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[Battery] SOC 측정 방법(State of Charge) 본문
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앞서 포스트에서 SOC, SOH, DOD 수식 및 정의에 대해 살펴 보았습니다(https://famtech.tistory.com/119). 이번 시간에는 SOC(State of Charge) 측정 방법에 대해 알아보겠습니다.
SOC 측정 방법(State of Charge): 전압(Voltage) 측정
SOC 측정 방법 첫번째로 전압 값으로 SOC를 확인하는 방법에 대해 얘기하겠습니다. 우선 배터리 셀(Cell)의 전압을 측정할 때 주의 할점들이 있는데 배터리 전압은 외부의 영향을 받아 가변적이므로 아래 조건을 만족하면서 측정을 하여야 합니다.
- 배터리 셀에 충방전(Charge/Discharge) 하지 않은 Open 상태로 최소 4시간 유지
- 일정, 동일 온도 유지
위에 적힌 요소처럼 배터리 셀의 전압은 온도와 충방전 상태에 영향을 많이 받으므로 정확한 측정을 위해서는 해당 요인을 제거해야 합니다.
다음으로 위 그림과 같이 리튬이온 배터리의 재료에 따라 성질이 다른데 동일 재료에 대한 분석이 완료 되어도 전압(Voltage)과 전류량(Ah)의 관계가 아래와 같은 특성을 지니기 때문에 실제 SOC를 구하기가 쉽지 않습니다.
- 대부분의 리튬이온(Lithium) 배터리는 80%의 구간에서 전압 값이 일정함
- 완충(Full Charge)과 완방(Full Discharge) 구간에서만 전압의 변화가 보이기 시작함
현재 전기자동차는 실제 운행되면서 SOC를 측정해야하기 때문에 위의 조건을 맞출 수가 없습니다. 그리고 전압측정이 가지는 부정확성 때문에 안정이 중요한 자동차에서는 사용하고 있지않습니다. 하지만 전압 측정이라는 간편성때문에 저가의 전기 장치들은 전압에 의존한 SOC 측정을 사용 하고 있습니다.
SOC 측정 방법(State of Charge): 유속계(Hydrometer)
유속을 측정하는 유속계(Hydrometer) 사용해서 납축(lead acid) 전지의 SOC를 측정할 수 있습니다. 납축 전지가 방전되면서 유황산(sulfuric acid)이 전해액에서 점차 줄어 들게 됩니다. 그리고 유황산은 황산염(sulfate)과 결합합니다. 이때 전해액의 비중(specific gravity)이 점점 줄어 들게 됩니다. 즉 유속이 빨라지게 되는 것입니다.
- 방전 시 전해액(Electrolyte)의 유황산(sulfuric acid) 감소
- 전해액의 비중 감소로 유속 증가
위 테이블은 비중과 SOC의 관계를 표현한 테이블입니다.
유속계 측정에도 단점이 있습니다. 단점은 동일 모델에서도 Tolerance가 크다는 점입니다. 그리고 온도에 따른 Tolerance 변화도 심합니다.
- 한계점 : Tolerance
SOC 측정 방법(State of Charge): 쿨롬(Coulomb) 측정
고가의 장비나 리튬이온 배터리를 사용하는 장치에서 SOC 측정은 정밀성을 요구 합니다. 이때 사용하는 방식이 쿨론(Coulomb) 측정 방식입니다. 쿨롬 측정은 실제 전류 x 시간으로 Ampere second(AS) 값을 측정해서 SOC를 판단 합니다. 실제 전류 값을 측정하기 때문에 앞서 측정 방법보다 정밀하게 SOC를 구할 수 있지만 여기에도 몇가지 고려해야할 부분들이 있습니다.
- Aging
- 충방전 시 온도 조건
- 주기적인 교정(Calibration)
배터리가 노화 되면서 SOC 총량의 변화가 생기기 때문에 Aging에 대한 고려가 필요합니다. 그리고 충방전 시 온도에 따라 실제 SOC 채워지고 줄어드는 값이 오차가 발생하기 때문에 온도도 고려를 하여야 합니다. 그리고 배터리는 화학 제품이고 이를 전자적인 디지털 값으로 변경하는 것이기 때문에 오차가 발생할 수 밖에 없습니다. 이 과정에서 주기적인 교정이 필요한 것입니다.
이를 위해 각 배터리 회사나 자동차 회사에서는 자체적인 로직을 통해 SOC 값을 보정해주고 있습니다. 현재 알려진바에 따르면 EV 전기자동차의 경우 약 15%의 SOC 오류가 발생 가능하다고 합니다.
