SOC(State of Charge)란?

 

안녕하세요, 이번 시간에는 SOC(배터리의 잔존 용량)에 대하여 알아보고자 합니다.


SOC(State of Charge)란?

SOC는 ‘State Of Charge’의 약자로 현재 배터리의 용량입니다.

각종 전자기기 등에서 배터리의 잔량을 확인할 수 있는데, ‘현재 배터리 용량/전체 배터리 용량’을

백분율이나 다양한 디스플레이 형식으로 사용 유저들에게 보여주는 것이 SOC 입니다.

SOC를 정확하게 측정하는 것은 배터리 기업의 핵심 기술 경쟁력을 나타내는 부분입니다.

앞서 알아본 ‘SOH’추정 방식과 마찬가지로 ‘SOC 추정 방법’에 대하여 다양한 기술들이

여러 논문과 연구소에서 발표되고 있습니다.

배터리가 적용 된 제품의 수명과 안전성에 있어 최우선으로 고려되어야 할 부분이 바로

신뢰성 있는, 정확한 실시간 SOC 추정 입니다.

전기차를 포함한 각종 가전기기에 어떠한 방법으로 이를 추정하는지는 알 수가 없습니다.

하지만 대표적으로 여겨지는 방법 00가지를 아래에 소개 드리겠습니다.


SOC 추정방법

1. 전압 측정 방법

배터리 잔량을 오직 전압만으로 잔존 용량을 측정하는 방법입니다.

리튬 배터리중 NCM 배터리의 방전중 용량 그래프 입니다.

리튬 배터리 방전 곡선

배터리 사용중 잔존 용량 대비 전압값을 어림잡아 배터리의 잔존용량을 추정하는 방식입니다.

하지만 이는 위 그래프와 같이 충,방전 특성 곡선이 리니어 할 경우 가능하지만,

리튬 인산철(LFP) 배터리의 경우는 다릅니다.

온도별 인산철 방전 곡선

위 그래프는 인산철(LFP) 배터리의 온도별 방전 곡선입니다.

보시는 바와 같이 만충 직전과 만방 직전 그래프는 가파르고 중간은 Flat 하기에

오로지 전압만으로 SOC를 추정하는데는 어려움이 있습니다.

이러한 ‘전압 측정 방식’이 적용 된 전자기기를 보게 되면, 사용중에는 용량이 감소 되었다가

전원을 끄면 다시 용량이 올라가는 현상이 보이게 됩니다.

이는 배터리에 연결 되는 부하에따른 전압강하 때문에 발생하는 현상 입니다.

Dewalt나 Milwaukee 등 휴대용 전자 공구 배터리 같은 어플리케이션에

가장 많이 적용되는 방식 입니다.


2. OCV(Open Circuit Voltage) 측정 방법

첫번째 방법과 마찬가지로 전압으로 배터리의 잔량을 측정하는 방식입니다.

정확한 의미로는 ‘개방 회로 전압’ 즉 아무런 Load가 걸리지 않은 안정적인 상태에서의

배터리 전압을 의미합니다.

배터리가 충전 직후에는 ‘Surface voltage’라고 표면 전압이 존재하여 조금 높게 측정 되거나,

방전 직후에는 조금 더 낮게 전압이 측정 되는데요, 배터리에 휴지 기간을 주어 가장 안정된

전압을 측정하여 잔존 용량을 측정하는 방식입니다.

배터리가 안정상태로 도달하는 시간까지는 소재마다 다르게 나타나며 생각보다

긴 시간이 걸립니다.

그래서 실제 적용에는 어려움이 있지만, 아래에 소개 될 ‘전류 적산법’과 함께 많이 쓰이고 있는

방법 입니다.


3. 전류 적산 방법

전류 적산법은 쿨롱카운팅이라고도 하며, 충방전중 배터리 전류를 실시간으로 측정하여 시간에

따라 적분하여 계산하는 방식입니다.

전류 적산 식

알고리즘 구현이 간단하고, 현재 산업체에서 가장 널리 사용되고 있는 방법중 하나입니다.

오로지 전류의 적산만으로 계산하기 때문에 시스템에 큰 부담을 주지 않지만 배터리

충,방전 싸이클이 진행될수록 오차 값이 누적되어 SOC가 틀어지는 경우가 발생합니다.

이를 보완 하기 위해 , 사용하는 Cell의 Spec sheet상 만충 전압 또는 만방 전압 도달 시

배터리 SOC를 100% 또는 0%로 초기화 시켜주는 알고리즘이 필수로 사용되어야 합니다.

또한 위의 ‘OCV 측정 방식’을 통해 사용 중간 중간 SOC값을 초기화 시켜주는 방식이

사용 되기도 합니다.

((( 전류적산법은 모든 배터리의 충,방전 곡선이 완벽히 선형적이지 않기 때문에 이를

   보완하기 위해 ‘확장 칼만 필터’를 적용한 SOC 추정법이 있습니다. 이는 하나의 

   포스팅에 나타내기에는 부족하므로 추후 따로 다루어 말씀 드리도록 하겠습니다.)))


4. 화학 측정 방법

배터리 전해질의 비중이나 산도(pH)를 측정하여 계산하는 방식입니다.

실제 전자기기에 사용되는 배터리를 추정하기에는 어려움이 있고, 액체 전해질에 직접적으로

접근이 가능한 축전지에만 사용 가능한 측정 방법입니다.


5. 압력 측정 방법

니켈 수소 축전지의 잔존 용량을 측정하는 데 사용되며, 배터리 내부 압력을 측정하여 계산하는 방식 입니다.

 

여기까지 SOC의 개념과 추정 방식에 대하여 알아보았습니다.

더 전문적으로 궁금하신 내용이 있으시면 질문 남겨주시면 언제든지 성실히 답변 드리겠습니다.

감사합니다.

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