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26 juil 2018
Ken CollisonVP
Résilience du système
d'alimentation
Stockage d'énergie : Possibilités et écueils
Atelier au sujet des normes et des technologies pour soutenir le développement énergétique du Bénin
Cotonou, Bénin
Présentation de l'entreprise ICF
Entreprise mondiale
proposant des services
professionnels,
technologiques et de
marketing
de chiffre d’affaires annuel
+1 Billion USD$
80 nationalitéslangues
parlant plus de
70
Plus de
5 000 Personnes
Une présence mondiale avec plus de 65
bureaux dans 14 pays, son siège social
étant dans la région de Washington, DC
ICF : Qui nous
sommesUne multinationale se développant depuis 1969
Résumé
Aperçu du stockage
Technologies de stockage
Systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS)
Applications de stockage par batterie
Tendances des coûts
Stockage par batterie dans la planification de services publics
Avantages
Défis
Rôle du stockage dans l'intégration des énergies renouvelables
Défis posés par l'intégration de l'énergie renouvelable
Solutions de stockage par batterie
3
Informations exclusives et confidentielles à ICF Ne pas copier,
distribuer ou communiquer.
Informations exclusives et confidentielles à ICF Ne pas copier,
distribuer ou communiquer.
Informations exclusives et confidentielles à ICF Ne pas copier,
distribuer ou communiquer. 4
Aperçu du stockage
Technologies et applications
Technologies de stockage
5
Électromécanique
• Énergie hydraulique par pompage
• Air comprimé (CAES)
• Volant d'inertie (FES)
Électrochimique - Batteries à état solide
• Lithium-ion (Li-ion)
• Sodium-soufre (NAS)
• Plomb-acide (PbA)
• Nickel-cadmium (NiCad)
Électrochimique - Batteries à flux
• Vanadium redox (VRB)
• Zinc-brome (ZnBr)
Thermique
• Sel fondu
• Stockage d'énergie à air liquide
Magnétique
• Stockage d'énergie magnétique supraconducteur (SMES)
Classement des technologies de stockage d'énergie
Source : State Of Charge, Massachusetts Energy Storage Initiative Study
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Le lithium-ion offre une puissance et une densité d'énergie élevées avec un
cycle de vie modéré
Les batteries à flux ont le potentiel d’atteindre une longue durée de vie, la
technologie principale étant le vanadium redox
Comparaison des technologies de batterie
7
Schéma d'un système de stockage d’énergie par batterie
Un système de stockage
de l'électricité comprend
Unité de stockage
Dispositif électronique de
conversion d'énergie.
Ils sont complétés par
d'autres composants
« balance of plant » :
Systèmes de surveillance et
de contrôle
Bâtiment ou boîtier physique
Appareillage électrique
Matériel pour la connexion
au réseau ou à la charge du
client.
8
Source : Sandia National Laboratory
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Composants des systèmes de stockage d'énergie par
batterie - II
9
Batterie/système
de gestion de
batterie
Convertisseur de
puissanceDisjoncte
ur/comm
utateur
Disjoncte
ur/comm
utateurTransformateur
Disjoncte
ur/comm
utateur
Réseau
d’aliment
ation
Contrôle Protection
Surveillance et communications
Composant Fonction
Batterie Mécanisme de stockage qui contient l'énergie/charge dans le système pour
l'utiliser à un autre moment.
Système de gestion
de batterie
Système de contrôle intégré avec module de batterie, souvent procuré par le
fournisseur de la batterie. Surveille et contrôle les tensions, la température,
l'équilibrage, etc. du module de batterie.
Convertisseur Appareil qui convertit le courant continu en courant continu.
Onduleur Appareil qui convertit le courant continu en courant alternatif ou vice versa.
Module de contrôle de
l'alimentation/Systèm
e de gestion de
l'énergie
Contrôles (matériel et logiciel) qui gèrent le fonctionnement du système de
stockage d'énergie. Peut inclure une interaction avec le réseau. Également
appelé le contrôleur maître.
