O que é o SOC? Como o Estado de Carga da Bateria é Estimado num ESS

SOC significa State of Charge (Estado de Carga). Descreve quanta carga utilizável resta numa bateria em comparação com a sua capacidade disponível.

À primeira vista, o SOC parece simples. É frequentemente apresentado como uma percentagem, semelhante ao nível da bateria num telemóvel. Se uma bateria apresentar 80 % de SOC, normalmente entendemos que a bateria ainda tem cerca de 80 % da sua carga utilizável disponível.

No entanto, num sistema de armazenamento de energia em bateria, o SOC é mais do que um número num ecrã. É um dos principais parâmetros operacionais utilizados pelo BMS, PCS e EMS para controlar a forma como o sistema carrega, descarrega, protege a bateria e gere a energia disponível.

Mais importante ainda, o SOC não é medido diretamente por um sensor. A tensão, a corrente e a temperatura podem ser medidas diretamente. O SOC não. Tem de ser estimado.

O que Significa SOC num Sistema de Armazenamento de Energia em Bateria?

Numa definição simples, SOC significa a carga utilizável restante de uma bateria expressa em percentagem.

Uma bateria com 100 % de SOC é considerada totalmente carregada dentro da sua gama de operação utilizável. Uma bateria com 0 % de SOC é considerada totalmente descarregada dentro da sua gama de operação utilizável.

Isto nem sempre significa que a bateria está fisicamente carregada até ao seu máximo químico absoluto ou descarregada até ao seu mínimo químico absoluto. Na maioria dos sistemas de armazenamento de energia, o BMS define uma janela utilizável segura para evitar sobrecargas, descargas excessivas e stress excessivo da bateria.

Por exemplo, um ESS pode ser concebido para operar entre 10 % e 90 % de SOC. Neste caso, o sistema protege la bateria evitando as regiões superiores e inferiores de maior stress.

Num ESS, o SOC ajuda o sistema a responder a várias questões importantes:

• Quanta energia ainda está disponível para descarga?
• A bateria deve continuar a carregar?
• A energia de reserva de backup ainda está disponível?
• A bateria está a operar dentro de uma gama segura?

Estas questões mostram por que razão o SOC é importante para a operação de armazenamento de energia. Liga a condição interna da bateria com a estratégia de potência externa de todo o sistema.

Por que razão o SOC é Importante num ESS

Por exemplo, um sistema de armazenamento solar precisa de saber se a bateria ainda tem espaço para armazenar mais energia solar. Um sistema de energia de backup precisa de saber se existe energia de reserva suficiente disponível.

Se a estimativa de SOC for demasiado alta, o sistema pode esperar mais energia disponível do que a bateria pode realmente fornecer. Se a estimativa de SOC for demasiado baixa, o sistema pode parar de utilizar a bateria demasiado cedo e deixar capacidade útil por utilizar.

É por isso que o SOC não é apenas um valor de visualização. Afeta diretamente o carregamento, o descarregamento, a proteção, a reserva de backup e a gestão de energia.

O SOC Não Pode Ser Medido Diretamente

Um mal-entendido comum é que o SOC pode ser medido diretamente.

Na realidade, não existe um sensor simples que possa ser colocado dentro de uma bateria para ler diretamente “a bateria está com 63 % de carga”.

O BMS pode medir diretamente sinais elétricos e térmicos, tais como tensão, corrente e temperatura. Em seguida, utiliza estes valores, juntamente com modelos de bateria e dados históricos, para estimar o SOC.

Este é o ponto-chave:

O SOC é calculado, não medido diretamente.

O BMS normalmente estima o SOC com base em vários tipos de informação:

• tensão da bateria
• corrente de carga e descarga
• tempo de operação
• temperatura da bateria
• capacidade nominal e utilizável
• química da bateria
• estado de envelhecimento da bateria
• histórico anterior de carga e descarga

Como o SOC é estimado, nunca é perfeitamente absoluto. Um bom BMS pode tornar a estimativa suficientemente precisa para uma operação segura e fiável, mas o SOC deve continuar a ser entendido como uma estimativa de engenharia.

Como o SOC é Estimado

Existem vários métodos utilizados para estimar o SOC. Em aplicações reais de ESS, o BMS normalmente não depende de apenas um método. Combina diferentes métodos para reduzir o erro e melhorar a fiabilidade.

Os três métodos mais importantes são a estimativa da tensão em circuito aberto, a contagem de coulombs e a estimativa baseada em modelos.

Cada método tem pontos fortes e limitações.

