배터리 측정기 소개

배터리 측정기 소개

1.1 전기 계량기의 기능 소개

배터리 관리는 전원 관리의 일부로 간주될 수 있습니다. 배터리 관리에서 전력량계는 배터리 용량을 추정하는 역할을 합니다. 기본 기능은 전압, 충방전 전류, 배터리 온도를 모니터링하고 배터리의 충전 상태(SOC)와 완전 충전 용량(FCC)을 추정하는 것입니다. 배터리의 충전 상태를 추정하는 방법에는 개방 회로 전압 방법(OCV)과 쿨롱 측정 방법의 두 가지 일반적인 방법이 있습니다. 또 다른 방법은 RICHTEK이 설계한 동적 전압 알고리즘입니다.

1.2 개방전압 방식

전력량계에 개방전압 방식을 적용하는 방법은 비교적 간단하며, 개방전압의 해당 충전상태를 확인함으로써 얻을 수 있다. 개방 회로 전압에 대한 가정된 조건은 배터리가 약 30분 동안 휴지 상태일 때의 배터리 단자 전압입니다.

배터리의 전압 곡선은 배터리의 부하, 온도, 노화에 따라 달라집니다. 따라서 고정 개방 회로 전압계는 충전 상태를 완전히 나타낼 수 없습니다. 표만 조회하는 것만으로는 충전 상태를 추정할 수 없습니다. 즉, 표만 보고 충전상태를 추정한다면 그 오차는 상당할 것이다.

다음 그림은 동일한 배터리 전압 하에서 개방 회로 전압 방식을 통해 얻은 충전 상태에 상당한 차이가 있음을 보여줍니다.

        그림 5. 충전 및 방전 조건에서 배터리 전압

아래 그림에서 볼 수 있듯이 방전 중 부하에 따라 충전 상태에도 상당한 차이가 있습니다. 따라서 기본적으로 개방 회로 전압 방식은 납축 배터리나 무정전 전원 공급 장치를 사용하는 자동차와 같이 충전 상태에 대한 정확도 요구 사항이 낮은 시스템에만 적합합니다.

            그림 2. 방전 중 다양한 부하에서의 배터리 전압

1.3 쿨롱 계측학

쿨롱 계측의 작동 원리는 배터리의 충전/방전 경로에 감지 저항을 연결하는 것입니다. ADC는 감지 저항의 전압을 측정하여 이를 충전 또는 방전 중인 배터리의 전류 값으로 변환합니다. 실시간 카운터(RTC)는 현재 값과 시간을 통합하여 흐르는 쿨롱 수를 결정합니다.

               그림 3. 쿨롱 측정 방법의 기본 작동 모드

쿨롱 계측법은 충전 또는 방전 과정 중 실시간 충전 상태를 정확하게 계산할 수 있습니다. 충전 쿨롱 카운터와 방전 쿨롱 카운터를 사용하여 잔여 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 상태를 계산할 수도 있습니다(예: SOC=RM/FCC). 또한, 전력고갈(TTE), 전력충전(TTF) 등 남은 시간도 추정할 수 있다.

                    그림 4. 쿨롱 계측의 계산 공식

쿨롱 계측의 정확도 편차를 유발하는 두 가지 주요 요인이 있습니다. 첫 번째는 전류 감지 및 ADC 측정 시 오프셋 오류가 누적되는 것입니다. 현재 기술로는 측정 오류가 상대적으로 작지만 이를 제거할 수 있는 좋은 방법이 없으면 이 오류는 시간이 지남에 따라 증가합니다. 다음 그림은 실제 응용에서 시간이 지나도 수정이 없으면 누적 오류는 무제한이라는 것을 보여줍니다.

              그림 5. 쿨롱 측정법의 누적오차

누적 오류를 제거하기 위해 일반 배터리 작동 중에 사용할 수 있는 세 가지 시점은 충전 종료(EOC), 방전 종료(EOD) 및 휴지(Relax)입니다. 충전 종료 조건이 충족되면 배터리가 완전히 충전되었으며 SOC(State of Charge)가 100%가 되어야 함을 나타냅니다. 방전 종료 조건은 배터리가 완전히 방전되었으며 SOC(충전 상태)가 0%여야 함을 나타냅니다. 이는 절대 전압 값일 수도 있고 부하에 따라 달라질 수도 있습니다. 휴지 상태에 도달하면 배터리는 충전도 방전도 되지 않고 오랜 시간 동안 이 상태를 유지합니다. 사용자가 전기량법의 오류를 수정하기 위해 배터리 휴지 상태를 사용하려는 경우 이때 개방 회로 전압계를 사용해야 합니다. 다음 그림은 위의 상태에서 충전상태 오류를 수정할 수 있음을 보여줍니다.