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Composants d'un systèmes de stockage d'énergie par
batterie (BESS)
10
Batterie/système
de gestion de
batterie
Convertisseur de
puissanceDisjoncte
ur/comm
utateur
Disjoncte
ur/comm
utateurTransformateur
Disjoncte
ur/comm
utateur
Convertis
seur de
puissanc
e
Grille
Contrôle Protection
Surveillance et communications
Batteries/système de gestion de batteries
Convertisseurs/onduleurs
Module de contrôle de
l'alimentation/Système de gestion de
l'énergie
Contrôle, protection, surveillance et communications
Autres composants
o Efficacité aller-retour
o État de charge (énergie)
o Cycles par année
o Capacité, durée (kWh, h)
o Dégradation/vie
o Conditions de service : température,
puissance, plage en SOE, SOE en
veille, cycles par jour, temps calendaire
Mesures d’un BESSComposants d’un BESS
Architecture de stockage couplée CA
Avantages
Facile à adapter à des actifs
existants
Peut interfacer directement avec
le réseau
Peut prendre en charge des
services en amont du compteur
(IFM) et en aval du compteur
(BTM)
Inconvénients
Les services BTM peuvent exiger
une conversion supplémentaire
(CC/CA)
Ne peut pas récolter de l'énergie
écrêtée dans les systèmes PV
Peut être limité par des PPA/IA
existants ou peut nécessiter une
nouvelle négociation11
+-
=
~…Rés
eau
=
~
Onduleur CC/CA
Onduleur CC/CABatterie
Panneaux solaires
Cycle de décharge
Cycle de charge
Architecture de stockage couplée CC
Avantages
Recommandé pour applications
BTM
Peut capturer de l’énergie écrêtée
dans des systèmes à fort ratio
CC/CA
Inconvénients
Services IFM plus difficiles à
servir, conversion supplémentaire
Moins résistant
Certains marchés ont des
restrictions sur la taille des
systèmes à couplage CC
12
+-
=
=
=
~…Rés
eau
Onduleur CC/CA
Convertisseur CC/CCBatterie
Panneaux solaires
Cycle de charge
Cycle de décharge
Nombre de cycles de la batterie
Dégradation de la batterie en
partie déterminée par le débit
d'énergie ou les cycles
Nombre de cycles types de
fin de vie (EOL) jusqu'à
atteindre 80 % de la capacité
nominale de la batterie
Les cas d'utilisation ont un
impact sur le nombre de
cycles de la batterie
D'autres facteurs influent sur
le cycle de vie
Température
C-Rate
Profondeur de décharge (DOD)
État de charge de veille(SOC)
/État de l'énergie (SOE)
13Nombre de cycles
ÉlevéFaible
Évitement
des
délestages
UPS/redém
arrage à
froid
Réserve/demande
de réduction de
charge
Décalage
temporel/arbitrag
e dans le secteur
de l'énergie
Réglementat
ion
SO
E e
n v
eill
e
Fa
ible
Éle
vé
Vie utile des batteries
Les batteries sont aussi
affectées par la dégradation
de leur vie utile, entrainant
une réduction de leur
capacité
Est fonction de
l’autodécharge et de
réactions au niveau interne
Varie largement selon le
fabricant
Les facteurs comprennent
Température
DOD
SOC/SOE
14
80 % EOL
Applications de ressources de stockage - I
15
Services d’énergie de
masse
Décalage temporel de
l'énergie électrique (arbitrage)
Report des ressources
de production
Services auxiliaires
Régulation
Réserves de fonctionnement
Maintien de tension
Redémarrage à froid
Services d'infrastructure
de transport
Report de mise à niveau du transport
Soulagement de la
congestion du transport
Services d'infrastructure de distribution
Report de mise à
niveau de distribution
Maintien de tension
Services de gestion de l'énergie du
client
Qualité de l'alimentation
Fiabilité de l'alimentation
Décalage temporel de
l'énergie électrique au
détail
Gestion de la charge de la demande
Systèmes hors réseau
Systèmes solaires
domestiques
Mini-réseaux :
Services du stabilité du système
Source : U.S DOE/EPRI et ICF
Applications de ressources de stockage - II
16
Application Description
Arbitrage de
l'énergie
Charge le système de stockage avec l'électricité achetée au cours
des périodes d’heure creuse et décharge l'électricité vers le
réseau pendant celles d’heure pleine
Report des
