¿Qué es el SOC? Cómo se estima el estado de carga de la batería en un ESS

SOC significa Estado de Carga. Describe cuánta carga utilizable queda en una batería en comparación con su capacidad disponible.

Al principio, el SOC parece sencillo. A menudo se muestra como un porcentaje, similar al nivel de batería de un teléfono móvil. Si una batería muestra un 80 % de SOC, normalmente entendemos que la batería todavía tiene aproximadamente el 80 % de su carga utilizable disponible.

Sin embargo, en un sistema de almacenamiento de energía de batería, el SOC es más que un número en pantalla. Es uno de los parámetros operativos clave utilizados por el BMS, el PCS y el EMS para controlar cómo el sistema carga, descarga, protege la batería y gestiona la energía disponible.

Más importante aún, el SOC no se mide directamente mediante un sensor. El voltaje, la corriente y la temperatura se pueden medir directamente. El SOC no. Debe estimarse.

¿Qué significa el SOC en un sistema de almacenamiento de energía de batería?

En una definición sencilla, el SOC significa la carga utilizable restante de una batería expresada como un porcentaje.

Una batería con un 100 % de SOC se considera completamente cargada dentro de su rango operativo utilizable. Una batería con un 0 % de SOC se considera completamente descargada dentro de su rango operativo utilizable.

Esto no siempre significa que la batería esté físicamente cargada a su máximo químico absoluto o descargada a su mínimo químico absoluto. En la mayoría de los sistemas de almacenamiento de energía, el BMS define una ventana utilizable segura para evitar la sobrecarga, la sobredescarga y el estrés excesivo de la batería.

Por ejemplo, un ESS puede diseñarse para operar entre el 10 % y el 90 % de SOC. En este caso, el sistema protege la batería evitando las regiones superior e inferior más estresantes.

En un ESS, el SOC ayuda al sistema a responder varias preguntas importantes:

• ¿Cuánta energía queda disponible para la descarga?
• ¿Debe la batería seguir cargándose?
• ¿Todavía hay energía de reserva disponible?
• ¿Está la batería funcionando dentro de un rango seguro?

Estas preguntas muestran por qué el SOC es importante para el funcionamiento del almacenamiento de energía. Conecta la condición interna de la batería con la estrategia de energía externa de todo el sistema.

Por qué el SOC es importante en un ESS

Por ejemplo, un sistema de almacenamiento solar necesita saber si la batería todavía tiene espacio para almacenar más energía solar. Un sistema de energía de respaldo necesita saber si hay suficiente energía de reserva disponible.

Si la estimación del SOC es demasiado alta, el sistema puede esperar más energía disponible de la que la batería puede entregar realmente. Si la estimación del SOC es demasiado baja, el sistema puede dejar de usar la batería demasiado pronto y dejar capacidad útil sin utilizar.

Por eso el SOC no es solo un valor en pantalla. Afecta directamente a la carga, descarga, protección, reserva de respaldo y gestión de energía.

El SOC no se puede medir directamente

Un error común es pensar que el SOC se puede medir directamente.

En realidad, no existe un sensor simple que pueda colocarse dentro de una batería para leer directamente “la batería está cargada al 63 %”.

El BMS puede medir directamente señales eléctricas y térmicas como el voltaje, la corriente y la temperatura. Luego utiliza estos valores, junto con modelos de batería y datos históricos, para estimar el SOC.

Este es el punto clave:

El SOC se calcula, no se mide directamente.

El BMS suele estimar el SOC basándose en varios tipos de información:

• voltaje de la batería
• corriente de carga y descarga
• tiempo de funcionamiento
• temperatura de la batería
• capacidad nominal y utilizable
• química de la batería
• condición de envejecimiento de la batería
• historial de carga y descarga anterior

Dado que el SOC se estima, nunca es perfectamente absoluto. Un buen BMS puede hacer que la estimación sea lo suficientemente precisa para un funcionamiento seguro y fiable, pero el SOC debe entenderse como una estimación de ingeniería.

Cómo se estima el SOC

Existen varios métodos para estimar el SOC. En aplicaciones ESS reales, el BMS no suele depender de un solo método. Combina diferentes métodos para reducir errores y mejorar la fiabilidad.

Los tres métodos más importantes son la estimación de voltaje en circuito abierto, el conteo de culombios y la estimación basada en modelos.

Cada método tiene sus puntos fuertes y sus limitaciones.

Método de voltaje en circuito abierto

El método de voltaje en circuito abierto estima el SOC a partir de la relación entre el voltaje de la batería y el nivel de carga de la batería.

