[BMS] SOC 직접 추종 방법1 ( OCV, 개방 회로 전압 )

이번 글에서는 SOC 직접 추종 방법 중의 하나인 OCV에 대해서 적어보도록 하겠습니다. 

OCV - Open Circuit Voltage Method

: OCV - Open Circuit Voltage Method 

우선 Open Circuit에 대해서 설명드리겠습니다. Open circuit이란 선이 끊어져 있는 회로를 의미합니다. 

즉 Open Circuit Voltage는 아무런 Load가 걸리지 않은 회로의 저항을 의미합니다. 회로에는 전원(에너지 공급원, Source)이 존재합니다. 하지만 오른쪽 그림과 같이 Load가 연결되어 있을 경우 Voltage Drop이 발생하기 때문에 반대로 Load가 없는 경우에서 바로 최고 전압의 값(Full Voltage value)을 얻을 수 있습니다. 

왼쪽의 경우 전압 측정기를 통해서 얻은 전압은 전원의 최고 전압인 1.5V를 얻을 수 있었지만 배터리 내부에는 내부 저항 1옴이 존재합니다. 때문에 Load가 연결될 경우 전체 저항은 1+8 = 9옴이 되며 전체 전류는 0.1666A가 흐릅니다. 배터리의 내부 저항 1옴에도 전류가 흐르기 때문에 1.5V에서 0.17V만큼 하락하여 1.33V를 보이게 됩니다. 

* 오해에 대해서 3가지가 있습니다.

1.  전원 (Source)이 아무데도 연결이 안 되어 있으면 전압이 존재하지 않는다고 생각하는 오해가 존재하는데 실제로는 최고의 전압은 바로 Open Circuit일 때 나타나게 됩니다.
2. Circuit이 Closed 할때 전류는 존재하지만 전압은 Potential 값이므로 항상 존재합니다. 
3. 우리가 전자회로 시간에 계산할때 사용하는 전압원은 이상적인 전압원(내부저항 0) 이므로 실제 배터리와는 다릅니다.

 

다시 본론으로 돌아와서 Open Circuit Voltage란 Open Circuit에서 전압을 말합니다. 즉 배터리가 쓰고 남은 전압을 측정하기 위해서 다른 것들과 모두 연결을 끊고 미소 전류를 넣어줌으로써 안정된 전압을 측정하는 방법입니다.
( 밑에 식에서 전류가 0이 되어야 합니다 )

* V term = Battery Terminal Voltage, I = 실제 배터리 전류 (방전 시 양수, 충전 시 음수), R = 내부 저항

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하지만 전압을 얻기 위해서는 반드시 평형상태로 돌아와야 됩니다.

배터리가 안정상태로 도달하는 시간까지 배터리의 소재마다 다르게 나타나며 꽤나 긴 시간이 걸립니다. 배터리 내부에서는 polarization 및 mass transfer와 같은 느린 작용들이 발생하게 되어 relexation 시간을 오래 만들고 결국 전압 측정의 실시간성과 정확도에 영향을 주게 됩니다. 

방전에 의한 Voltage Drop 발생이 일어나고 Relaxation종료까지 1000초, 16분 이상 소모됨

때문에 리튬이온 배터리나 납산 배터리 등 아주 정확하고 저렴한 방법이지만 실시간성을 보장하지 못한다는 단점이 있는 방법입니다. 전기차가 주차되어 있을때와 같이 정차되어 있을 때 정확하게 잴 수 있는 것이지요.

 그리고 또한 위의 그림을 보면 휴지 시간의 차이에 따라서 충전과 방전의 SOC-OCV 그래프가 미묘한 차이를 보이게 되는것을 볼 수 있습니다. (충전과 방전 그래프의 차이는 Hysteresis에 의해서 발생하였습니다)

즉 휴지 시간이 커질수록 방전 전압이 상승하며 충전 OCV는 감소하게 됩니다 (빨간색 그래프)

* 24시간 방전에 따른 OCV 측정과 1시간 방전 후 OCV 측정 그래프
( 1~24시간 내에서 전압 상승으로 인한 Over estimation이 발생하게 됨 ) 

때문에 현재도 이러한 시간 차이와 소모 시간을 줄이려는 목적을 위해서 보간법이나 다른 추정법을 병행하여 추정하는 연구들이 진행되고 있으나 아직까지 시간이 많이 걸리며 오차도 많이 존재하고 있습니다.  

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Cycle

초기 만충된 Li-ion Bat를 가지고 적절한 시간만큼 탈분극화를 위해서 둡니다. 탈분극이 끝나면 전류 Pulse를 이용하여 배터리를 만방 될 때까지 방전 과정을 시킵니다. 만방 상태가 되면 다시 휴지 시간을 가지면서 다시 만방 상태까지 충전시킵니다. 

 

 

Reference

1. Fast Characterization Method for Modeling Battery Relaxation Voltage (2016)
2. Towards a Smarter Battery Management System for Electric Vehicle Applications: A Critical Review of Lithium-Ion Battery State of Charge Estimation ( 2019 )
3. State-of-the-art of battery state-of-charge determination (2005)
4. www.learningaboutelectronics.com/Articles/What-is-open-circuit-voltage.php  

What is Open Circuit Voltage?