ressources de
production
Réduit ou diminue le besoin d'installer de nouvelles capacités de
production
Capacité de réserveMaintient le fonctionnement lorsqu'une partie de l'alimentation
normale n'est plus disponible
Complément de
capacité
La puissance de sortie variable, intermittente d'une centrale de
production d'énergies renouvelables peut être maintenue à un
niveau déterminé pour une période de temps. Le système de
stockage d'énergie lisse la sortie et contrôle la montée en
puissance pour éliminer les fluctuations rapides de tension et de
puissance sur le réseau électrique
Maintien de tensionS'oppose aux effets réactifs à la tension du réseau qu'elle puisse
être maintenue ou rétablie
Applications de ressources de stockage - III
17
Application Description
Soutien au transport
Améliore les performances du système de transport et de
distribution en compensant les irrégularités électriques et les
interruptions
Soulagement de la
congestion du
transport
Évite les coûts liés à la congestion en déchargeant au cours de la
demande de pointe pour réduire les besoins en capacité de
transport
Report et
substitution de mise
à niveau du T&D
Retarde ou évite la nécessité d'améliorer l’infrastructure de
transport et/ou de distribution
Fiabilité de
l'alimentation
Fournit de l'énergie pendant les pannes de courant totales
prolongées
Qualité de
l'alimentation
Protège les charges sur site lors des épisodes de qualité
amoindrie en utilisant le stockage d'énergie pour offrir une
protection contre les variations de fréquence, les facteurs de
réduction de puissance et d'autres interruptions
Régulation/contrôle
de fréquence
Maintient l'équilibre entre l'offre et la demande pour réguler la
fréquence du système
Exigences des applications - Exemple
18
ApplicationTemps de
réponse
Durée de
décharge
Efficacité
aller-retour
Nombre de
cycles (type)
Complément de
capacité1 à 2 secondes
Minutes à
heures75-90 % ~ 2 par jour
Arbitrage de l'énergie 5 à 30 minutes 2 à 6 heures 70-80 % ~ 1 par jour
Régulation de
fréquenceSecondes
15 minutes à 2
heures75-90 % 20 à 40 par jour
Maintien de tensionMillisecondes à
secondes
1 seconde à 1
minute־־ 10 à 100 par jour
Soutien au transport >1 heure 2 à 4 heures 99,9 % 1 par jour
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La durée de l’énergie stockée importe...
Le premier bloc d’1 heure fournit la plus haute valeur de capacité (incrémentale)
Un stockage de l'énergie de plus de 4 heures offre ≈ 100 % de valeur de capacité
Valeur incrémentale de la
capacité
1er bloc horaire – 46 %
2e bloc horaire – 20 %
Effet de saturation entre en
action pour le stockage > 4
h
46%
66%
+20%
Valeur de la suffisance des ressources depuis le stockage
19
Applications de stockage par batterie à grande échelle aux États-Unis (2016)
20
Source : U.S. Energy Information Administration
Parts de capacité d’alimentation globale de stockage d’énergie par principaux cas d'utilisation et groupe de technologies
22Source : IRENA
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Aperçu du stockage
Tendances des coûts
Diminution des coûts des énergies renouvelables
31
Source : Public Service Company of Colorado, 2017 All Source Solicitation
Potentiel de réduction des coûts de batterie par source
32
Note: Batterie au phosphate de fer lithié type
Source : IRENA
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Avantages et inconvénients d’un système de batteries pour la planification d'un service public
Avantages et défis du stockage dans la planification d'un service public
Avantage
Montée en puissance rapide
Aucun coût de démarrage ou d’arrêt
Cycle rapide
Moins de problèmes de permis et d'implantation
Peut être déployé à proximité d’une zone de besoin
Défis
Énergie limitée
Coût augmentant avec la durée
38
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Stockage dans l’intégration d’ER : Défis de la production d'énergie renouvelable