Cuando una batería está en reposo y no fluye una corriente significativa, su voltaje se vuelve más estable. Este voltaje en reposo se denomina voltaje en circuito abierto, u OCV.

En teoría, el OCV de una batería tiene una relación con el SOC. Una batería más cargada tiene un voltaje más alto, y una batería más descargada tiene un voltaje más bajo. Por lo tanto, el BMS puede comparar el voltaje medido con una curva OCV-SOC conocida y estimar el SOC.

Este método es útil porque el voltaje es fácil de medir. También puede ayudar a corregir la desviación del SOC después de que la batería haya reposado el tiempo suficiente.

Sin embargo, el método tiene una limitación importante: la batería a menudo no tiene suficiente tiempo de reposo para una estimación precisa del OCV. En el funcionamiento normal de un ESS, la batería puede cargarse o descargarse con frecuencia, por lo que el voltaje terminal medido se ve afectado por la resistencia interna, la dirección de la corriente, la temperatura y el historial operativo reciente. En esa condición, el voltaje terminal no es el mismo que el verdadero voltaje en circuito abierto.

Por eso la estimación basada en OCV es útil para la corrección y la calibración, pero normalmente no es suficiente por sí sola durante el funcionamiento en tiempo real del ESS.

Para las baterías LFP, este método es aún más limitado en el rango medio de SOC. Las baterías LFP tienen una curva de voltaje relativamente plana en una gran parte de su rango operativo. Esto significa que el SOC puede cambiar significativamente mientras el voltaje cambia solo ligeramente.

Como resultado, el voltaje por sí solo no suele ser suficiente para una estimación precisa del SOC en un ESS basado en LFP.

Método de conteo de culombios

El conteo de culombios es uno de los métodos de estimación de SOC más comunes en los sistemas de batería.

La idea básica es simple: el BMS mide la corriente a lo largo del tiempo y calcula cuánta carga ha entrado o salido de la batería.

Cuando la batería se carga, el SOC aumenta. Cuando la batería se descarga, el SOC disminuye.

Por ejemplo, supongamos que una batería tiene 100 Ah de capacidad utilizable. Si se descarga a 10 A durante 2 horas, ha descargado aproximadamente 20 Ah. En términos sencillos, el SOC disminuye aproximadamente un 20 % de la capacidad utilizable.

Este método es útil porque funciona durante el funcionamiento real. La batería no necesita reposar. El BMS puede rastrear continuamente la corriente durante la carga y la descarga.

Sin embargo, el conteo de culombios tiene una debilidad importante: los pequeños errores pueden acumularse con el tiempo.

Si el sensor de corriente tiene un pequeño error, ese error se añade al cálculo del SOC una y otra vez. Si el SOC inicial es incorrecto, la estimación posterior del SOC también será incorrecta hasta que el sistema se corrija. Si la capacidad de la batería cambia debido al envejecimiento, pero el BMS sigue utilizando el valor de capacidad antiguo, la estimación del SOC puede volverse imprecisa.

Por eso el conteo de culombios necesita calibración. Es potente durante el funcionamiento, pero debe corregirse mediante referencia de voltaje, modelos de batería u otra lógica del BMS.

Estimación del SOC basada en modelos

Los diseños de BMS más avanzados utilizan la estimación del SOC basada en modelos.

Un modelo de batería describe cómo se comporta la batería en diferentes condiciones. Considera la relación entre voltaje, corriente, temperatura, SOC, resistencia interna y, a veces, envejecimiento.

Durante el funcionamiento, el BMS compara el comportamiento medido de la batería con el comportamiento predicho por el modelo. Si hay una diferencia, el algoritmo ajusta la estimación del SOC.

Algunos sistemas pueden utilizar algoritmos como el filtro de Kalman o el filtro de Kalman extendido. Estos métodos son útiles porque las baterías son sistemas no lineales. Su comportamiento cambia con la corriente, la temperatura, el rango de SOC y la condición de envejecimiento.

La estimación basada en modelos puede mejorar la precisión del SOC en condiciones de carga cambiantes. Esto es importante para un ESS porque la batería puede no funcionar en una condición estable todo el tiempo. La energía puede cambiar debido a la generación solar, la demanda de carga, los comandos de la red o la estrategia del EMS.

Sin embargo, la estimación basada en modelos también depende de la calidad del modelo de batería. Si el modelo no coincide con el comportamiento real de la batería, la estimación del SOC aún puede ser incorrecta.

