"L'état de charge (SOC) d'une cellule indique la capacité actuellement disponible (Q(t)) en fonction de la capacité nominale (Qn) : SOC(t)=Q(t)/Qn".
L'état de charge d'une cellule (SOC) peut être défini comme la capacité disponible restante à un moment donné en fonction de sa pleine capacité. En d'autres termes, il indique la quantité d'énergie actuellement stockée dans la batterie par rapport à la quantité qu'elle peut contenir lorsqu'elle est complètement chargée.
Lorsque l'on parle de surveillance de la batterie dans le cadre d'opérations sur le terrain, l'indicateur SOC doit être pris avec précaution. Il existe différentes manières de calculer et d'afficher l'état de charge d'une batterie, selon le cadre de référence de chacun.
En fait, les fabricants de systèmes de batteries donnent souvent aux opérateurs l'accès à un état de charge révisé appelé "état de charge de l'utilisateur". Le SOC utilisateur est un SOC affiché qui résulte des stratégies de limitation de la charge et de la tension mises en œuvre par l'équipementier pour éviter, dans la plupart des cas, la surcharge ou la sous-décharge. L'affichage d'un état de charge utilisateur au lieu de l'état de charge réel de la batterie permet aux équipementiers d'éviter le vieillissement accéléré de la batterie, mais implique un niveau d'opacité contraignant pour l'indicateur affiché. Le fait de se fier uniquement à l'état de charge de l'utilisateur ne fournit pas aux opérateurs des informations précises sur l'état de charge réel de la batterie au fil du temps. Sachant que le niveau d'état de charge de la batterie a un impact direct sur son vieillissement, il est essentiel d'avoir accès à un état de charge précis et représentatif.
Pourquoi est-il difficile d'estimer avec précision le SOC ?
Pour estimer le SOC d'une batterie, la plupart des systèmes de gestion de batterie (BMS) mesurent le débit de charge/décharge de la batterie. Bien que ces mesures soient susceptibles d'être cohérentes pour l'estimation du SOC dans des conditions de laboratoire, elles ne sont pas suffisamment précises lorsqu'il s'agit du fonctionnement réel de la batterie sur le terrain.
En fait, les conditions générales de fonctionnement de la batterie - température, taux de C - doivent être prises en compte lors de l'estimation du SOC de la batterie. Dans le meilleur des cas, le SOC calculé par le BMS est basé sur le SOC coulométrique de base avec des saturations lorsque la tension minimale de la cellule (correspondante à la tension maximale de la cellule) atteint les seuils de tension minimale (ou maximale) à 0% et 100% - ces seuils étant limités dans le cas du SOC de l'utilisateur (voir ci-dessus).
Puisque le SOC se rapporte à une capacité calculée à un courant et une température donnés, il serait plus correct de prendre en compte ces deux paramètres, à savoir le courant et la température, dans le calcul coulométrique. Dans ce cas, il est essentiel d'effectuer des tests de batterie, au moins en début de vie, afin d'avoir un point de référence et d'extraire la cartographie de la capacité coulométrique en fonction du courant et de la température.
Figure 1. Coefficient alpha pour calculer la capacité disponible d'une cellule Li-ion donnée en fonction du taux C et de la température.
De plus, l'estimation du SOC dépend fortement de la mesure de la capacité de la batterie - l'état de santé (SOH). Cela est d'autant plus vrai qu'une batterie se dégrade avec le temps et que sa capacité diminue : pour estimer avec précision le SOC, il faut d'abord pouvoir disposer d'une mesure fiable de l'état de santé. Il est donc essentiel de prendre en compte la capacité réelle - basée sur l'état de santé (SOH).
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Un SOC fiable serait alors défini comme une fonction du SOH, du courant et de la température, SOC = f(Cref, I, T) avec Cref = f(SOH).
La figure 1 montre le coefficient de correction (Cref) permettant de ramener toute valeur de capacité - SOH - mesurée à une température et un courant donnés à une condition nominale. Les conditions nominales sont la température nominale et le Crate tels que définis par la fiche technique de la batterie - par exemple T=25°C et Crate=0,5.
Impact du déséquilibre cellulaire sur l'estimation du SOC
Le BMS doit pouvoir surveiller la tension de chaque cellule. Sinon, en cas de déséquilibre des cellules, il n'est pas en mesure de couper la charge ou la décharge lorsque cell_volt_max atteint le seuil de tension maximale ou cell_volt_min atteint le seuil de tension minimale (voir ci-dessus).
Malheureusement, s'il existe un déséquilibre important entre les cellules d'un pack de batteries, les cellules limitantes peuvent avoir un impact sur l'énergie disponible. Si le BMS ne prend pas en compte ce déséquilibre - ce qui est très souvent le cas pour la dispersion SOH ou la dispersion SOC pour les cellules LFP - l'indicateur SOC est pratiquement inexact.
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Figure 2. Écart de l'état de charge d'une batterie LFP d'autobus électrique
La figure 2 illustre un cas d'utilisation extrême d'écart de SOC sur un bus électrique. La précision de ce BMS SOC a été considérablement affectée en raison du vieillissement avancé et du déséquilibre des cellules au sein de la batterie LFP. On peut observer qu'au cours d'une charge complète à courant constant, le BMS SOC varie très peu, probablement en raison des cellules limitantes qui ont réduit de manière significative la capacité disponible de la batterie. Dans ce cas précis, le BMS ne procède même pas à l'estimation coulométrique du SOC. Sinon, la courbe "SOC BMS" aurait eu la même pente que la courbe "SOC PowerUp" à partir de 20:30 environ. Le déséquilibre des cellules et le manque de réactivité du BMS dans ce cas particulier conduisent finalement à un écart de SOC de 75%.
En outre, le BMS ne recalibre pas le SOC à 100 % lorsque le volume maximal de la cellule dépasse son seuil maximal - 3,65 V. Dans l'ensemble, le déséquilibre de la cellule dû à la dispersion du SOC et la situation de surtension potentielle représentent un risque de sécurité critique qui peut conduire à un emballement thermique.
En bref
L'estimation du niveau de charge (SOC) en cours d'exploitation est un défi critique que les opérateurs de batteries doivent relever pour tirer le meilleur parti de leurs performances. Cependant, l'estimation du niveau de charge est un problème complexe et à multiples facettes qui nécessite une compréhension approfondie de la chimie des batteries, ainsi que des outils et des techniques d'analyse avancés.
- En se basant uniquement sur l'état de charge de l'utilisateur, les opérateurs ne disposent pas d'informations précises sur l'état de charge réel de la batterie en dehors des heures de service. Il est essentiel d'avoir accès à une estimation précise de l'état de charge de la batterie, en particulier pour évaluer la durée de vie utile restante.
- Le BMS peut être impuissant face à un déséquilibre important des cellules au sein d'un bloc-batterie. Dans ce cas, sans étalonnage, l'estimation de l'état de charge est incorrecte et la cellule limitante a un impact sur l'énergie disponible.
- Un SOC fiable doit être défini comme une fonction du SOH, du courant et de la température, SOC = f(Cref, I, T) avec Cref = f(SOH).
Cependant, il n'y a pas de recette magique pour estimer avec précision le SOC d'une batterie, différents paramètres doivent être pris en compte. Nous vous en dirons plus dans les prochains articles sur les méthodologies avancées d'estimation du SOC et du SOH.
