Qu’est-ce que le SOC ? Comment l’état de charge de la batterie est-il estimé dans un ESS ?

SOC signifie « State of Charge » (état de charge). Il décrit la quantité de charge utilisable restante dans une batterie par rapport à sa capacité disponible.

Au premier abord, le SOC semble simple. Il est souvent affiché en pourcentage, similaire au niveau de batterie d’un téléphone portable. Si une batterie indique 80 % de SOC, nous comprenons généralement qu’elle dispose encore d’environ 80 % de sa charge utilisable.

Cependant, dans un système de stockage d’énergie, le SOC est plus qu’un simple chiffre affiché. C’est l’un des paramètres de fonctionnement clés utilisés par le BMS, le PCS et l’EMS pour contrôler la charge, la décharge, la protection de la batterie et la gestion de l’énergie disponible du système.

Plus important encore, le SOC n’est pas mesuré directement par un capteur. La tension, le courant et la température peuvent être mesurés directement. Le SOC ne le peut pas. Il doit être estimé.

Que signifie le SOC dans un système de stockage d’énergie par batterie ?

Dans une définition simple, le SOC représente la charge utilisable restante d’une batterie, exprimée en pourcentage.

Une batterie à 100 % de SOC est considérée comme entièrement chargée dans sa plage de fonctionnement utilisable. Une batterie à 0 % de SOC est considérée comme entièrement déchargée dans sa plage de fonctionnement utilisable.

Cela ne signifie pas toujours que la batterie est physiquement chargée à son maximum chimique absolu ou déchargée à son minimum chimique absolu. Dans la plupart des systèmes de stockage d’énergie, le BMS définit une fenêtre utilisable sûre pour éviter la surcharge, la décharge excessive et le stress excessif de la batterie.

Par exemple, un ESS peut être conçu pour fonctionner entre 10 % et 90 % de SOC. Dans ce cas, le système protège la batterie en évitant les régions supérieures et inférieures les plus stressantes.

Dans un ESS, le SOC aide le système à répondre à plusieurs questions importantes :

• Quelle quantité d’énergie est encore disponible pour la décharge ?
• La batterie doit-elle continuer à se charger ?
• L’énergie de réserve de secours est-elle toujours disponible ?
• La batterie fonctionne-t-elle dans une plage de sécurité ?

Ces questions montrent pourquoi le SOC est important pour le fonctionnement du stockage d’énergie. Il relie l’état interne de la batterie à la stratégie de puissance externe de l’ensemble du système.

Pourquoi le SOC est important dans un ESS

Par exemple, un système de stockage solaire doit savoir si la batterie a encore de la place pour stocker plus d’énergie solaire. Un système d’alimentation de secours doit savoir si suffisamment d’énergie de réserve est disponible.

Si l’estimation du SOC est trop élevée, le système peut s’attendre à plus d’énergie disponible que la batterie ne peut réellement en fournir. Si l’estimation du SOC est trop faible, le système peut cesser d’utiliser la batterie trop tôt et laisser une capacité utile inutilisée.

C’est pourquoi le SOC n’est pas seulement une valeur d’affichage. Il affecte directement la charge, la décharge, la protection, la réserve de secours et la gestion de l’énergie.

Le SOC ne peut pas être mesuré directement

Une idée fausse courante est que le SOC peut être mesuré directement.

En réalité, il n’existe pas de capteur simple qui puisse être placé à l’intérieur d’une batterie pour lire directement « la batterie est chargée à 63 % ».

Le BMS peut mesurer directement les signaux électriques et thermiques tels que la tension, le courant et la température. Il utilise ensuite ces valeurs, ainsi que des modèles de batterie et des données historiques, pour estimer le SOC.

C’est le point clé :

Le SOC est calculé, et non mesuré directement.

