[논문]이중 확장 칼만 필터 기반 고정밀 SOC/용량 추정을 통한 폐배터리 충/방전 최대 출력 추정 알고리즘 연구

박진형; 김건우; 김종훈

이중 확장 칼만 필터 기반 고정밀 SOC/용량 추정을 통한 폐배터리 충/방전 최대 출력 추정 알고리즘 연구
A Study on Estimation Algorithm of Maximum Charge/Discharge Power Based on High-accuracy SOC/Capacity Estimation through DEKF 원문보기

박진형 (충남대학교) , 김건우 (충남대학교) , 김종훈 (충남대학교)

본 논문은 이중 확장 칼만 필터를 통한 SOC (State of charge) 및 용량 추정과 배터리 모델 파라미터를 이용한 폐배터리의 최대 출력을 추정하는 방법을 연구 및 제안한다. 배터리의 단순 전압 측정을 통해 상태를 진단할 경우, 부하 조건에 따라 급격한 전압 상승 및 강하로 인해 정밀한 안전 진단 및 운용에 어려움이 따르지만, 폐배터리는 일반 배터리에 비해 전압 변동율이 크기 때문에 상태 진단에 큰 어려움이 존재한다. 따라서 본 논문에서는 폐배터리의 정밀한 안전진단을 하기 위해 SOC 영역 및 충/방전에 따른 최대 출력을 계산하여 사전에 배터리의 상태를 진단할 수 있는 알고리즘을 제안한다. 또한, 배터리의 노화도에 따른 최대 출력을 실험 및 시뮬레이션을 통해 결과를 제시하여 유효한 방식임을 검증한다.

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문제 정의

전류 기반의 정보를 통해 최대 출력을 계산할 경우 정확한 SOC 및 용량의 정보가 요구된다. 따라서 본 논문에서는 이중 확장 칼만 필터 알고리즘을 통해, SOC 및 용량을 추정하여 이를 기반으로 배터리의 최대 출력을 노화에 따라 계산하는 방법을 제안한다.
따라서 본 논문에서는 폐배터리를 활용하여 구축한 ESS를 사용자가 안전하게 구동할 수 있는 모니터링 요소를 최대 출력으로 선정하여, 사전에 배터리의 운용방안을 마련하기 위한 연구를 진행하였다. 최대 출력을 계산하기 위하여 실시간으로 추정되는 SOC (State of charge) 및 용량값이 요구되어, 이중 확장 칼만 필터 알고리즘을 적용하여 정확한 SOC 및 용량값을 기반으로 알고리즘을 구성하였다.
본 논문은 폐배터리를 활용하여 에너지 저장 장치를 위한 관리 시스템의 초석을 다지는 연구로써, 안전 기준을 확립하기 위하여 최대 출력을 관점으로 연구를 진행하였다. 일반 배터리에 비해 폐배터리의 경우 내부 저항의 급격한 증가로 인해 최대 출력이 크게 감소하여 더욱 제어 및 안전 로직에 대한 연구가 요구된다.

제안 방법

실험에서 사용한 배터리의 최대 충전 전류는 4A이며 최대 방전 전류는 25A이다. OCV 측정 프로파일을 각 노화도 (63%, 83% 및 100% 용량)에 따라 적용하여, 최대 출력 추정시뮬레이션 결과를 비교하였다.
을 추출하여 알고리즘에 적용한다. R_∆T 은 SOC 5% 간격으로 측정하였으며, 노화 정도에 따라 OCV를 실험을 기반으로 추출된 R_∆T 을 노화도에 따라 알고리즘에 적용하였다. ∆T 는 일반적으로 배터리 사용 설명서에서 배터리의 출력을 전류를 10초 동안 인가하였을 때로 정의하여 동일하게 추출하였다.
본 논문에서 제안하는 충/방전 최대 출력을 계산하기 위하여, OCV 측정 실험에서 그림 2와 같이 특정 시간에 방전하는 전압 강하를 통해 R∆T 을 추출하여 알고리즘에 적용한다.
최대 출력을 계산하기 위하여 실시간으로 추정되는 SOC (State of charge) 및 용량값이 요구되어, 이중 확장 칼만 필터 알고리즘을 적용하여 정확한 SOC 및 용량값을 기반으로 알고리즘을 구성하였다. 이러한 값들을 기반으로 최대 출력 모델에 적용하여 노화도에 따라 최대 출력 특성을 시뮬레이션을 하고, 이 결과를 바탕으로 폐배터리의 운용방안을 제시한다.
따라서 본 논문에서는 폐배터리를 활용하여 구축한 ESS를 사용자가 안전하게 구동할 수 있는 모니터링 요소를 최대 출력으로 선정하여, 사전에 배터리의 운용방안을 마련하기 위한 연구를 진행하였다. 최대 출력을 계산하기 위하여 실시간으로 추정되는 SOC (State of charge) 및 용량값이 요구되어, 이중 확장 칼만 필터 알고리즘을 적용하여 정확한 SOC 및 용량값을 기반으로 알고리즘을 구성하였다. 이러한 값들을 기반으로 최대 출력 모델에 적용하여 노화도에 따라 최대 출력 특성을 시뮬레이션을 하고, 이 결과를 바탕으로 폐배터리의 운용방안을 제시한다.

대상 데이터

본 논문에서 제안하는 최대 출력을 검증하기 위해 NCA 계열 리튬 이온 배터리 (3.6V, 2.5Ah)를 사용하였다. 실험에서 사용한 배터리의 최대 충전 전류는 4A이며 최대 방전 전류는 25A이다.
5Ah)를 사용하였다. 실험에서 사용한 배터리의 최대 충전 전류는 4A이며 최대 방전 전류는 25A이다. OCV 측정 프로파일을 각 노화도 (63%, 83% 및 100% 용량)에 따라 적용하여, 최대 출력 추정시뮬레이션 결과를 비교하였다.

