I. Das SOH-Prinzip: Was spiegelt es wider?

Das Wesentliche am SOH-Wert ist die Quantifizierung des Alterungsgrades der Batterie. Diese Alterung spiegelt sich hauptsächlich in zwei Aspekten wider, die gleichzeitig die physikalische Grundlage der SOH-Berechnung bilden:

1. Kapazitätsverlust

Dies ist die grundlegendste und intuitivste Ausprägung des SOH-Konzepts. Nach längerem Gebrauch nimmt die Gesamtmenge an Ladung, die eine Batterie speichern und abgeben kann, unwiderruflich ab.

· Physikalische Prinzipien:

o Verlust von aktivem Lithium: Während des Lade- und Entladezyklus reagiert der Elektrolyt mit der Elektrodenoberfläche in Nebenreaktionen und bildet einen Festelektrolyt-Grenzflächenfilm. Dieser Film wächst kontinuierlich und verbraucht verfügbare freie Lithiumionen, was zu einer Verringerung des „effektiven Lithiums“ führt, das an den Lade- und Entladereaktionen teilnimmt.

o Degradation der Elektrodenmaterialstruktur: Die Kristallstruktur der positiven und negativen Elektrodenmaterialien erfährt während der wiederholten Insertion und Extraktion von Lithiumionen irreversible Phasenübergänge, Auflösung oder Zusammenbruch, was zu weniger "Positionen" für die Speicherung von Lithiumionen oder einer Verringerung ihrer Fähigkeit dazu führt.

Ergebnis: Eine neue Batterie mit einer Nennkapazität von 100 Ah kann nach mehrjähriger Nutzung nach vollständiger Ladung und anschließender Entladung nur noch 80 Ah abgeben. Ihr Kapazitäts-SOH beträgt (80 Ah / 100 Ah) * 100 % = 80 %.

2. Verringerte Leistungsfähigkeit (Erhöhter Innenwiderstand)

Der Innenwiderstand der Batterie bestimmt ihre Betriebsspannung und die Wärmeentwicklung beim Laden und Entladen. Ein erhöhter Innenwiderstand führt zu einer geringeren Batterieleistung.

• Physikalische Prinzipien:

* Erhöhter ohmscher Innenwiderstand: Korrosion des Stromkollektors, erhöhter Kontaktwiderstand zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Stromkollektor usw.

* Erhöhter elektrochemischer Polarisations-Innenwiderstand: Aufgrund der zuvor erwähnten Verdickung des SEI-Films und der verringerten Aktivität des Elektrodenmaterials wird es für Lithiumionen schwieriger, in die Elektrode ein- und auszulagern, was die Reaktionsgeschwindigkeit verlangsamt.

* Erhöhter Konzentrationspolarisations-Innenwiderstand: Die Transportgeschwindigkeit der Lithiumionen im Elektrolyten verlangsamt sich.

Ergebnisse: Bei Entladung mit gleichbleibend hoher Rate ist der Spannungsabfall einer neuen Batterie sehr gering, während die Spannung einer gealterten Batterie stark abfällt. Dies führt zu einem vorzeitigen Auslösen des Unterspannungsschutzes, wodurch nicht die gesamte Energie freigesetzt wird und die Batterie sich stärker erhitzt. Ihr Leistungszustand (SOH) lässt sich anhand des Anstiegs des Innenwiderstands berechnen.

II. Die Rolle des SOH: Warum ist er so wichtig? Der Zustand der Harmonie (State of Harmony, SOH) ist kein abstrakter akademischer Indikator; er spielt während des gesamten Lebenszyklus der Batterie eine entscheidende Rolle, insbesondere im Hinblick auf Sicherheit und Wirtschaftlichkeit.

