Comprendre comment utiliser le SoC
« 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 (SOC) d'une cellule peut être défini comme la capacité disponible restante à un moment donné en fonction de sa capacité totale. En d'autres termes, il indique la quantité d'énergie actuellement stockée dans la batterie par rapport à la quantité que la batterie peut contenir lorsqu'elle est complètement chargée.
Lorsqu'il est question de la surveillance des batteries dans le cadre d'opérations sur le terrain, l'indicateur SOC doit être considéré avec prudence. Il existe différentes manières de calculer et d'afficher le SOC d'une batterie en fonction du cadre de référence.
En fait, les fabricants de systèmes de batteries donnent souvent aux opérateurs accès à un SOC révisé appelé «user SOC». Le user SOC est un SOC affiché qui résulte des stratégies de limitation de charge et de tension mises en œuvre par l'OEM afin d'éviter, dans la plupart des cas, la surcharge ou la sous-décharge. L'affichage d'un user SOC au lieu du SOC réel de la batterie permet aux OEM d'éviter ainsi un vieillissement accéléré de la batterie, mais implique un niveau d'opacité contraignant sur l'indicateur affiché. Se fier uniquement au user SOC 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 de SOC de la batterie a un impact direct sur son vieillissement, il est essentiel d'avoir accès à un SOC précis et représentatif.
Pourquoi est-il difficile d'estimer précisément le SOC ?
Pour estimer le SOC d'une batterie, la plupart des systèmes de gestion de batterie (BMS) mesurent sa tension et le débit de charge / décharge actuel. 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 C - doivent être prises en compte lors de l'estimation du SOC d'une batterie. Dans les meilleurs cas, le SOC calculé par le BMS est basé sur un SOC coulométrique de base avec des saturations lorsque la tension minimale de la cellule (correspondant à la tension maximale de la cellule) atteint les seuils de tension minimum (ou maximum) à 0 % et 100 % - ces seuils étant limités en cas de user SOC (voir ci-dessus).
Étant donné que le SOC est lié 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 taux de 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 taux de 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 - État de santé (SOH). D'autant plus qu'une batterie se dégrade avec le temps et que sa capacité diminue : pour estimer avec précision le SOC, vous devez d'abord être en mesure d'avoir une mesure fiable du SOH. Il est donc crucial de tenir compte de la capacité réelle - basée sur l'état de santé (SOH).
En savoir plus sur la dégradation de la batterie
Un SOC fiable serait alors défini comme une fonction de SOH, Courant et Température, SOC = f(Cref, I, T) avec Cref = f(SOH).
La figure 1 montre le coefficient de correction (Cref) permettant d'obtenir toute valeur de capacité - SOH - mesurée à une température et un courant donnés dans une condition nominale. Les conditions nominales étant la température nominale et le taux C tels que définis par la fiche technique de la batterie - par exemple T=25°C et Crate=0.5.
Impact du déséquilibre des cellules sur l'estimation du SOC
Le BMS doit être en mesure de 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 que cell_volt_min atteint le seuil de tension minimale (voir ci-dessus).
Malheureusement, en cas de déséquilibre significatif des cellules au sein d'un pack batterie, les cellules limitantes peuvent impacter l'énergie disponible. Si le BMS ne tient pas compte de ce déséquilibre – ce qui est très souvent le cas pour la dispersion de SOH ou la dispersion de SOC pour les cellules LFP – l'indicateur SOC est finalement inexact.
En savoir plus sur les spécificités des LFP par rapport aux NMC
Figure 2. Déviation du SOC sur un pack de batteries LFP de bus électrique
La figure 2 illustre un cas d'utilisation extrême de déviation de SOC sur un bus électrique. La précision de ce SOC BMS a été considérablement affectée en raison du vieillissement avancé et du déséquilibre des cellules au sein du pack batterie LFP. On peut observer que lors d'une charge complète à courant constant, le SOC BMS varie très peu, probablement en raison des cellules limitantes qui ont considérablement réduit la capacité disponible de la batterie. Dans ce cas précis, le BMS ne procède même pas à une estimation coulométrique du SOC. Autrement, la courbe “SOC BMS” aurait eu la même pente que le “SOC PowerUp” à partir d'environ 20h30. Le déséquilibre des cellules et le manque de réactivité du BMS dans ce cas particulier conduisent finalement à une déviation de SOC de 75 %.
De plus, le BMS ne recalibre pas le SOC à 100 % lorsque la tension maximale des cellules dépasse son seuil maximal – 3,65 V. Dans l'ensemble, le déséquilibre des cellules dû à la dispersion du SOC et le risque potentiel de surtension représentent un risque de sécurité critique pouvant entraîner un emballement thermique.
Comprendre l'état de charge (SoC) : En bref
L'estimation du SOC en fonctionnement est un défi essentiel que les opérateurs de batteries doivent relever pour tirer le meilleur parti de ses performances. Cependant, l'estimation du SOC est un problème complexe et multiforme qui nécessite une compréhension approfondie de la chimie des batteries, ainsi que des outils et des techniques d'analyse avancés.
- Se fier uniquement au user SOC ne fournit pas aux opérateurs des informations précises sur l'état de charge réel de la batterie au fil du temps. Il est essentiel d'avoir accès à une estimation précise du SOC 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 pack batterie. Dans ce cas, sans calibration, le SOC estimé est incorrect et la cellule limitante impacte l'énergie disponible.
- Un SOC fiable doit être défini comme une fonction de SOH, Courant et Température, SOC = f(Cref, I, T) avec Cref = f(SOH).
Cependant, il n'existe pas de recette miracle 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.