            그림 6. 쿨롱 계측의 누적 오류를 제거하기 위한 조건

쿨롱 계측의 정확도 편차를 일으키는 두 번째 주요 요인은 완전 충전 용량(FCC) 오류입니다. 이는 배터리의 설계된 용량과 배터리의 실제 완전 충전 용량 간의 차이입니다. 완전히 충전된 용량(FCC)은 온도, 노후화, 부하 등의 요인에 의해 영향을 받습니다. 따라서 완전히 충전된 용량에 대한 재학습 및 보상 방법은 쿨롱 계측에 매우 중요합니다. 다음 그림은 완전 충전된 용량을 과대평가하고 과소평가할 때 충전 상태 오류의 추세 현상을 보여줍니다.

             그림 7: 완전히 충전된 용량을 과대평가 및 과소평가했을 때의 오류 추세

1.4 동적 전압 알고리즘 전기 계량기

동적 전압 알고리즘은 배터리 전압만을 기준으로 리튬 배터리의 충전 상태를 계산할 수 있습니다. 이 방법은 배터리 전압과 배터리의 개방 회로 전압의 차이를 기반으로 충전 상태의 증가 또는 감소를 추정합니다. 동적 전압 정보는 리튬 배터리의 동작을 효과적으로 시뮬레이션하고 충전 상태(SOC)(%)를 결정할 수 있지만 이 방법은 배터리 용량 값(mAh)을 추정할 수 없습니다.

계산 방법은 배터리 전압과 개방 회로 전압의 동적 차이를 기반으로 하며, 충전 상태의 각 증가 또는 감소를 계산하는 반복 알고리즘을 사용하여 충전 상태를 추정합니다. 쿨롱 방식 전기 계량기 솔루션과 비교하여 동적 전압 알고리즘 전기 계량기는 시간과 전류에 따른 오류가 누적되지 않습니다. 쿨롱 미터링 미터는 전류 감지 오류 및 배터리 자체 방전으로 인해 충전 상태를 부정확하게 추정하는 경우가 많습니다. 전류 감지 오류가 매우 작더라도 쿨롱 카운터는 오류를 계속 누적하며, 이는 충전 또는 방전이 완료된 후에야 제거될 수 있습니다.

동적 전압 알고리즘은 전압 정보만을 기반으로 배터리의 충전 상태를 추정하는 데 사용됩니다. 배터리의 현재 정보를 기반으로 추정한 것이 아니기 때문에 오차가 누적되지 않습니다. 충전 상태의 정확성을 향상시키기 위해 동적 전압 알고리즘은 실제 장치를 사용하여 완전 충전 및 완전 방전 조건에서 실제 배터리 전압 곡선을 기반으로 최적화된 알고리즘의 매개변수를 조정해야 합니다.

     그림 8. 전력량계 및 이득 최적화를 위한 동적 전압 알고리즘의 성능

다음은 충전 상태에 따라 다양한 방전율 조건에서 동적 전압 알고리즘의 성능을 보여줍니다. 그림에서 볼 수 있듯이 충전 상태 정확도가 좋습니다. C/2, C/4, C/7, C/10의 방전 조건에 관계없이 이 방법의 전체 충전 상태 오류는 3% 미만입니다.

      그림 9. 다양한 방전율 조건에서 동적 전압 알고리즘의 충전 상태 성능

다음 그림은 짧은 충전 및 짧은 방전 조건에서 배터리의 충전 상태를 보여줍니다. 충전 상태의 오류는 여전히 매우 작으며 최대 오류는 3%에 불과합니다.

       그림 10. 배터리 단시간 충전 및 단방전 시 동적 전압 알고리즘의 충전 상태 성능

일반적으로 전류 감지 오류 및 배터리 자체 방전으로 인해 충전 상태가 부정확해지는 쿨롱 미터링 방식과 비교하여 동적 전압 알고리즘은 시간과 전류에 따라 오류가 누적되지 않는다는 점이 큰 장점입니다. 동적 전압 알고리즘은 충전/방전 전류에 대한 정보가 부족하여 단기 정확도가 낮고 응답 시간이 느립니다. 또한, 완전 충전 용량을 추정할 수 없습니다. 그러나 배터리 전압은 궁극적으로 충전 상태를 직접 반영하므로 장기적인 정확도 측면에서는 우수한 성능을 발휘합니다.