[논문]산업용 전기 차량의 납 축전지 SOC 추정 방법 적용 연구

박기형; 김성기; 류종건; 정명길

산업용 전기 차량의 납 축전지 SOC 추정 방법 적용 연구
Application of SOC estimation method to lead storage battery of industrial electric vehicle 원문보기

박기형 (현대중공업 건설장비제어연구실) , 김성기 (현대중공업 건설장비제어연구실) , 류종건 (현대중공업 건설장비산업차량개발부) , 정명길 (현대중공업 건설장비제어연구실)

본 논문에서는 납 축전지를 사용하는 산업용 전기차량의 SOC(State Of Charge)를 별도의 BMS(Battery Management System)장치 없이 추정하는 방법에 대해 기술한다. SOC를 추정하기 위한 기존의 전통적인 방법들 중 전력을 적산하는 방법(Ampere hour counting)이 널리 사용되는데 이는 장치의 내, 외적인 요인에 의해 발생한 오차가 누적될 수 있다. 배터리의 전압을 측정하여 SOC를 추정하는 OCV(Open Circuit Voltage) 방법은 배터리가 안정 상태에 도달하기까지 충분한 휴지 시간이 필요해 실시간으로 적용하기 힘들다. 이 외에 칼만 필터를 이용하는 방법은 시스템을 정확히 모델링해야 하고 계산이 복잡하다는 단점이 있다. 본 연구에서는 전력을 적산하는 방법을 기본으로 하고 배터리의 전압을 적절히 이용하여 누적되는 오차를 보정하는 방법을 제안한다. 제안한 방법에 대해 시뮬레이션 하고 실제로 산업용 차량인 AC 전동 지게차로 실험하여 그 타당성을 검증 하였다.

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문제 정의

모델링의 조건에서 배터리 특성만 고려하거나 일정한 전력 사용을 전제로 하기 때문에 실제 산업용 차량의 동작에 대응하지 못한다. 본 연구에서는 전통적인 SOC 추정 방법들을 실제로 적용해 보고 이를 바탕으로 산업용 전기 차량에 사용하기에 적합한 방법을 제안하며 이를 시뮬레이션 하고 실제로 차량에서 실험한 결과를 소개한다.

가설 설정

매 5% 마다 이 과정을 반복한다. 보정을 위한 변형된 OCV는 정확하다고 가정한다.

제안 방법

2.1과 2.2에서 기술한 Ampere hour counting 방법과 OCV 방법을 실제로 AC 전동 지게차에 적용해 본 결과를 바탕으로 개선된 SOC추정 방법을 다음과 같이 제안한다.
Vocv와 Vidle을 이용하여 기준이 되는 Vref를 만든다. Ampere Hour Counting 방법을 통한 SOC와 Vref를 이용한 SOC를 일정 구간마다 비교하여 보정 상수 K를 조정한다.
그림 4는 Ampere hour counting 방법의 오차를 임의로 조정한 뒤 제안한 Improved ampere hour counting 방법으로 자동 조정되는 과정을 시뮬레이션 한 파형이다. SOC 95%에 도달 했을 때 누적된 오차를 보상하고 계산된 오차를 이용하여 보정 상수를 조정하였다. 매 5% 마다 이 과정을 반복한다.
산업용 전기 차량의 납 축전지 SOC를 추정하기 위해 전력 적산 방법(Ampere hour counting)을 개선하여 누적되는 오차를 보정할 수 있는 알고리즘을 제안하고 이를 실제 차량의 실험을 통해 검증하였다. 산업용 전기 차량에 일반적으로 적용될 수 있도록 다양한 배터리 용량과 다양한 작업 패턴의 실험을 통해 본 알고리즘을 보완할 예정이다.
안정 상태에 도달하는 시간과 지게차의 작업이 쉬지 않고 몇 시간 씩 운행 될 수 있다는 점이다. 안정 상태에 도달하는 시간을 기다리지 않기 위해 여러 방법(수학적인 계산을 반복)을 사용하여 보정하였고, Open Circuit 상태가 없을 경우 Close Circuit 상태에서 배터리 전압을 추정하는 알고리즘을 추가하였다. 그림 2는 실제 실험 결과이다.
표 1의 실험 차량으로 20m구간을 왕복하며 무부하 1회, 부하 1회의 작업을 반복하여 SOC 상태를 기록하였다. SOC 5% 사용 기준마다 측정하였고 실험 결과는 그림 5와 같다.

후속연구

기존의 차량에서 배터리가 노후화 되거나 냉동 창고에서 사용될 경우 SOC가 배터리 잔량과 일치하지 않는 경우가 많고 심지어는 작업 후 오히려 SOC가 커지는 경우도 발생하였다. 본 알고리즘 적용 시 이러한 사용자들의 불만 사항들이 대폭 해소될 것으로 기대한다.
산업용 전기 차량의 납 축전지 SOC를 추정하기 위해 전력 적산 방법(Ampere hour counting)을 개선하여 누적되는 오차를 보정할 수 있는 알고리즘을 제안하고 이를 실제 차량의 실험을 통해 검증하였다. 산업용 전기 차량에 일반적으로 적용될 수 있도록 다양한 배터리 용량과 다양한 작업 패턴의 실험을 통해 본 알고리즘을 보완할 예정이다. 기존의 차량에서 배터리가 노후화 되거나 냉동 창고에서 사용될 경우 SOC가 배터리 잔량과 일치하지 않는 경우가 많고 심지어는 작업 후 오히려 SOC가 커지는 경우도 발생하였다.

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