[배터리]SOC 측정 방법: 쿨롱 계수(수식, Coulomb Counting, State of Charge, Battery, Cell, Pack, 계산)

 

목차

 

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SOC 측정 방법: 쿨롱 계수

 

쿨롱 계수(Coulomb Counting) 방법은 노트북, 의료 장비 및 기타 전문 휴대용 장치에서 배터리의 충전 상태(SoC)를 추정하는 데 사용됩니다. 이 방법은 장치에서 들어오고 나가는 전류를 측정하여 SoC를 추정합니다. 쿨롱 계수는 암페어-초(As) 단위를 사용하여 충전과 방전을 모두 측정합니다. 이 방법의 이름은 전기력에 관한 쿨롱의 법칙을 발견한 샤를-오귀스탱 드 쿨롱(Charles-Augustin de Coulomb)의 이름을 따서 지어졌습니다.

 

쿨롱 계수는 매우 유용한 방법이지만, 손실이 발생하여 실제로 사용할 수 있는 에너지가 입력된 에너지보다 항상 적습니다. 그럼에도 불구하고 리튬이온 배터리는 높은 쿨롱 효율과 낮은 자기 방전율을 제공하기 때문에 이 방법은 잘 작동합니다. 배터리의 노화와 온도에 따른 자기 방전을 고려함으로써 쿨롱 계수 방법이 개선되었지만, 주기적인 보정이 여전히 권장됩니다. 

 

보정을 극복하기 위해 현대의 연료 게이지는 이전 방전에서 배터리가 얼마나 많은 에너지를 제공했는지 추정하는 "학습" 기능을 사용합니다. 일부 시스템은 배터리가 손상된 경우 더 빠르게 충전되는 것을 관찰하여 충전 시간도 측정합니다.

 

고급 배터리 관리 시스템(BMS) 제작자들은 높은 정확도를 주장하지만, 실제 상황은 종종 다르게 나타납니다. 많은 경우 디스플레이 표기된 SOC와 실제 배터리의 SOC 사이에 오차가 발생합니다. 예를 들어, 스마트폰은 배터리가 실제로는 90%만 충전되었을 때 100% 충전되었다고 표시할 수 있습니다. 또한, 새로운 전기차 배터리의 SoC 표시는 최대 15% 정도 오차가 날 수 있으며, 전기차 운전자들 사이에서는 연료 게이지에 25%의 SoC가 표시되어 있음에도 불구하고 배터리가 방전되는 경우가 보고된 바 있습니다.

 

 

 

 

 

쿨롱 계수 수식 계산 방법

 

쿨롱 계수 방법은 배터리에서 충전 및 방전되는 전류를 측정하여 SoC를 추정합니다. 이 방법은 배터리를 통해 흐르는 전류의 시간적 적분을 사용하여 수행됩니다. 여기서 사용되는 주요 수식들을 살펴보겠습니다.

 

 

수식(1)

 

• SOC_0: 초기 충전 상태
• I_bat: 배터리를 통과하는 전류
• Q_rated: 배터리의 명목 용량
• t + Δt: 측정 시간 간격

 

이 식(1)은 시간 t에서 t+Δt까지 배터리를 통해 흐르는 전류를 적분하여 초기 SOC에 더함으로써 새로운 SoC를 계산합니다. 이 계산은 배터리가 충전될 때는 양의 값, 방전될 때는 음의 값을 가지며 이를 통해 배터리의 현재 충전 상태를 업데이트합니다.

 

 

 

 

수식(2)

 

이 수식은 특정 시간 간격 동안 배터리를 통해 흐르는 전류의 총량을 측정하는데 사용됩니다. 이 값은 SoC를 업데이트하는 데 필요한 전류의 양을 제공합니다.

 

 

쿨롱 계수 방법은 간단하고 실행하기 쉽지만 몇 가지 한계가 있습니다. 이 방법은 초기 SoC에 대한 접근이 보장되지 않으며, 오랜 저장 기간 동안 자기 방전으로 인해 실제 SoC 값이 왜곡될 수 있습니다. 또한 배터리 노화에 따라 참조 용량 Qrated을 업데이트해야 할 수도 있습니다.

 

 

이러한 한계를 극복하기 위해 SOC-OCV(개방 회로 전압) 곡선을 사용하여 초기 SoC를 결정하고, 자기 방전 손실을 고려하며, 완전 충전 및 방전 단계에서 재보정을 수행하는 개선된 쿨롱 계수 알고리즘이 제안되었습니다. 이러한 접근 방식은 배터리의 보다 정확한 모니터링을 가능하게 하며, 배터리의 안전한 작동과 효율적인 사용을 보장합니다.

 

 

 

 

팜테크 배터리 관련 솔루션(서버통신, 충방전기)

 

팜테크는 'ReXgen Air'라는 CAN 통신 데이터 로거를 제공하여, 배터리 관리 시스템(BMS)에서 수집된 데이터를 서버(Server)나 클라우드(Cloud)로 전송할 수 있는 기능을 제공합니다. 이를 통해, 서버에서는 수집된 데이터를 기반으로 배터리의 건강 상태(SOH)를 비롯한 다양한 정보를 빅데이터 분석 방식으로 처리하고 분석할 수 있습니다. 이런 분석을 통해, 배터리의 상태를 정확하게 평가하고, 수명 예측, 성능 최적화 등에 필요한 중요한 인사이트를 얻을 수 있습니다.

 

 

 

 

 

또한, 팜테크는 저용량부터 고용량까지 다양한 범위의 배터리를 시험할 수 있는 충방전기(Battery Cycler)도 제공합니다. 이 충방전기를 사용하면, 실험실 환경 내에서 사용자가 원하는 특정 조건으로 배터리의 충전과 방전 시험을 진행할 수 있습니다. 이는 배터리의 성능, 내구성, SOH 변화 등을 실험적으로 평가하고 검증하는 데 유용한 도구입니다.

 

 

 

 

 

 

해당 내용과 관련해서 팜테크에서 교육 프로그램, 측정/분석 용역, 장비를 제공하고 있습니다.  관심 있으시면 아래 홈페이지 또는 연락처를 통해 문의 주시면 됩니다. :)

 

https://famtech.co.kr/sub04/01_01.php

교육일정및신청(주)팜테크