Método da Tensão em Circuito Aberto

O método da tensão em circuito aberto estima o SOC a partir da relação entre a tensão da bateria e o nível de carga da bateria.

Quando uma bateria está em repouso e não flui nenhuma corrente significativa, a sua tensão torna-se mais estável. Esta tensão de repouso é designada por tensão em circuito aberto, ou OCV.

Em teoria, a OCV de uma bateria tem uma relação com o SOC. Uma bateria mais carregada tem uma tensão mais elevada e uma bateria mais descarregada tem uma tensão mais baixa. Por conseguinte, o BMS pode comparar a tensão medida com uma curva OCV-SOC conhecida e estimar o SOC.

Este método é útil porque a tensão é fácil de medir. Também pode ajudar a corrigir o desvio do SOC após a bateria ter repousado durante tempo suficiente.

No entanto, o método tem uma limitação importante: a bateria muitas vezes não tem tempo de repouso suficiente para uma estimativa precisa da OCV. Na operação normal de um ESS, a bateria pode carregar ou descarregar frequentemente, pelo que a tensão terminal medida é afetada pela resistência interna, direção da corrente, temperatura e histórico de operação recente. Nessa condição, a tensão terminal não é a mesma que a verdadeira tensão em circuito aberto.

É por isso que a estimativa baseada na OCV é útil para correção e calibração, mas normalmente não é suficiente por si só durante a operação do ESS em tempo real.

Para baterias LFP, este método é ainda mais limitado na gama média de SOC. As baterias LFP têm uma curva de tensão relativamente plana numa grande parte da sua gama de operação. Isto significa que o SOC pode mudar significativamente enquanto a tensão muda apenas ligeiramente.

Como resultado, a tensão por si só não é normalmente suficiente para uma estimativa precisa do SOC num ESS baseado em LFP.

Método de Contagem de Coulombs

A contagem de coulombs é um dos métodos de estimativa de SOC mais comuns em sistemas de baterias.

A ideia básica é simples: o BMS mede a corrente ao longo do tempo e calcula quanta carga entrou ou saiu da bateria.

Quando a bateria carrega, o SOC aumenta. Quando a bateria descarrega, o SOC diminui.

Por exemplo, suponha que uma bateria tem 100 Ah de capacidade utilizável. Se descarregar a 10 A durante 2 horas, descarregou cerca de 20 Ah. Em termos simples, o SOC diminui cerca de 20 % da capacidade utilizável.

Este método é útil porque funciona durante a operação real. A bateria não precisa de repousar. O BMS pode monitorizar continuamente a corrente durante a carga e a descarga.

No entanto, a contagem de coulombs tem uma fraqueza importante: pequenos erros podem acumular-se ao longo do tempo.

Se o sensor de corrente tiver um pequeno erro, esse erro é adicionado ao cálculo do SOC repetidamente. Se o SOC inicial estiver errado, a estimativa posterior do SOC também estará errada até que o sistema seja corrigido. Se a capacidade da bateria mudar devido ao envelhecimento, mas o BMS ainda utilizar o valor da capacidade antiga, a estimativa do SOC pode tornar-se imprecisa.

É por isso que a contagem de coulombs precisa de calibração. É poderosa durante a operação, mas deve ser corrigida por referência de tensão, modelos de bateria ou outra lógica do BMS.

Estimativa de SOC Baseada em Modelos

Os designs de BMS mais avançados utilizam a estimativa de SOC baseada em modelos.

Um modelo de bateria descreve como a bateria se comporta sob diferentes condições. Considera a relação entre tensão, corrente, temperatura, SOC, resistência interna e, por vezes, o envelhecimento.

Durante a operação, o BMS compara o comportamento medido da bateria com o comportamento previsto pelo modelo. Se houver uma diferença, o algoritmo ajusta a estimativa do SOC.

Alguns sistemas podem utilizar algoritmos como a filtragem de Kalman ou a filtragem de Kalman estendida. Estes métodos são úteis porque as baterias são sistemas não lineares. O seu comportamento muda com a corrente, a temperatura, a gama de SOC e a condição de envelhecimento.

A estimativa baseada em modelos pode melhorar a precisão do SOC durante condições de carga variáveis. Isto é importante para um ESS porque a bateria pode não operar sob uma condição estável o tempo todo. A potência pode mudar devido à geração solar, à procura da carga, a comandos da rede ou à estratégia do EMS.

No entanto, a estimativa baseada em modelos também depende da qualidade do modelo da bateria. Se o modelo não corresponder ao comportamento real da bateria, a estimativa do SOC pode ainda estar errada.

