышают или занижают показатели по маркетинговым соображениям, поэтому реальное значение параметров может отличаться от отображаемого.

Источники:

• Википедия: «Система управления батареей», «Литий-ионный аккумулятор»
• Cugnet M. et al. «A review of ultracapacitor and battery modeling and simulation»
• Barré A. et al. «A review on lithium-ion battery ageing mechanism and estimation model for life prediction», Journal of Power Sources, 2013
• Han S. et al. «A review on the key issues of the lithium ion battery degradation among the whole life cycle», eTransportation, 2019