Caractéristiques de la production d'énergie renouvelable
Intermittence et variabilité
Saisonnalité
Défis de prévision
Absence de corrélation
avec la charge
Dépendant de
l'emplacement
Montée en puissance
abrupte
Perte d'inertie
Ressources distribuées
pas acheminables
40
Heure du jour
Pu
issa
nce
de
sort
ie n
orm
alis
ée
Solaire
Éolien
Profils éolien et solaire - Exemple
Caractéristiques de la production d'énergie renouvelable
41
Intermittence
La production de ressources
n'est pas disponible tout le temps
Variabilité non contrôlée
modifications ponctuelles des
ressources
nécessite une alimentation
supplémentaire, une régulation
de fréquence, un maintien de
tension
Imprévisibilité partielle
requiert une précision
prévisionnelle limitée
Dépendance à l'emplacement
ne peut être optimal par rapport
au réseau
nécessite de nouvelles capacités
de transport
Pas
d'alimentati
on après le
coucher du
soleil
Alimentation
disponible, mais
fluctuante
Solaire
Éolien
Caractéristiques de la production d'énergie renouvelable
42
Absence de corrélation avec
la charge
Pics solaires lorsque la charge
est relativement faible
Diminue lors de pics de charge
Saisonnier
Production type varie selon le
moment de l'année
Charge normalisée du Ghana et production photovoltaïque solaire représentative
Source : Ghana IRRP
Charge
commence à
atteindre un
pic
Déclin solaire
Caractéristiques de la production d'énergie renouvelable
43
Exigences de montée en
puissance
L'augmentation de la pénétration des
énergies renouvelables appelle à
accroître la capacité de montée en
puissance
Le 16 mars de cette année, la
production des ressources éoliennes
dans le SPP a atteint près de 62 % de
la charge du système.
En 2017, le système du SPP a fait
face à des exigences de montée en
puissance moyenne de près de 4 000
MW dans un bloc de quatre heures au
matin
De même, les exigences en baisse de
puissance ont été en moyenne de 4
500 à 5 000 MW pendant les heures
du soir dans le SPP
Exigence de
montée en
puissance abrupte
Exigence de baisse
de puissance
abrupte
Courbe de profil de production nette moyenne pour le SPP selon
l'heure de la journée (pour une semaine de printemps type en mars)
Source : Compilé par ICF en utilisant des données de marché de SPPNote: La production nette comprend celle des unités d’appoint (hors éolien et solaire).
Pénétration de l’éolien dans des ISO/RTO sélectionnés
ISO/RTO Pénétration horaire la plus
élevée de l’éolien
Pénétration moyenne
annuelle de l’éolien
SPP62.13 %
40%
CAISO ~25% 9%
ERCOT 54% 17,4%
La pénétration horaire la plus élevée des énergies renouvelables en Californie était de54 %, avec 29 % de solaire.Source : Compilé à partir de rapports ISO/RTO
Perte d'inertie
44
5
L'augmentation de la
pénétration des énergies
renouvelables affecte la
réponse dynamique de
l'ensemble du système
d'alimentation
Au-dessus de 20 % de
pénétration, les
oscillations persistent
suite à la perte d'une
source majeure de
production
Courbe de fréquence montrant l'impact de la perte
d'un générateur hydroélectrique à Akosombo
30 % de
pénétration
solaire PV 20% de
pénétration
solaire PV
0-10 % de
pénétration
solaire PV
Source : Ghana IRRP
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Autres services auxiliaires
Source de la figure : Étude des RPS à Hawaï
Étude des normes d'inclusion des ressources renouvelables à Hawaï - Un scénario simulé avec 40 % de
la charge électrique fournie par l'énergie solaire et éolienne.
Énergie solaire PV - 30 %
Énergie éolienne - 10 %
En 2015, 23,4 % de l'électricité d’Hawaï était générée à partir d'énergies renouvelables. L’objectif des normes
d'inclusion des ressources renouvelables (RPS) à Hawaï est d’atteindre 100 % de pénétration des énergies
renouvelables d'ici à 2045
La fameuse courbe du canard - Ce n'est pas seulement une question de flexibilité, mais peut se
manifester sous la forme d'un problème de stabilité du réseau.