Le BMS estime généralement le SOC en se basant sur plusieurs types d’informations :

• tension de la batterie
• courant de charge et de décharge
• temps de fonctionnement
• température de la batterie
• capacité nominale et utilisable
• chimie de la batterie
• état de vieillissement de la batterie
• historique de charge et de décharge précédent

Étant donné que le SOC est estimé, il n’est jamais parfaitement absolu. Un bon BMS peut rendre l’estimation suffisamment précise pour un fonctionnement sûr et fiable, mais le SOC doit toujours être compris comme une estimation technique.

Comment le SOC est estimé

Il existe plusieurs méthodes utilisées pour estimer le SOC. Dans les applications ESS réelles, le BMS ne dépend généralement pas d’une seule méthode. Il combine différentes méthodes pour réduire les erreurs et améliorer la fiabilité.

Les trois méthodes les plus importantes sont l’estimation de la tension en circuit ouvert, le comptage coulombien et l’estimation basée sur un modèle.

Chaque méthode a ses forces et ses limites.

Méthode de la tension en circuit ouvert

La méthode de la tension en circuit ouvert estime le SOC à partir de la relation entre la tension de la batterie et le niveau de charge de la batterie.

Lorsqu’une batterie est au repos et qu’aucun courant significatif ne circule, sa tension devient plus stable. Cette tension de repos est appelée tension en circuit ouvert, ou OCV.

En théorie, l’OCV d’une batterie est liée au SOC. Une batterie plus chargée a une tension plus élevée, et une batterie plus déchargée a une tension plus faible. Par conséquent, le BMS peut comparer la tension mesurée avec une courbe OCV-SOC connue et estimer le SOC.

Cette méthode est utile car la tension est facile à mesurer. Elle peut également aider à corriger la dérive du SOC après que la batterie a reposé suffisamment longtemps.

Cependant, la méthode présente une limitation majeure : la batterie n’a souvent pas suffisamment de temps de repos pour une estimation précise de l’OCV. En fonctionnement normal d’un ESS, la batterie peut se charger ou se décharger fréquemment, de sorte que la tension aux bornes mesurée est affectée par la résistance interne, la direction du courant, la température et l’historique de fonctionnement récent. Dans ces conditions, la tension aux bornes n’est pas la même que la véritable tension en circuit ouvert.

C’est pourquoi l’estimation basée sur l’OCV est utile pour la correction et l’étalonnage, mais elle n’est généralement pas suffisante à elle seule pendant le fonctionnement en temps réel d’un ESS.

Pour les batteries LFP, cette méthode est encore plus limitée dans la plage de SOC moyenne. Les batteries LFP ont une courbe de tension relativement plate sur une grande partie de leur plage de fonctionnement. Cela signifie que le SOC peut changer de manière significative alors que la tension ne change que légèrement.

Par conséquent, la tension seule n’est généralement pas suffisante pour une estimation précise du SOC dans un ESS basé sur LFP.

Méthode du comptage coulombien

Le comptage coulombien est l’une des méthodes d’estimation du SOC les plus courantes dans les systèmes de batterie.

L’idée de base est simple : le BMS mesure le courant au fil du temps et calcule la quantité de charge qui est entrée ou sortie de la batterie.

Lorsque la batterie se charge, le SOC augmente. Lorsque la batterie se décharge, le SOC diminue.

Par exemple, supposons qu’une batterie ait une capacité utilisable de 100 Ah. Si elle se décharge à 10 A pendant 2 heures, elle a déchargé environ 20 Ah. En termes simples, le SOC diminue d’environ 20 % de la capacité utilisable.

Cette méthode est utile car elle fonctionne pendant le fonctionnement réel. La batterie n’a pas besoin de reposer. Le BMS peut suivre en continu le courant pendant la charge et la décharge.

Cependant, le comptage coulombien a une faiblesse importante : de petites erreurs peuvent s’accumuler au fil du temps.