Por qué las baterías LFP hacen que la estimación del SOC sea más desafiante

Las baterías LFP se utilizan ampliamente en sistemas de almacenamiento de energía porque ofrecen un buen rendimiento de seguridad, una larga vida útil y un funcionamiento estable.

Sin embargo, las baterías LFP tienen una curva de voltaje relativamente plana en gran parte del rango de SOC. Esto significa que el voltaje puede cambiar solo ligeramente incluso cuando el SOC real cambia significativamente.

Como resultado, el voltaje por sí solo no es suficiente para una estimación precisa del SOC, especialmente en la región media del SOC. Un ESS basado en LFP suele necesitar una medición precisa de la corriente, conteo de culombios, compensación de temperatura, lógica de calibración y modelos de batería para estimar el SOC de forma más fiable.

En resumen, las LFP son adecuadas para ESS, pero la estimación precisa del SOC aún depende de un BMS capaz, una buena detección y una calibración adecuada.

SOC a nivel de celda, módulo, rack y sistema

Un ESS no es una sola celda de batería. Se construye a partir de muchas celdas conectadas en módulos, paquetes, racks y, a veces, clústeres de baterías más grandes.

Debido a esto, el SOC no es solo un valor a nivel de celda. El BMS puede estimar el SOC en diferentes niveles del sistema.

El punto importante es que el SOC a nivel de sistema está limitado por la parte más débil del sistema de batería.

Durante la descarga, si una celda alcanza su límite de voltaje inferior antes que las demás, el BMS puede necesitar detener o reducir la descarga incluso si otras celdas aún tienen energía restante. Durante la carga, si una celda alcanza su límite de voltaje superior antes que las demás, el BMS puede necesitar detener o reducir la carga incluso si el resto de la batería aún tiene espacio.

Por eso la consistencia y el equilibrio de las celdas son importantes.

Un sistema de batería bien equilibrado puede utilizar su capacidad de manera más efectiva. Un sistema mal equilibrado puede tener menos energía utilizable, incluso si la capacidad nominal teórica parece grande.

En el funcionamiento práctico del ESS, la estimación del SOC y el equilibrio de las celdas están estrechamente relacionados. El sistema no solo estima cuánta carga queda; también gestiona la seguridad y la uniformidad con la que se puede utilizar esa carga.

SOC y SOH están relacionados, pero no son lo mismo

El SOC no debe confundirse con el SOH.

El SOC nos dice cuán llena está la batería en este momento. El SOH, o Estado de Salud, nos dice cuánto ha envejecido la batería en comparación con su condición original.

La conexión es importante porque el SOC se calcula en función de la capacidad utilizable. Si la batería es nueva, un 80 % de SOC puede representar cerca del 80 % de su energía utilizable original. Después de años de funcionamiento, la batería puede no tener la misma capacidad utilizable. En ese caso, un 80 % de SOC sigue significando que la batería está llena al 80 %, pero es el 80 % de una capacidad menor.

Por ejemplo, un nuevo sistema de batería puede tener 100 kWh de energía utilizable. Con un 80 % de SOC, puede tener aproximadamente 80 kWh disponibles. Si la batería se degrada posteriormente a 90 kWh de capacidad utilizable, entonces un 80 % de SOC representa aproximadamente 72 kWh en su lugar.

Por eso el SOC debe leerse junto con el SOH al evaluar el rendimiento a largo plazo del ESS. El SOC nos indica el nivel de carga actual. El SOH nos indica cuánta capacidad utilizable de la batería queda después del envejecimiento.

Causas comunes de error del SOC

El error del SOC puede ocurrir porque el BMS está estimando una condición que no se puede medir directamente. La estimación depende de los datos del sensor, los modelos de batería, las suposiciones de capacidad y el historial operativo. Si alguna de estas entradas es imprecisa, el SOC mostrado puede desviarse de la condición real de la batería.

Causa	Por qué afecta a la estimación del SOC
Error del sensor de corriente	El conteo de culombios depende de una medición precisa de la corriente. Incluso un pequeño error de corriente puede acumularse con el tiempo y causar una desviación del SOC.
SOC inicial incorrecto	Si el BMS comienza con un valor de SOC incorrecto, el cálculo posterior puede seguir siendo impreciso hasta que el sistema se corrija.
Envejecimiento de la batería	A medida que la batería envejece, la capacidad utilizable cambia. Si el BMS no actualiza la estimación de capacidad, el SOC puede dejar de reflejar la energía real disponible.
Cambio de temperatura	La temperatura afecta la respuesta de voltaje, la potencia disponible y la capacidad utilizable, especialmente en condiciones de baja temperatura.
Desequilibrio de celdas	Algunas celdas pueden alcanzar los límites de voltaje antes que otras, lo que obliga al sistema a detener la carga o descarga antes de que toda la capacidad se utilice por completo.
Funcionamiento prolongado sin calibración	Si el sistema funciona durante mucho tiempo sin reposo, corrección de referencia o recalibración, la desviación del SOC puede aumentar.

