I. Принцип SOH: что он отражает?

Суть показателя SOH заключается в количественной оценке степени старения аккумулятора. Это старение в основном отражается в двух аспектах, которые также являются физической основой расчета показателя SOH:

1. Уменьшение емкости

Это самое основное и интуитивно понятное проявление SOH. После длительного использования общий объём заряда, который аккумулятор может хранить и отдавать, необратимо уменьшается.

· Физические принципы:

o Потеря активного лития: во время циклирования электролит вступает в побочные реакции с поверхностью электрода, образуя твёрдую электролитную плёнку. Эта плёнка продолжает расти и поглощает доступные свободные ионы лития, что приводит к уменьшению количества «эффективного лития», участвующего в реакциях заряда и разряда.

o Деградация структуры материала электрода: кристаллическая структура материалов положительного и отрицательного электродов претерпевает необратимые фазовые переходы, растворение или разрушение во время многократного введения и извлечения ионов лития, что приводит к уменьшению «позиций» для хранения ионов лития или снижению их способности делать это.

Результат: новый аккумулятор номинальной ёмкостью 100 А·ч может после нескольких лет эксплуатации выдать только 80 А·ч после полной зарядки и последующей разрядки. Его ёмкость (SOH) составляет (80 А·ч / 100 А·ч) * 100% = 80%.

2. Снижение производительности (увеличение внутреннего сопротивления)

Внутреннее сопротивление аккумулятора определяет его рабочее напряжение и тепловыделение при зарядке и разрядке. Повышенное внутреннее сопротивление приводит к снижению производительности аккумулятора.

• Физические принципы:

* Повышенное омическое внутреннее сопротивление: коррозия токосъемника, повышенное контактное сопротивление между материалом электрода и токосъемником и т. д.

* Повышенное электрохимическое поляризационное внутреннее сопротивление: из-за вышеупомянутого утолщения пленки SEI и снижения активности материала электрода ионам лития становится труднее интеркалировать и деинтеркалировать в электроде, что замедляет скорость реакции.

* Увеличение внутреннего сопротивления концентрационной поляризации: скорость переноса ионов лития в электролите замедляется.

Результаты: При разряде с такой же высокой скоростью падение напряжения нового аккумулятора очень незначительно, в то время как напряжение старого аккумулятора резко падает, что приводит к преждевременному срабатыванию защиты от низкого напряжения, не позволяя полностью высвободить энергию и приводя к более сильному нагреву аккумулятора. Его степень разряда (SOH) можно рассчитать по увеличению внутреннего сопротивления.

II. Роль SOH: почему это так важно? Состояние гармонии (SOH) — это не абстрактный академический показатель; оно играет решающую роль на протяжении всего жизненного цикла аккумулятора, особенно с точки зрения безопасности и экономической эффективности.

1. Для пользователей:

· Оценка оставшегося заряда батареи и ожидаемого срока службы:

* Электромобили: показатель SOH является ключевым показателем стоимости подержанного автомобиля. Он напрямую отражает оставшийся запас хода автомобиля. Пользователи могут использовать показатель SOH, чтобы определить, действует ли гарантия на аккумулятор (например, производители обычно обещают «SOH не ниже 70% в течение 8 лет или 160 000 километров»).

* Системы накопления энергии: помогает пользователям оценить фактическую пропускную способность системы накопления энергии и выполнить расчеты экономической выгоды.

· Формирование привычек использования: понимание тенденции к снижению уровня заряда батареи позволяет пользователям более рационально использовать и обслуживать ее, замедляя тем самым ее старение.

2. Для систем управления батареями (BMS):

Это основная область Роль SOH. Система BMS использует информацию SOH для динамической корректировки своих стратегий управления для достижения целей безопасности, эффективности и долговечности.

• Оптимизированная стратегия заряда/разряда:

o Ограничение мощности: по мере уменьшения SOH (увеличения внутреннего сопротивления) BMS постепенно ограничивает максимальную мощность заряда/разряда аккумулятора, чтобы предотвратить перезаряд/переразряд и чрезмерное тепловыделение, обеспечивая безопасность.

o Базовый уровень расчёта ёмкости: BMS рассчитывает остаточный запас хода (SOC) на основе базового уровня «полной ёмкости», который представляет собой текущую максимальную полезную ёмкость, корректируемую в режиме реального времени в соответствии с SOH. Аккумулятор с SOH 80%, даже если SOC показывает 100%, имеет лишь 80% от своей первоначальной ёмкости.

• Обеспечение безопасной эксплуатации:

o Стареющие аккумуляторы (обычно с низким уровнем SOH) имеют более нестабильные внутренние химические системы и более высокий риск теплового разгона. Система управления аккумулятором может перейти в более консервативный режим управления на основе значения SOH, усиливая мониторинг и защиту.

• Достижение сбалансированного управления:

o Информация SOH помогает BMS более разумно определить, есть ли несоответствия в ячейках внутри аккумуляторная батарея вызваны обратимыми несоответствиями SOC или необратимым снижением емкости (несоответствиями SOH), что позволяет применять более эффективные меры балансировки.

3. Для вторичного использования: когда состояние работоспособности (SOH) аккумуляторной батареи падает примерно до 80%, она может больше не соответствовать требованиям к запасу хода и мощности транспортного средства, но она по-прежнему сохраняет значительную остаточную стоимость.

· Проверка на вторичное использование: состояние работоспособности (SOH) является основным критерием для определения пригодности отслуживших аккумуляторов для таких сценариев вторичного использования, как хранение энергии, низкоскоростные электромобили и резервные источники питания. Исходя из требований к плотности энергии для различных вариантов применения, отслужившие аккумуляторы могут быть точно классифицированы и повторно использованы.

Подводя итог, можно сказать, что состояние работоспособности литий-железо-фосфатных аккумуляторов (SOH) является комплексным показателем состояния, обусловленным необратимым химическим и физическим старением аккумулятора. Его роль заключается в обеспечении критической основы для принятия решений по управлению безопасностью аккумуляторов, оценке их состояния, оценке стоимости и вторичному использованию.