[논문]전류 적산법 기반의 LiFePO4 배터리 SOC 추정 회로 구현

전창윤; 김종훈; 허인녕; 조보형; 한승훈

전류 적산법 기반의 LiFePO4 배터리 SOC 추정 회로 구현
Circuit Implementation for LiFePO4 Battery SOC Estimation based on the Coulomb Counting Method 원문보기

전창윤 (서울대학교) , 김종훈 (서울대학교) , 허인녕 (서울대학교) , 조보형 (서울대학교) , 한승훈 (삼성테크윈)

전류 적산법(Coulomb counting, Ampere counting)을 이용한 배터리 SOC(State of Charge) 추정 방식은 초기 SOC 값에 존재하는 오차와 SOC를 추정하는 시간동안 누적되는 전류값의 오차로 인해 추정이 실패할 수 있는 단점이 존재한다. 하지만 알고리즘이 직관적이며 단시간 내에서는 그 오차가 크지않고, 상용화된 배터리 SOC 추정 IC가 존재하여 구현이 간단하다는 장점 또한 있다. 본 논문에서는 전류 적산법 기반의 배터리 SOC 추정 IC를 사용하여 $LiFePO_4$ 리튬 폴리머 배터리의 SOC 추정 회로를 구현하는 과정을 제안한다. 또한 실험을 통해 제안된 배터리 SOC 추정 회로의 성능을 확인해본다.

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문제 정의

LiFePO₄ 배터리의 경우 OCV-SOC의 관계가 선형적인 관계를 보이지 않으므로 센싱 회로의 정확도가 더 중요하다. 본 논문에서는 배터리 SOC 추정 회로의 구현 방법을 제안하고 실험 결과를 토대로 검증하였다.
본 논문에서는 전류 적산법 기반의 배터리 SOC IC를 이용하여 배터리 SOC 추정 회로를 구현하는 과정을 제안하기로 한다. 최종적으로는 HEV 전류 프로파일을 인가하여 배터리 SOC를 추정하고 실제 배터리의 SOC와의 비교를 통해 전류 적산으로 인해 발생하는 오차를 확인해보기로 한다.

제안 방법

추가적으로 센싱 저항을 통해 전류 센싱을 하게 되는 경우, 센싱 저항의 온도와 회로 내부의 온도로 인해 실제 전류 값과는 다른 값의 전류 값을 인식하는 문제가 발생할 수 있기 때문에 방열판을 설치해주었다. 마지막으로는 1C(14A) 전류(일정한 전류)로 방전하면서 용량을 측정하여 회로의 정상동작을 확인하였다.
먼저 전류 적산법 기반의 Maxim DS2788 IC를 사용하였으며, SOC정보를 dsPIC의 UART 통신을 이용하여 PC(labtop)에 전송해주는 구조로 제작하였다. 이렇게 IC를 통해 계산된 SOC 값을 PC(desktop)에서 에러가 없는 전류 프로파일 값을 토대로 계산한 배터리 SOC 값과 비교하였다.
LiFePO₄ 배터리의 경우, 배터리 전압으로 완방, 만충 조건을 판단하므로, 비교적 정확한 센싱이 필요하다. 이러한 이유로 다음 과정에서 실제 회로에서 측정할 수 있는 전압 값와 DS2788 칩이 인식하는 전압 값을 비교하여 측정된 전압 비를 IC에 넣어주었다. 추가적으로 센싱 저항을 통해 전류 센싱을 하게 되는 경우, 센싱 저항의 온도와 회로 내부의 온도로 인해 실제 전류 값과는 다른 값의 전류 값을 인식하는 문제가 발생할 수 있기 때문에 방열판을 설치해주었다.
먼저 전류 적산법 기반의 Maxim DS2788 IC를 사용하였으며, SOC정보를 dsPIC의 UART 통신을 이용하여 PC(labtop)에 전송해주는 구조로 제작하였다. 이렇게 IC를 통해 계산된 SOC 값을 PC(desktop)에서 에러가 없는 전류 프로파일 값을 토대로 계산한 배터리 SOC 값과 비교하였다. 이렇게 하드웨어 제작을 완료한 후, 그림 2의 순서도에 따라 배터리의 datasheet를 토대로 배터리의 충전, 방전 조건, 용량 정보를 넣어주는 과정을 진행하였다.
이렇게 IC를 통해 계산된 SOC 값을 PC(desktop)에서 에러가 없는 전류 프로파일 값을 토대로 계산한 배터리 SOC 값과 비교하였다. 이렇게 하드웨어 제작을 완료한 후, 그림 2의 순서도에 따라 배터리의 datasheet를 토대로 배터리의 충전, 방전 조건, 용량 정보를 넣어주는 과정을 진행하였다. LiFePO₄ 배터리의 경우, 배터리 전압으로 완방, 만충 조건을 판단하므로, 비교적 정확한 센싱이 필요하다.
그렇기에 그림 1의 (b)의 경우, 배터리가 만충(fully-charged), 완방(fullydischarged)되는 순간을 파악하여 그 순간에 SOC 정보를 1 혹은 0으로 초기화 시켜주는 알고리즘이 그림 1 (a)의 경우보다 더욱 필요할 수밖에 없다. 전류 적산법 기반으로 동작하는 Maxim사의 배터리 SOC 추정 IC인 DS2788을 사용할 시에 이러한 초기화 방법을 지원하므로, 이 논문에서는 DS2788을 사용하여 배터리 SOC 추정 회로를 사용하기로 한다.
본 논문에서는 전류 적산법 기반의 배터리 SOC IC를 이용하여 배터리 SOC 추정 회로를 구현하는 과정을 제안하기로 한다. 최종적으로는 HEV 전류 프로파일을 인가하여 배터리 SOC를 추정하고 실제 배터리의 SOC와의 비교를 통해 전류 적산으로 인해 발생하는 오차를 확인해보기로 한다.

성능/효과

3절에서 사용한 SOC 비교방법을 동일하게 적용하여 SOC 결과를 비교하면 그림 4의 (a)와 같은 SOC 차이가 나타난다. 그림 4의 (b)를 통해서는 초기 SOC 값을 거의 오차가 없게 추정하였을 시에, 3시간정도의 실험시간동안 2%내의 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
배터리 SOC 값을 초기화 해주는 과정을 포함한 전류 적산법 기반의 배터리 SOC 추정 회로는 전류 누적시간이 짧은 경우에 그 오차율이 크지 않음을 실험적으로 확인하였다. LiFePO₄ 배터리의 경우 OCV-SOC의 관계가 선형적인 관계를 보이지 않으므로 센싱 회로의 정확도가 더 중요하다.

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