Por qué el SOC es importante al seleccionar un ESS

Al seleccionar un ESS, el SOC puede parecer un simple valor de visualización de software. En realidad, refleja lo bien que el sistema comprende y gestiona la batería.

Una estimación fiable del SOC depende de que varias partes del sistema trabajen juntas: sensores precisos, un BMS capaz, modelos de batería adecuados, calibración correcta, buena consistencia de las celdas y gestión térmica estable. Si estas partes son débiles, el valor del SOC puede parecer normal en la pantalla, pero aun así no representar con precisión la energía utilizable real.

Esto es importante en proyectos reales. Para la energía de respaldo, una estimación imprecisa del SOC puede llevar a expectativas de tiempo de funcionamiento erróneas. Para el almacenamiento solar, puede afectar la cantidad de energía solar que la batería puede absorber. Para la reducción de picos, puede afectar si la batería está disponible cuando la carga alcanza un período de alta demanda.

Por lo tanto, al comparar soluciones ESS, no basta con mirar solo la energía nominal. Es mejor considerar también la energía utilizable, el diseño del BMS, el equilibrio de las celdas, la monitorización del SOH, la gestión térmica, el rango de temperatura de funcionamiento, las condiciones de la garantía y la aplicación real.

En resumen, la precisión del SOC es parte de la fiabilidad del ESS. Afecta la cantidad de energía que el sistema puede utilizar, la seguridad con la que funciona y la previsibilidad de su rendimiento a lo largo del tiempo.

Conclusión

El SOC, o Estado de Carga, describe la carga utilizable restante de una batería. En un sistema de almacenamiento de energía de batería, es uno de los parámetros operativos más importantes.

El SOC ayuda al sistema a estimar la energía disponible, controlar la carga y descarga, proteger la batería, gestionar la reserva de respaldo y apoyar las estrategias de gestión de energía.

Sin embargo, el SOC no se mide directamente. Es estimado por el BMS utilizando voltaje, corriente, temperatura, modelos de batería e historial operativo.

Comprender el SOC es un paso básico pero importante para entender cómo funciona realmente un sistema de almacenamiento de energía de batería.

Preguntas frecuentes

SOC significa Estado de Carga. Muestra cuánta carga utilizable queda en la batería en comparación con su capacidad disponible. En un ESS, el SOC no es solo un valor en pantalla. También se utiliza para el control de carga, el control de descarga, la reserva de respaldo y la protección de la batería.

No. El SOC no se mide directamente mediante un sensor. El BMS estima el SOC utilizando valores medibles como el voltaje, la corriente, la temperatura, el tiempo de funcionamiento, la capacidad de la batería y el historial de la batería.

El SOC se estima normalmente combinando varios métodos. Los métodos comunes incluyen la estimación de voltaje en circuito abierto, el conteo de culombios y la estimación basada en modelos. En aplicaciones ESS reales, el BMS a menudo combina estos métodos en lugar de depender de uno solo.

El voltaje puede ayudar a estimar el SOC, pero tiene limitaciones. Durante la carga o descarga, el voltaje terminal se ve afectado por la corriente, la resistencia interna, la temperatura y el historial operativo reciente. Para las baterías LFP, la curva de voltaje también es relativamente plana en gran parte del rango de SOC, por lo que los cambios de voltaje pueden ser demasiado pequeños para estimar el SOC con precisión por sí solos.

El conteo de culombios es un método que estima el SOC midiendo la corriente a lo largo del tiempo. Cuando la batería se carga, el BMS añade carga a la estimación del SOC. Cuando la batería se descarga, el BMS resta carga de la estimación del SOC. Es útil durante el funcionamiento real, pero pequeños errores de medición de corriente pueden acumularse con el tiempo.

El SOC puede volverse impreciso debido a errores del sensor de corriente, un SOC inicial incorrecto, el envejecimiento de la batería, cambios de temperatura, desequilibrio de celdas o un funcionamiento prolongado sin calibración. Por eso el BMS necesita lógica de corrección y calibración.

El SOC muestra cuán llena está la batería en este momento. El SOH, o Estado de Salud, muestra cuánto ha envejecido la batería en comparación con su condición original. Una batería puede mostrar un 80 % de SOC, pero la energía utilizable real también depende de su SOH.