1. Für Benutzer:

· Beurteilung des Restwerts und der zu erwartenden Lebensdauer der Batterie:

* Elektrofahrzeuge: Der Ladezustand (SOH) ist ein wichtiger Indikator zur Wertbestimmung eines Gebrauchtwagens. Er gibt direkt die verbleibende Reichweite des Fahrzeugs an. Nutzer können anhand des SOH feststellen, ob die Batterie noch unter Garantie steht (Hersteller versprechen beispielsweise in der Regel: „SOH mindestens 70 % innerhalb von 8 Jahren oder 160.000 Kilometern“).

* Energiespeichersysteme: Hilft Anwendern, die tatsächliche Energiedurchsatzkapazität des Energiespeichersystems zu verstehen und Wirtschaftlichkeitsberechnungen durchzuführen.

· Steuerung der Nutzungsgewohnheiten: Das Verständnis des abnehmenden SOH-Trends ermöglicht es den Nutzern, die Batterie wissenschaftlicher zu nutzen und zu pflegen und so ihre Alterung zu verzögern.

2. Für Batteriemanagementsysteme (BMS):

Dies ist der Kernbereich von Die Rolle des SOH. Das BMS nutzt SOH-Informationen, um seine Steuerungsstrategien dynamisch anzupassen und so die Ziele hinsichtlich Sicherheit, Effizienz und Langlebigkeit zu erreichen.

• Optimierte Lade-/Entladestrategie:

o Leistungsbegrenzung: Mit sinkendem SOH (steigendem Innenwiderstand) begrenzt das BMS schrittweise die maximale Lade-/Entladeleistung der Batterie, um Überladung/Tiefentladung und übermäßige Wärmeentwicklung zu verhindern und so die Sicherheit zu gewährleisten.

o Basiswert für die Kapazitätsberechnung: Das Batteriemanagementsystem (BMS) berechnet die verbleibende Reichweite (SOC) auf Basis eines Basiswerts für die „volle Kapazität“. Dieser entspricht der aktuell maximal nutzbaren Kapazität, die in Echtzeit entsprechend dem Ladezustand (SOH) angepasst wird. Eine Batterie mit einem SOH von 80 % verfügt selbst bei einem angezeigten SOC von 100 % nur über 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität.

• Gewährleistung eines sicheren Betriebs:

Alternde Batterien (meist mit niedrigem SOH-Wert) weisen instabilere interne chemische Systeme und ein höheres Risiko des thermischen Durchgehens auf. Das Batteriemanagementsystem (BMS) kann basierend auf dem SOH-Wert in einen konservativeren Betriebsmodus wechseln und so die Überwachung und den Schutz verstärken.

• Erreichen eines ausgewogenen Managements:

o SOH-Informationen helfen dem BMS, intelligenter zu bestimmen, ob die Inkonsistenzen in den Zellen innerhalb des Akku werden durch reversible SOC-Inkonsistenzen oder irreversiblen Kapazitätsverlust (SOH-Inkonsistenzen) verursacht, wodurch effektivere Ausgleichsmaßnahmen ermöglicht werden.

3. Zur Zweitverwendung: Wenn der Zustand einer Antriebsbatterie auf etwa 80 % sinkt, erfüllt sie möglicherweise nicht mehr die Reichweiten- und Leistungsanforderungen des Fahrzeugs, behält aber dennoch einen erheblichen Restwert.

· Prüfung auf Wiederverwendung: Der SOH-Wert (Soil of Health) ist ein zentrales Kriterium, um festzustellen, ob ausgediente Batterien für weitere Anwendungsszenarien wie Energiespeicherung, Elektrofahrzeuge mit niedriger Geschwindigkeit und Notstromversorgung geeignet sind. Anhand der Energiedichteanforderungen verschiedener Anwendungsszenarien können ausgediente Batterien präzise klassifiziert und wiederverwendet werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der SOH (State of Health) von Lithium-Eisenphosphat-Batterien ein umfassender Gesundheitsindikator ist, der auf irreversibler chemischer und physikalischer Alterung innerhalb der Batterie beruht. Er dient als wichtige Entscheidungsgrundlage für das Batteriemanagement, die Zustandsbestimmung, die Wertanalyse und die Sekundärnutzung.