Por que razão as Baterias LFP Tornam a Estimativa de SOC Mais Desafiante

As baterias LFP são amplamente utilizadas em sistemas de armazenamento de energia porque oferecem um bom desempenho de segurança, um longo ciclo de vida e uma operação estável.

No entanto, as baterias LFP têm uma curva de tensão relativamente plana em grande parte da gama de SOC. Isto significa que a tensão pode mudar apenas ligeiramente, mesmo quando o SOC real muda significativamente.

Como resultado, a tensão por si só não é suficiente para uma estimativa precisa do SOC, especialmente na região média do SOC. Um ESS baseado em LFP necessita normalmente de uma medição de corrente precisa, contagem de coulombs, compensação de temperatura, lógica de calibração e modelos de bateria para estimar o SOC de forma mais fiável.

Em suma, o LFP é adequado para ESS, mas a estimativa precisa do SOC ainda depende de um BMS capaz, de uma boa deteção e de uma calibração adequada.

SOC ao Nível da Célula, Módulo, Bastidor e Sistema

Um ESS não é uma única célula de bateria. É construído a partir de muitas células ligadas em módulos, packs, bastidores (racks) e, por vezes, clusters de baterias maiores.

Devido a isto, o SOC não é apenas um valor ao nível da célula. O BMS pode estimar o SOC em diferentes níveis do sistema.

O ponto importante é que o SOC ao nível do sistema é limitado pela parte mais fraca do sistema de baterias.

Durante a descarga, se uma célula atingir o seu limite inferior de tensão antes das outras, o BMS pode ter de parar ou reduzir a descarga, mesmo que outras células ainda tenham energia restante. Durante o carregamento, se uma célula atingir o seu limite superior de tensão antes das outras, o BMS pode ter de parar ou reduzir o carregamento, mesmo que o resto da bateria ainda tenha espaço.

É por isso que a consistência e o balanceamento das células são importantes.

Um sistema de baterias bem balanceado pode utilizar a sua capacidade de forma mais eficaz. Um sistema mal balanceado pode ter menos energia utilizável, mesmo que a capacidade nominal teórica pareça grande.

Na operação prática de um ESS, a estimativa de SOC e o balanceamento de células estão estreitamente ligados. O sistema não está apenas a estimar quanta carga resta; está também a gerir a forma segura e uniforme como essa carga pode ser utilizada.

O SOC e o SOH Estão Relacionados, Mas Não São o Mesmo

O SOC não deve ser confundido com o SOH.

O SOC indica-nos quão cheia está a bateria no momento. O SOH, ou State of Health (Estado de Saúde), indica-nos quanto a bateria envelheceu em comparação com a sua condição original.

A ligação é importante porque o SOC é calculado com base na capacidade utilizável. Se a bateria for nova, 80 % de SOC pode representar perto de 80 % da sua energia utilizável original. Após anos de operação, a bateria pode já não ter a mesma capacidade utilizável. Nesse caso, 80 % de SOC continua a significar que a bateria está 80 % cheia, mas são 80 % de uma capacidade menor.

Por exemplo, um novo sistema de baterias pode ter 100 kWh de energia utilizável. Com 80 % de SOC, pode ter cerca de 80 kWh disponíveis. Se a bateria degradar posteriormente para 90 kWh de capacidade utilizável, então 80 % de SOC representa cerca de 72 kWh.

É por isso que o SOC deve ser lido em conjunto com o SOH ao avaliar o desempenho do ESS a longo prazo. O SOC indica-nos o nível de carga atual. O SOH indica-nos quanta capacidade utilizável da bateria resta após o envelhecimento.

Causas Comuns de Erro de SOC

O erro de SOC pode acontecer porque o BMS está a estimar uma condição que não pode ser medida diretamente. A estimativa depende de dados de sensores, modelos de bateria, pressupostos de capacidade e histórico de operação. Se qualquer uma destas entradas for imprecisa, o SOC apresentado pode desviar-se da condição real da bateria.

Causa	Por que razão afeta a estimativa de SOC
Erro do sensor de corrente	A contagem de coulombs depende de uma medição precisa da corrente. Mesmo um pequeno erro de corrente pode acumular-se ao longo do tempo e causar desvio de SOC.
SOC inicial errado	Se o BMS começar com um valor de SOC incorreto, o cálculo posterior pode permanecer impreciso até que o sistema seja corrigido.
Envelhecimento da bateria	À medida que a bateria envelhece, a capacidade utilizável muda. Se o BMS não atualizar a estimativa de capacidade, o SOC pode deixar de refletir a energia real disponível.
Alteração de temperatura	A temperatura afeta a resposta da tensão, a potência disponível e a capacidade utilizável, especialmente em condições de baixa temperatura.
Desequilíbrio de células	Algumas células podem atingir os limites de tensão mais cedo do que outras, forçando o sistema a parar de carregar ou descarregar antes que toda a capacidade seja totalmente utilizada.
Longa operação sem calibração	Se o sistema operar durante muito tempo sem repouso, correção de referência ou recalibração, o desvio do SOC pode aumentar.