Si le capteur de courant présente une petite erreur, cette erreur est ajoutée encore et encore au calcul du SOC. Si le SOC initial est erroné, l’estimation ultérieure du SOC sera également erronée jusqu’à ce que le système soit corrigé. Si la capacité de la batterie change en raison du vieillissement, mais que le BMS utilise toujours l’ancienne valeur de capacité, l’estimation du SOC peut devenir imprécise.

C’est pourquoi le comptage coulombien nécessite un étalonnage. Il est puissant pendant le fonctionnement, mais il doit être corrigé par une référence de tension, des modèles de batterie ou d’autres logiques BMS.

Estimation du SOC basée sur un modèle

Les conceptions BMS plus avancées utilisent l’estimation du SOC basée sur un modèle.

Un modèle de batterie décrit le comportement de la batterie dans différentes conditions. Il prend en compte la relation entre la tension, le courant, la température, le SOC, la résistance interne et parfois le vieillissement.

Pendant le fonctionnement, le BMS compare le comportement mesuré de la batterie avec le comportement prédit par le modèle. S’il y a une différence, l’algorithme ajuste l’estimation du SOC.

Certains systèmes peuvent utiliser des algorithmes tels que le filtrage de Kalman ou le filtrage de Kalman étendu. Ces méthodes sont utiles car les batteries sont des systèmes non linéaires. Leur comportement change avec le courant, la température, la plage de SOC et l’état de vieillissement.

L’estimation basée sur un modèle peut améliorer la précision du SOC dans des conditions de charge changeantes. Ceci est important pour un ESS car la batterie peut ne pas fonctionner dans des conditions stables tout le temps. La puissance peut changer en raison de la production solaire, de la demande de charge, des commandes du réseau ou de la stratégie EMS.

Cependant, l’estimation basée sur un modèle dépend également de la qualité du modèle de batterie. Si le modèle ne correspond pas au comportement réel de la batterie, l’estimation du SOC peut toujours être erronée.

Pourquoi les batteries LFP rendent l’estimation du SOC plus difficile

Les batteries LFP sont largement utilisées dans les systèmes de stockage d’énergie car elles offrent de bonnes performances de sécurité, une longue durée de vie et un fonctionnement stable.

Cependant, les batteries LFP ont une courbe de tension relativement plate sur une grande partie de la plage de SOC. Cela signifie que la tension ne peut changer que légèrement même lorsque le SOC réel change de manière significative.

Par conséquent, la tension seule n’est pas suffisante pour une estimation précise du SOC, en particulier dans la région de SOC moyenne. Un ESS basé sur LFP a généralement besoin d’une mesure de courant précise, d’un comptage coulombien, d’une compensation de température, d’une logique d’étalonnage et de modèles de batterie pour estimer le SOC de manière plus fiable.

En bref, le LFP convient aux ESS, mais une estimation précise du SOC dépend toujours d’un BMS performant, d’une bonne détection et d’un étalonnage approprié.

SOC au niveau de la cellule, du module, du rack et du système

Un ESS n’est pas une seule cellule de batterie. Il est construit à partir de nombreuses cellules connectées en modules, packs, racks et parfois en grappes de batteries plus grandes.

Pour cette raison, le SOC n’est pas seulement une valeur au niveau de la cellule. Le BMS peut estimer le SOC à différents niveaux du système.

Le point important est que le SOC au niveau du système est limité par la partie la plus faible du système de batterie.

Pendant la décharge, si une cellule atteint sa limite de tension inférieure plus tôt que les autres, le BMS peut devoir arrêter ou réduire la décharge même si d’autres cellules ont encore de l’énergie restante. Pendant la charge, si une cellule atteint sa limite de tension supérieure plus tôt que les autres, le BMS peut devoir arrêter ou réduire la charge même si le reste de la batterie a encore de la place.

C’est pourquoi la cohérence et l’équilibrage des cellules sont importants.

Un système de batterie bien équilibré peut utiliser sa capacité plus efficacement. Un système mal équilibré peut avoir moins d’énergie utilisable, même si la capacité nominale théorique semble importante.

