리튬 충방전 이론 및 전기계산법 설계(2)

리튬 충방전 이론 및 전기계산법 설계

2. 배터리 측정기 소개

2.1 전기 계량기의 기능 소개

배터리 관리는 전원 관리의 일부로 간주할 수 있습니다.배터리 관리에서 전기 계량기는 배터리 용량을 예측하는 역할을 합니다.기본 기능은 전압, 충전/방전 전류 및 배터리 온도를 모니터링하고 배터리의 충전 상태(SOC) 및 완전 충전 용량(FCC)을 예측하는 것입니다.배터리의 충전 상태를 추정하는 방법에는 개방 회로 전압 방법(OCV)과 전기량 방법의 두 가지 일반적인 방법이 있습니다.다른 방법은 RICHTEK에서 설계한 동적 전압 알고리즘입니다.

2.2 개방전압 방식

개방 회로 전압의 해당 충전 상태를 확인하여 얻을 수 있는 개방 회로 전압 방법을 사용하여 전기 계량기를 구현하는 것은 쉽습니다.개방 회로 전압은 배터리가 30분 이상 쉬고 있을 때 배터리 단자 전압으로 가정됩니다.

배터리 전압 곡선은 다양한 부하, 온도 및 배터리 노화에 따라 달라집니다.따라서 고정된 개방 회로 전압계는 충전 상태를 완전히 나타낼 수 없습니다.충전 상태는 표만 보고는 추정할 수 없습니다.즉, 표만 보고 충전상태를 추정한다면 오차가 클 것이다.

아래 그림은 동일한 배터리 전압의 충전상태(SOC)가 충전과 방전시 개방회로 전압 방식에 의해 매우 다른 것을 보여줍니다.

그림 5. 충전 및 방전 조건에서의 배터리 전압

방전 중 부하에 따라 충전 상태가 크게 달라지는 것을 아래 그림에서 볼 수 있습니다.따라서 기본적으로 개방 회로 전압 방법은 납산 배터리 또는 무정전 전원 공급 장치를 사용하는 자동차와 같이 충전 상태의 정확도가 낮은 시스템에만 적합합니다.

그림 6. 방전 중 부하가 다른 배터리 전압

2.3 전기량법

Coulometry의 작동 원리는 배터리의 충전/방전 경로에 감지 저항을 연결하는 것입니다.ADC는 감지 저항의 전압을 측정하여 충전 또는 방전 중인 배터리의 전류 값으로 변환합니다.실시간 카운터(RTC)는 현재 값을 시간과 통합하여 얼마나 많은 쿨롱이 흐르고 있는지 알 수 있습니다.

그림 7. 쿨롱 측정 방법의 기본 작동 모드

전기량 방법은 충전 또는 방전 중 실시간 충전 상태를 정확하게 계산할 수 있습니다.충전 쿨롱 카운터 및 방전 쿨롱 카운터를 사용하여 잔류 전기 용량(RM)과 완전 충전 용량(FCC)을 계산할 수 있습니다.동시에 남은 충전 용량(RM)과 완전 충전 용량(FCC)을 사용하여 충전 상태(SOC=RM/FCC)를 계산할 수도 있습니다.또한 전력 소모(TTE) 및 전력 충만도(TTF)와 같은 남은 시간도 추정할 수 있습니다.

그림 8. 쿨롱법의 계산식

쿨롱 계측의 정확도 편차를 유발하는 두 가지 주요 요인이 있습니다.첫 번째는 전류 감지 및 ADC 측정에서 오프셋 오류의 누적입니다.현재 기술로는 측정 오차가 상대적으로 적지만 이를 제거할 좋은 방법이 없다면 시간이 지나면서 오차가 커질 것입니다.아래 그림은 실제 적용에서 시간 지속 시간에 수정이 없으면 누적 오류가 무제한임을 보여줍니다.

그림 9. 쿨롱 방법의 누적 오차

누적된 오류를 제거하기 위해 정상적인 배터리 작동에는 충전 종료(EOC), 방전 종료(EOD) 및 휴식(휴식)의 세 가지 가능한 시점이 있습니다.배터리는 완전히 충전되었으며 충전 종료 조건에 도달하면 충전 상태(SOC)가 100%가 되어야 합니다.방전 종료 조건은 배터리가 완전히 방전되었고 충전 상태(SOC)가 0%여야 함을 의미합니다.절대 전압 값이거나 부하에 따라 변경될 수 있습니다.휴식 상태에 도달하면 배터리가 충전되거나 방전되지 않고 오랫동안 이 상태를 유지합니다.사용자가 배터리의 나머지 상태를 사용하여 전량법의 오류를 수정하려면 이때 개방 회로 전압계를 사용해야 합니다.아래 그림은 위의 조건에서 충전 상태 오류를 수정할 수 있음을 보여줍니다.

그림 10. 전량법의 누적 오차를 제거하기 위한 조건

쿨롱 미터링 방식의 정확도 편차를 일으키는 두 번째 주요 요인은 배터리의 설계 용량과 배터리의 실제 만충전 용량의 차이인 완전 충전 용량(FCC) 오류입니다.완전 충전 용량(FCC)은 온도, 노화, 부하 및 기타 요인의 영향을 받습니다.따라서 완전 충전 용량의 재학습 및 보상 방법은 전기량 방법에 매우 중요합니다.아래 그림은 완전 충전 용량이 과대 평가될 때와 과소 평가될 때 SOC 오류의 추세를 보여줍니다.

그림 11. 완전 충전 용량이 과대 평가될 때와 과소 평가될 때의 오류 추세