45
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La fameuse courbe du canard
46
Le PV solaire distribué non acheminable
ôte du réseau un service accessoire
important : réserves à la baisse
Améliorations :
• Changements de fonctionnement - Ressources plus
flexibles
• Intégration de ressources comme un stockage prenant en
charge le solaire
• Nouveaux contrôles d'onduleur - Signaux de délestage en
fonction de la fréquence
Source : CAISO Source : Hawaii Electric Company
Caractéristiques de la production d'énergie renouvelable
47
Le réseau fonctionne dans toutes les échelles de temps, et le stockage d'énergie peut tirer profit
d'un grand nombre d'applications
Cas d'utilisation et services courants
Contrôle de la montée en
puissance
+/- 10 % de la capacité maxi de la
centrale par minute
Microréseaux/îlots
Lissage et complément du PV
Maintenir la production du
système dans la fenêtre
15 à 30 minutes
Façonnage/transfert
d’alimentation
Fournir une alimentation régulière
et prévisible
48
Cas d'utilisation et services courants
Écrêtement de la demande de pointe (suivi de
charge, décalage temporel)
Décaler la production pour correspondre au
profil de charge
49
Régulation de fréquence
Fournir ou absorber de l'énergie pour équilibrer la
production et la fréquence
Source : Younicos
Service de régulation de la fréquence - Maui, Hawaï
Caractéristiques de la production d'énergie renouvelable
50
La Californie utilise différentes catégories de capacité flexible
pour répondre aux besoins de montée en puissance
La variation des besoins en énergie permet la participation de
ressources limitées en énergie comme des batteries.
Source : California Regional Resource Adequacy, Issue Paper, décembre 2015
Informations exclusives et confidentielles à ICF Ne pas copier,
distribuer ou communiquer.
Informations exclusives et confidentielles à ICF Ne pas copier,
distribuer ou communiquer.
Informations exclusives et confidentielles à ICF Ne pas copier,
distribuer ou communiquer.
Stockage de l'énergie et courbe du canard
Le stockage atténue le problème de la surproduction
Source de la figure : Étude des RPS à Hawaï
Le stockage de l'énergie diminue la surproduction en
fonctionnant à son cycle de charge normal
Les programmes pilotes de la commission des
services publics en Californie encouragent les
gros consommateurs d’électricité à déplacer
leur utilisation dans le milieu de la journée
PG&E a proposé un crédit de « super heure
creuse » de 4 cents/kWh de 8 h 30 à 15 h 30 en
mars, avril, et les weekends et jours fériés en mai
et juin
SDG&E a proposé une tarification horaire
dynamique au secteur agricole et aux stations de
pompage. Les crédits devraient baisser entre 10 h
et 14 h de novembre à avril.
51Distribution des prix négatifs selon les niveaux de
pénétration de l’éolien dans le SPP
Inertie numérique d'un système de stockage par batteries
52Source : Batteries: Beyond the Spin, Everoze Energy Partners
Informations exclusives et confidentielles à ICF Ne pas copier,
distribuer ou communiquer.
Informations exclusives et confidentielles à ICF Ne pas copier,
distribuer ou communiquer.
Informations exclusives et confidentielles à ICF Ne pas copier,
distribuer ou communiquer. 54
ANNEXE
Terminologie du stockage par batteries - I
55
Terme Définition
Capacité Quantité d'énergie qui peut être stockée par le système de stockage, en kWh.
Densité de l'énergie Ratio de l’énergie disponible depuis un système de stockage par rapport à son
volume. Les systèmes à plus faible densité d'énergie requièrent plus
d'espace pour l'installation, mesuré en kWh/litre ou kWh/m³.
Densité de puissance Ratio de la puissance disponible depuis un système de stockage par rapport à
son volume. Pour les applications de forte puissance avec une courte durée
d'utilisation de la puissance comme dans les véhicules électriques hybrides,
par exemple à des fins d'accélération, une forte densité de puissance est
importante pour atteindre un poids et un volume réduits du système de
stockage. La densité de puissance est mesurée en W/litre ou W/m3.
Profondeur de
décharge (DoD)
À quel point la batterie est déchargée. Pour une batterie qui est 100 %
chargée, le DoD est de 0 %. Pour une batterie qui a fourni 30 %, le DoD est
de 30 %. Pour une batterie qui est 100 % déchargée, le DoD est de 100 %.