Dans le fonctionnement pratique d’un ESS, l’estimation du SOC et l’équilibrage des cellules sont étroitement liés. Le système n’est pas seulement en train d’estimer la quantité de charge restante ; il gère également la manière dont cette charge peut être utilisée en toute sécurité et de manière uniforme.

Le SOC et le SOH sont liés, mais ne sont pas identiques

Le SOC ne doit pas être confondu avec le SOH.

Le SOC nous indique à quel point la batterie est pleine à un instant donné. Le SOH, ou « State of Health » (état de santé), nous indique à quel point la batterie a vieilli par rapport à son état d’origine.

Le lien est important car le SOC est calculé sur la base de la capacité utilisable. Si la batterie est neuve, 80 % de SOC peuvent représenter près de 80 % de son énergie utilisable d’origine. Après des années de fonctionnement, la batterie peut ne plus avoir la même capacité utilisable. Dans ce cas, 80 % de SOC signifie toujours que la batterie est pleine à 80 %, mais c’est 80 % d’une capacité plus petite.

Par exemple, un nouveau système de batterie peut avoir 100 kWh d’énergie utilisable. À 80 % de SOC, il peut avoir environ 80 kWh disponibles. Si la batterie se dégrade ensuite à 90 kWh de capacité utilisable, alors 80 % de SOC représentent environ 72 kWh à la place.

C’est pourquoi le SOC doit être lu conjointement avec le SOH lors de l’évaluation des performances à long terme d’un ESS. Le SOC nous indique le niveau de charge actuel. Le SOH nous indique la quantité de capacité de batterie utilisable restante après le vieillissement.

Causes courantes d’erreur de SOC

Une erreur de SOC peut se produire parce que le BMS estime une condition qui ne peut pas être mesurée directement. L’estimation dépend des données des capteurs, des modèles de batterie, des hypothèses de capacité et de l’historique de fonctionnement. Si l’une de ces entrées est imprécise, le SOC affiché peut s’éloigner de l’état réel de la batterie.

Cause	Pourquoi cela affecte l’estimation du SOC
Erreur du capteur de courant	Le comptage coulombien dépend d’une mesure précise du courant. Même une petite erreur de courant peut s’accumuler au fil du temps et provoquer une dérive du SOC.
SOC initial erroné	Si le BMS démarre avec une valeur de SOC incorrecte, le calcul ultérieur peut rester imprécis jusqu’à ce que le système soit corrigé.
Vieillissement de la batterie	À mesure que la batterie vieillit, la capacité utilisable change. Si le BMS ne met pas à jour l’estimation de la capacité, le SOC peut ne plus refléter l’énergie réelle disponible.
Changement de température	La température affecte la réponse en tension, la puissance disponible et la capacité utilisable, en particulier dans des conditions de basse température.
Déséquilibre des cellules	Certaines cellules peuvent atteindre les limites de tension plus tôt que d’autres, forçant le système à arrêter la charge ou la décharge avant que toute la capacité ne soit entièrement utilisée.
Fonctionnement prolongé sans étalonnage	Si le système fonctionne pendant une longue période sans repos, correction de référence ou réétalonnage, la dérive du SOC peut augmenter.

Pourquoi le SOC est important lors du choix d’un ESS

Lors du choix d’un ESS, le SOC peut ressembler à une simple valeur d’affichage logicielle. En réalité, il reflète la manière dont le système comprend et gère la batterie.

Une estimation fiable du SOC dépend de plusieurs parties du système travaillant ensemble : des capteurs précis, un BMS performant, des modèles de batterie appropriés, un étalonnage correct, une bonne cohérence des cellules et une gestion thermique stable. Si ces parties sont faibles, la valeur du SOC peut sembler normale à l’écran mais ne pas représenter avec précision l’énergie utilisable réelle.

