解釋 SOC 與 SOH 與充放電循環與電池測試

 

1. SOC（State of Charge，電池充電狀態）

SOC 代表電池的剩餘電量，類似於燃油車的油量計，通常以百分比（%）表示。

• 公式表示： $$SOC = \frac{\text{當前電池剩餘容量}}{\text{額定容量}} \times 100\%$$
• 影響因素：
  • 充放電電流
  • 電池溫度
  • 充放電速率（C-Rate）
  • 電池老化程度
• 應用：
• 電動車（EV）續航里程計算
• 電池管理系統（BMS）監測
• 儲能系統的電量管理

2. SOH（State of Health，電池健康狀態）

SOH 代表電池的健康狀態，衡量電池相較於新品時的性能下降程度，通常以百分比（%）表示。

• 常見 SOH 指標：
  1. 容量衰減：SOH =（當前可用容量 ÷ 額定容量）× 100%
  2. 內阻變化：電池老化會導致內阻增加，影響充放電效率
  3. 循環壽命：隨著充放電次數增加，電池的總可用能量逐漸下降
• 影響因素：
  • 充放電速率（過快充放電會加速老化）
  • 工作溫度（高溫或低溫都可能影響壽命）
  • 過充過放（長期低於 20% 或高於 80% 會加速老化）
• 應用：
• 電動車電池壽命評估
• 電池更換判斷標準
• 儲能系統的運行維護

3. 充放電循環（Charge-Discharge Cycle）

充放電循環是指電池完成一次完整充放電的過程。

• 定義：
  1 個循環（Cycle）通常指電池從 100% 放電至 0%，再充回 100%。但在實際應用中，部分放電（例如 50%→100%→50%）也可能累積成 1 個循環。
• 壽命測試標準：
  • 鋰離子電池：通常 500~2000 次循環後，容量衰減至 80%
  • 鉛酸電池：約 300~800 次循環
  • 固態電池（未來技術）：可達 5000 次以上
• 影響因素：
• 深度放電（Depth of Discharge, DoD）：放電幅度越大，壽命衰減越快
• 充放電速率（C-Rate）：快速充電可能產生過多熱量，加速老化
• 工作溫度：高溫容易導致副反應增加，低溫則可能影響離子遷移率

4. 電池測試（Battery Testing）

電池測試是評估電池性能、壽命及安全性的關鍵步驟，常見測試包括：

(1) 容量測試（Capacity Test）

• 測試方法：將電池完全充滿後，以固定電流放電至截止電壓，測量可用容量（Ah 或 Wh）
• 目的：驗證電池實際容量是否符合規格

(2) 壽命循環測試（Cycle Life Test）

• 測試方法：多次充放電循環，記錄 SOC 變化、內阻變化、容量衰減
• 目的：評估電池的耐用程度，確保符合使用壽命要求

(3) 內阻測試（Internal Resistance Test）

• 測試方法：透過交流阻抗（AC Impedance）或直流放電（DCIR）測試內阻
• 目的：內阻增加會影響放電功率與發熱狀況，可作為 SOH 參考指標

(4) 快速充放電測試（Fast Charge/Discharge Test）

• 測試方法：高 C-Rate 充放電，記錄溫度變化與容量保持率
• 目的：測試電池的快充特性與安全性

(5) 安全性測試（Safety Test）

• 常見項目：
• 過充過放測試：模擬極端情況，檢測電池安全機制
• 短路測試：模擬短路情境，觀察是否發生熱失控
• 熱衝擊測試：檢測電池在高溫環境下的穩定性

總結

• SOC（電池充電狀態）：即時顯示電池剩餘電量
• SOH（電池健康狀態）：衡量電池老化程度
• 充放電循環：影響電池壽命的關鍵因素
• 電池測試：確保電池容量、壽命與安全性

這些概念在電動車、儲能系統與消費電子產品中都至關重要，影響電池性能與使用壽命。