Tester w warsztacie pokazuje dwie liczby: SoC 100% i SoH 62%. Akumulator jest naładowany do pełna, a mimo to urządzenie alarmuje o konieczności wymiany. Ocenę sytuacji determinuje rozróżnienie dwóch parametrów, które brzmią podobnie, ale diagnozują zupełnie inne zjawiska fizyczne. Ich mylenie prowadzi do kosztownych błędów diagnostycznych.
SoC i SoH – ten sam skrót, dwa różne światy
SoC (State of Charge) określa bieżący stan naładowania baterii. Przypomina on wskaźnik poziomu paliwa w baku – weryfikuje ilość energii zmagazynowanej w danej chwili. Parametr SoC 100% oznacza akumulator naładowany do pełna, a SoC 0% – rozładowany. Wartość ta zmienia się w każdym cyklu pracy i jest całkowicie odwracalna poprzez podłączenie pod prostownik.
SoH (State of Health) diagnozuje ogólny stan zdrowia ogniwa. Analizując analogię do baku paliwa – weryfikuje on fizyczną kondycję samego zbiornika i zmniejszenie jego objętości wynikające z wieloletniej eksploatacji. SoH obrazuje stosunek aktualnej, realnej pojemności akumulatora do pojemności nominalnej zadeklarowanej przez producenta w dniu produkcji. Wynik SoH 100% oznacza nową baterię o fabrycznej wydajności. Parametr SoH 80% informuje o trwałym spadku użytecznej pojemności o 20%.
Główna zasada głosi, że wskaźnik naładowania SoC diagnozuje się zawsze względem aktualnej, realnej pojemności, którą dyktuje kondycja SoH.
Akumulator o pojemności nominalnej 70 Ah z SoH na poziomie 70% posiada realną pojemność maksymalną wynoszącą 49 Ah. W takiej sytuacji osiągnięcie przez niego pułapu naładowania SoC 100% oznacza zgromadzenie zaledwie 49 Ah, a nie fabrycznych 70 Ah. Ogniwo o obniżonym parametrze SoH fizycznie nie osiągnie swojej pojemności fabrycznej, bez względu na długość procesu ładowania.
Co niszczy akumulator nieodwracalnie – cztery mechanizmy degradacji
Obniżenie parametru SoH stanowi sumę niezależnych reakcji fizyko-chemicznych zachodzących w ogniwie w trakcie całego okresu eksploatacji. Wyróżnia się cztery podstawowe przyczyny.
Korozja kratek płyt dodatnich występuje na skutek długotrwałej pracy ołowiu w utleniającym środowisku kwasu siarkowego (elektrolitu). Warstwa korozyjna narasta z wiekiem urządzenia i potęguje rezystancję wewnętrzną. Bezpośrednio paraliżuje to możliwości ogniwa do wygenerowania wysokich prądów przy rozruchu silnika.
Osypywanie się masy aktywnej opiera się na destrukcji mechanicznej. Materiał aktywny oddziela się od kratek na skutek intensywnego cyklowania lub pracy w silnych wibracjach. Opadnięty szlam osadza się na dnie plastikowej obudowy, wykluczając się z udziału w reakcjach elektrochemicznych. Generuje to trwałą, proporcjonalną utratę pojemności.
Twarde siarczanowanie występuje podczas wielomiesięcznego magazynowania baterii w stanie rozładowania. Miękkie kryształy siarczanu ołowiu rekrystalizują w zwartą, twardą strukturę pokrywającą powierzchnię płyt ołowianych. O ile miękkie wykwity można zneutralizować procesem desulfatacji (impulsami elektrycznymi wysokiej częstotliwości), o tyle twarde siarczanowanie nie poddaje się procesom naprawczym.
Stratyfikacja elektrolitu zagraża zalewowym akumulatorom kwasowo-ołowiowym pozbawionym systematycznego ładowania wyrównawczego o podniesionym napięciu. Elektrolit dzieli się na warstwy: gęstszą o wyższym stężeniu kwasu u dołu i bardziej wodnistą u góry. Dolna strefa płyt ulega permanentnemu uszkodzeniu przez drastyczne przeciążenie elektrochemiczne, podczas gdy górna partia pozostaje wyłączona z układu.
Każdy z powyższych mechanizmów zachodzi jednostronnie. Zastosowanie odpowiednich algorytmów ładowania prostownikiem, przechowywanie w stałej temperaturze i zabiegi desulfatacyjne nie cofają wygenerowanych uszkodzeń mechanicznych. Współczynnik SoH obniża się płynnie i nieodwracalnie z każdym miesiącem.