Capacité Quantité d'énergie qui peut être stockée par le système de stockage, en kWh.
Terminologie du stockage par batteries - II
56
Terme Définition
Densité de l'énergie Ratio de l’énergie disponible depuis un système de stockage par rapport à son
volume. Les systèmes à plus faible densité d'énergie requièrent plus
d'espace pour l'installation, mesuré en kWh/litre ou kWh/m³.
Densité de puissance Ratio de la puissance disponible depuis un système de stockage par rapport à
son volume. Pour les applications de forte puissance avec une courte durée
d'utilisation de la puissance comme dans les véhicules électriques hybrides,
par exemple à des fins d'accélération, une forte densité de puissance est
importante pour atteindre un poids et un volume réduits du système de
stockage. La densité de puissance est mesurée en W/litre ou W/m3.
Profondeur de
décharge (DoD)
À quel point la batterie est déchargée. Pour une batterie qui est 100 %
chargée, le DoD est de 0 %. Pour une batterie qui a fourni 30 %, le DoD est
de 30 %. Pour une batterie qui est 100 % déchargée, le DoD est de 100 %.
Nombre de cycles Le nombre de cycles de charge/décharge qu'une batterie peut atteindre avant
que sa capacité nominale ne soit inférieure à 80 %. Spécifié à un certain DoD
et à une certaine température. Le nombre de cycles requis dépend de
l’application. Mesuré en nombre de cycles de charge/décharge.
Taux d'auto-décharge Réactions chimiques internes réduisant la charge stockée de la batterie sans
aucune connexion entre les électrodes et diminuant sa durée de vie. Mesuré
en pourcentage d’énergie perdu chaque jour.
Terminologie du stockage par batteries - III
57
Terme Définition
Durée de décharge Le temps pris par un dispositif de stockage de l'électricité pour se décharger
au niveau précisé (DoD) lorsqu'il est complètement chargé. Une courte durée
de décharge est souhaitable pour les applications de haute puissance tandis
qu’une durée plus longue est adaptée pour les applications de haute énergie.
Mesurée en secondes, minutes ou heures.
Temps de réponse Le temps pris par un système de stockage pour atteindre sa pleine puissance
après qu’elle ait été demandée. La somme de ses délais de démarrage et de
montée en puissance, mesurée en secondes ou minutes.
Taux de
charge/décharge (C-
Rate)
Le taux auquel une batterie est chargée/déchargée par rapport à sa capacité
maximale. Un taux de 1C signifie que le courant de décharge déchargera
l'ensemble de la batterie en 1 heure.
Pour une batterie d'une capacité de 100 A-h :
• Capacité de décharge de 1C à 100 A pendant 1 heure
• Capacité de décharge de 0,5C à 50 A pendant 2 heures
• Capacité de décharge de 5C à 500 A pendant 12 minutes
Bien que certaines batteries peuvent se charger et se décharger à des taux
identiques, c’est le plus souvent asymétrique.
C-Rate élevé utilisé pour des applications de puissance, C-Rate faible pour
des services d’énergie. Des services cumulés peuvent exiger les deux à la
fois.
Terminologie du stockage par batteries - IV
58
Terme Définition
Efficacité aller-retour
(RTE)
La quantité d'énergie perdue alors qu'elle passe de la production, à la charge
de batterie, jusqu'à la décharge vers le réseau. Mesurée en pour cent.
Les différences entre les catégories de technologies peuvent être importantes.
Dépend de :
• Environnement - température
• Service de puissance par rapport à un service d’énergie (profil
opérationnel) - convertisseurs CC/CC
• Architecture du système (CC/couplé avec CA) - Durée de charge par
rapport aux trajets de décharge
État de charge (SOC) La quantité de charge contenue dans la batterie, mesurée en pourcentage ou
A-h.
État de l'énergie
(SOE)
La quantité d’énergie contenue dans le système de stockage, mesurée en
pourcentage ou en kWh.
Surveille l’énergie disponible de la batterie plus précisément qu’avec le SOC.
SOE ou SOC de
veille
SOC/SOE maintenu dans la batterie afin de prendre en charge certains cas
d'utilisation, comme une réserve, un redémarrage à froid ou un UPS.
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