Ceci est important dans les projets réels. Pour l’alimentation de secours, une estimation imprécise du SOC peut entraîner des attentes de durée de fonctionnement erronées. Pour le stockage solaire, cela peut affecter la quantité d’énergie solaire que la batterie peut absorber. Pour l’écrêtement des pics, cela peut affecter la disponibilité de la batterie lorsque la charge atteint une période de forte demande.

Ainsi, lors de la comparaison des solutions ESS, il ne suffit pas de regarder uniquement l’énergie nominale. Il est préférable de prendre également en compte l’énergie utilisable, la conception du BMS, l’équilibrage des cellules, la surveillance du SOH, la gestion thermique, la plage de température de fonctionnement, les conditions de garantie et l’application réelle.

En bref, la précision du SOC fait partie de la fiabilité de l’ESS. Elle affecte la quantité d’énergie que le système peut utiliser, la sécurité de son fonctionnement et la prévisibilité de ses performances au fil du temps.

Conclusion

Le SOC, ou « State of Charge » (état de charge), décrit la charge utilisable restante d’une batterie. Dans un système de stockage d’énergie par batterie, c’est l’un des paramètres de fonctionnement les plus importants.

Le SOC aide le système à estimer l’énergie disponible, à contrôler la charge et la décharge, à protéger la batterie, à gérer la réserve de secours et à soutenir les stratégies de gestion de l’énergie.

Cependant, le SOC n’est pas mesuré directement. Il est estimé par le BMS à l’aide de la tension, du courant, de la température, des modèles de batterie et de l’historique de fonctionnement.

Comprendre le SOC est une étape fondamentale mais importante pour comprendre comment fonctionne réellement un système de stockage d’énergie par batterie.

FAQ

Le SOC signifie « State of Charge » (état de charge). Il indique la quantité de charge utilisable restante dans la batterie par rapport à sa capacité disponible. Dans un ESS, le SOC n’est pas seulement une valeur d’affichage. Il est également utilisé pour le contrôle de la charge, le contrôle de la décharge, la réserve de secours et la protection de la batterie.

Non. Le SOC n’est pas mesuré directement par un capteur. Le BMS estime le SOC à l’aide de valeurs mesurables telles que la tension, le courant, la température, le temps de fonctionnement, la capacité de la batterie et l’historique de la batterie.

Le SOC est généralement estimé en combinant plusieurs méthodes. Les méthodes courantes incluent l’estimation de la tension en circuit ouvert, le comptage coulombien et l’estimation basée sur un modèle. Dans les applications ESS réelles, le BMS combine souvent ces méthodes au lieu de ne s’appuyer que sur une seule.

La tension peut aider à estimer le SOC, mais elle a des limites. Pendant la charge ou la décharge, la tension aux bornes est affectée par le courant, la résistance interne, la température et l’historique de fonctionnement récent. Pour les batteries LFP, la courbe de tension est également relativement plate sur une grande partie de la plage de SOC, de sorte que les changements de tension peuvent être trop faibles pour estimer le SOC avec précision par elle-même.

Le comptage coulombien est une méthode qui estime le SOC en mesurant le courant au fil du temps. Lorsque la batterie se charge, le BMS ajoute de la charge à l’estimation du SOC. Lorsque la batterie se décharge, le BMS soustrait de la charge à l’estimation du SOC. Il est utile pendant le fonctionnement réel, mais de petites erreurs de mesure de courant peuvent s’accumuler au fil du temps.

Le SOC peut devenir imprécis en raison d’une erreur du capteur de courant, d’un SOC initial erroné, du vieillissement de la batterie, des changements de température, d’un déséquilibre des cellules ou d’un fonctionnement prolongé sans étalonnage. C’est pourquoi le BMS a besoin d’une logique de correction et d’étalonnage.

Le SOC indique à quel point la batterie est pleine à un instant donné. Le SOH, ou « State of Health » (état de santé), indique à quel point la batterie a vieilli par rapport à son état d’origine. Une batterie peut afficher 80 % de SOC, mais l’énergie utilisable réelle dépend également de son SOH.