Por que razão o SOC é Importante ao Selecionar um ESS

Ao selecionar um ESS, o SOC pode parecer um simples valor de visualização de software. Na realidade, reflete a forma como o sistema compreende e gere a bateria.

Uma estimativa fiável do SOC depende de várias partes do sistema a trabalharem em conjunto: sensores precisos, um BMS capaz, modelos de bateria adequados, calibração correta, boa consistência das células e uma gestão térmica estável. Se estas partes forem fracas, o valor do SOC pode parecer normal no ecrã, mas falhar na representação precisa da energia utilizável real.

Isto é importante em projetos reais. Para energia de backup, uma estimativa imprecisa do SOC pode levar a expetativas erradas de tempo de funcionamento. Para o armazenamento solar, pode afetar a quantidade de energia solar que a bateria pode absorver. Para o peak shaving, pode afetar se a bateria está disponível quando a carga atinge um período de elevada procura.

Assim, ao comparar soluções de ESS, não basta olhar apenas para a energia nominal. É preferível considerar também a energia utilizável, o design do BMS, o balanceamento das células, a monitorização do SOH, a gestão térmica, a gama de temperaturas de operação, as condições de garantia e a aplicação real.

Em suma, a precisão do SOC faz parte da fiabilidade do ESS. Afeta a quantidade de energia que o sistema pode utilizar, a segurança com que opera e a previsibilidade do seu desempenho ao longo do tempo.

Conclusão

O SOC, ou Estado de Carga, descreve a carga utilizável restante de uma bateria. Num sistema de armazenamento de energia em bateria, é um dos parâmetros operacionais mais importantes.

O SOC ajuda o sistema a estimar a energia disponível, controlar a carga e a descarga, proteger a bateria, gerir a reserva de backup e apoiar estratégias de gestão de energia.

No entanto, o SOC não é medido diretamente. É estimado pelo BMS utilizando a tensão, a corrente, a temperatura, os modelos de bateria e o histórico de operação.

Compreender o SOC é um passo básico mas importante para entender como funciona realmente um sistema de armazenamento de energia em bateria.

Perguntas Frequentes

SOC significa State of Charge (Estado de Carga). Indica quanta carga utilizável resta na bateria em comparação com a sua capacidade disponível. Num ESS, o SOC não é apenas um valor de visualização. É também utilizado para o controlo de carga, controlo de descarga, reserva de backup e proteção da bateria.

Não. O SOC não é medido diretamente por um sensor. O BMS estima o SOC utilizando valores mensuráveis, tais como tensão, corrente, temperatura, tempo de operação, capacidade da bateria e histórico da bateria.

O SOC é normalmente estimado através da combinação de vários métodos. Os métodos comuns incluem a estimativa da tensão em circuito aberto, a contagem de coulombs e a estimativa baseada em modelos. Em aplicações reais de ESS, o BMS combina frequentemente estes métodos em vez de depender de apenas um.

A tensão pode ajudar a estimar o SOC, mas tem limitações. Durante a carga ou descarga, a tensão terminal é afetada pela corrente, resistência interna, temperatura e histórico de operação recente. Para as baterias LFP, a curva de tensão é também relativamente plana em grande parte da gama de SOC, pelo que as alterações de tensão podem ser demasiado pequenas para estimar o SOC com precisão por si só.

A contagem de coulombs é um método que estima o SOC através da medição da corrente ao longo do tempo. Quando a bateria carrega, o BMS adiciona carga à estimativa do SOC. Quando a bateria descarrega, o BMS subtrai carga da estimativa do SOC. É útil durante a operação real, mas pequenos erros de medição da corrente podem acumular-se ao longo do tempo.

O SOC pode tornar-se impreciso devido a erros no sensor de corrente, SOC inicial errado, envelhecimento da bateria, alterações de temperatura, desequilíbrio das células ou operação prolongada sem calibração. É por isso que o BMS necessita de lógica de correção e calibração.

O SOC indica quão cheia está a bateria no momento. O SOH, ou State of Health (Estado de Saúde), indica quanto a bateria envelheceu em comparação com a sua condição original. Uma bateria pode apresentar 80 % de SOC, mas a energia utilizável real também depende do seu SOH.