Przy jakim SoH wymienić akumulator – liczby, które mają sens
Branżowe standardy techniczne, normy (m.in. IEEE 1188) i oficjalne wytyczne producentów pojazdów określają graniczny próg opłacalności na poziomie 80% SoH. Z fizycznego punktu widzenia oznacza to, że przy tym wskaźniku fabryczny akumulator 70 Ah oddaje do dyspozycji układu realnie 56 Ah pojemności.
Zasilanie układu Start-Stop realizującego kilkadziesiąt procesów gaszenia silnika na dobę przy ujemnych temperaturach rzędu -15°C z reguły przekracza wydolność prądową tak zdegradowanego akumulatora. Spadek współczynnika SoH do 70% redukuje realną pojemność powyższego układu z 70 Ah do 49 Ah. Ryzyko awarii uniemożliwiającej odpalenie silnika w warunkach zimowych drastycznie wzrasta. Dalsza eksploatacja i osiągnięcie poziomu 60% SoH (ok. 42 Ah realnej użyteczności) nakazują bezwzględną wymianę urządzenia.
Część kierowców użytkuje akumulatory zdiagnozowane na pułapie 60–65% SoH bez widocznych przerw w zasilaniu układów pokładowych. Sytuacja ta zachodzi najczęściej w ciepłym klimacie, bez narażenia ogniwa na głębokie uśpienie postojowe. Zabezpieczenie przed nagłą awarią układów na mrozie wymaga prewencyjnej wymiany akumulatora po zbliżeniu się do granicy 70% SoH.
Jak tester mierzy SoH i dlaczego wynik nie jest idealnie precyzyjny?
Testery konduktancyjne (używane masowo w warsztatach stacjach diagnostycznych i przez użytkowników) dokonują pomiarów przepływu prądu, emitując krótkie i szybkie impulsy. Otrzymany wynik przeliczany jest na wartość prądu rozruchowego (CCA) i parametr ogólnego zdrowia (SoH) z odniesieniem do wgranej, bazowej matrycy wzorcowej konkretnego akumulatora. Odchyłki pomiarowe wynoszą od 10 do 15 procent.
Metoda obciążeniowa stosuje prąd równy w przybliżeniu połowie deklarowanego prądu rozruchowego CCA i analizuje wynik na zaciskach przy tak zadanej asymetrii obciążenia. Badanie to eliminuje margines błędów konduktancyjnych, jednak weryfikuje tylko precyzyjnie naładowany akumulator.
Wynik SoH na poziomie poniżej 75% zweryfikowany na dwóch osobnych urządzeniach, opartych najlepiej na skrajnych technikach pomiaru (konduktancyjnej i obciążeniowej), przesądza o potrzebie wdrożenia nowego akumulatora przed nastaniem spadków temperatury. Parametr ten diagnozuje zniszczenia mechaniczne, a nie tymczasowy spadek napięcia – ponawianie diagnostyki w nadziei na lepszy rezultat u innego mechanika mija się z celem.
Czy można spowolnić spadek SoH i do jakiego stopnia?
Obniżenie sprawności SoH występuje nieuchronnie w każdym eksploatowanym akumulatorze. Prędkość tego procesu determinują nawyki użytkownika i zachowana higiena zasilania.
Zachowanie naładowania SoC w granicach wykraczających poza 70% przy wykorzystaniu dedykowanych ładowarek automatycznych spowalnia występowanie zjawiska siarczanowania (szczególnie w autach garażowanych sezonowo). Eliminowanie incydentów głębokiego rozładowania (SoC poniżej 20%) amortyzuje tempo osypywania się płyt.
Zgodnie z weryfikacją opartą na regule Arrheniusa akumulator przechowywany w stałej temperaturze 35°C traci zasoby SoH o około 50% szybciej niż ten sam model diagnozowany przy stabilnych 20°C. Skrajne temperatury (zarówno upał, jak i duży mróz) potęgują mechanizm korozji elektrod. Baterie kwasowo-ołowiowe (zalewowe) chroni się przed procesem stratyfikacji przy zastosowaniu ładowania wyrównawczego (podnoszącego sztucznie napięcie poza próg gazowania w celu cyrkulacji kwasu siarkowego).
Przestrzeganie powyższych rygorów wydłuża działanie akumulatora o 1–2 lata względem ogniwa pozostawionego bez obsługi, nie zatrzymuje jednak całkowicie rozkładu struktury wewnętrznej. Współczynnik SoH sukcesywnie wygasa.
Wyeksploatowany akumulator ze statusem 60% SoH trafiający do punktu recyklingu posiada dokładnie taką samą masę ołowiu co nowy egzemplarz prosto z fabryki. Ołów wbudowany w systemy kratek nie znika, a jedynie całkowicie traci właściwości reakcyjne w elektrochemicznym środowisku kwasu. Całkowity koszt recyklingu opiera się na wadze złomu i giełdowych notowaniach metali ciężkich, z pominięciem kondycji samej baterii.