이론/모형

배터리의 실시간 최대 출력은 측정 장비로 직접적인 측정이 불가능하여, 그림 1의 배터리 등가회로 모델의 파라미터를 통해 계산한다. 배터리의 OCV (Open Circuit Voltage)는 식 (1)과 (2)와 같이 파라미터 측정 관측기를 통해 OCV를 추정하였고^[2], 내부 직렬 저항은 이산 전압/전류 신호를 활용하여 식 (3)과 같은 옴의 법칙을 통해 계산하였다. 모든 배터리 모델의 파라미터는 SOC에 의한 함수로 정의되고, 전류 적산법은 기본적으로 식 (4)과 같이 전류 적산법을 기반으로 계산한다.

성능/효과

(c)의 충전 출력의 경우 방전 허용 전류에 비해 작기 때문에 최대 출력 또한 방전시에 비해 작은 값을 나타낸다. SOC 0%구간에서의 노화에 따른 최대 충전 전력에 경우에도 각각 약 14.18%, 35.45%로 노화가 진행됨에 최대 전력이 감소하며, 특히 폐배터리 상태 (초기 용량의 60%)에서 변화율이 커지는 것을 확인할 수 있다. 최대 출력의 경우 일반 셀에서는 노화에 따라 큰 차이가 없는 것으로 판단된다.
식 (7)을 사용하여 방전 전류를 계산하였으며, SOC 100%에서의 최대 방전 전류는 약 21A로 데이터시트에서 명시된 25A에 근접하는 결과를 나타내었다. SOC 0%에서의 최대 충전 전류는 약 4A로 데이터 시트에서 나타낸 최대 충전 전류에 거의 근접하는 결과를 나타내었다. 그림 4.
노화도에 따른 R_∆T의 실험 데이터는 그림 3에 나타내었다. 배터리의 노화가 진행됨에 따라 전반적인 저항값이 증가하지만, 배터리의 운용 중 과충/방전의 문제가 생길 수 있는 영역인 SOC 20% 이하 및 80%이상의 영역에서 저항 값이 노화가 진행됨에 따라 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 순간적은 부하의 출력 상황에 따라, 노화가 진행될수록 전압만으로 모니터링하기 어려움을 나타낸다.
일반 배터리에 비해 폐배터리의 경우 내부 저항의 급격한 증가로 인해 최대 출력이 크게 감소하여 더욱 제어 및 안전 로직에 대한 연구가 요구된다. 본 논문에서 제시한 충/방전에 따른 최대 출력 정보를 사용할 경우 부하를 연결하기 전에 배터리의 상태를 간접적으로 판별이 가능하기 때문에 보다 안전한 배터리 관리가 가능하다.
본 논문의 2.1절에서 설명한 전압을 기반으로 하는 출력 계산식의 경우, 비교적 2.2절의 전류 기반의 방법에 비해 SOC 및 용량 정보가 부정확 하여도 최대 출력을 계산할 수 있는 장점이 있다. 하지만 배터리의 OCV 정보와 내부 저항에 대한 정확한 데이터가 필요하다.

후속연구

본 논문은 폐배터리를 활용하여 에너지 저장 장치를 위한 관리 시스템의 초석을 다지는 연구로써, 안전 기준을 확립하기 위하여 최대 출력을 관점으로 연구를 진행하였다. 일반 배터리에 비해 폐배터리의 경우 내부 저항의 급격한 증가로 인해 최대 출력이 크게 감소하여 더욱 제어 및 안전 로직에 대한 연구가 요구된다. 본 논문에서 제시한 충/방전에 따른 최대 출력 정보를 사용할 경우 부하를 연결하기 전에 배터리의 상태를 간접적으로 판별이 가능하기 때문에 보다 안전한 배터리 관리가 가능하다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

폐배터리의 정의는?

일반적으로 폐배터리는 초기 배터리 용량의 80%가 되는 지점부터 폐배터리로 정의하며, 일반 사용 영역에서의 배터리에 비해 내부 저항 증가 및 특성이 더욱 비선형적인 경향성을 나타내기 때문에 상태 추정에 큰 어려움이 존재한다. 따라서 폐배터리를 사용할 경우, 초기 배터리 상태에 비해 내부 저항이 크게 증가함에 따라 내부 발열이 증가하여 안정에 대한 주의가 더욱 요구된다.

최근 세계 자동차 기업들은 전기 자동차에서 회수된 폐배터리를 재활용하는 방안에 대해 강구하고 있는 이유는?

이러한 전기 자동차의 급격한 성장에 맞춰, 전기자동차에서 회수되는 폐배터리의 처리 문제 및 활용 방안을 국/내외적으로 큰 관심 분야가 되고 있다[1]. 폐배터리를 화학적으로 처리하기 위해서는 막대한 비용이 요구되고, 처리하는데 있어 환경오염의 문제가 발생한다. 따라서, 최근 세계 자동차 기업들은 전기 자동차에서 회수된 폐배터리를 재활용하는 방안에 대해 강구하고 있다.

전기자동차에 대한 수요가 증가하고 있는 이유는?

최근 환경 규제에 따른 전기자동차 시장이 급격히 성장하면서 전기자동차에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 전기 자동차의 급격한 성장에 맞춰, 전기자동차에서 회수되는 폐배터리의 처리 문제 및 활용 방안을 국/내외적으로 큰 관심 분야가 되고 있다[1].

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