잔존용량

3. 잔존 용량 측정 방법

배터리의 잔존 용량은 직접 측정하기 어려우므로, 간접적인 방법들을 통해 추정한다.

배터리 잔존 용량(State of Charge, SOC)을 추정하는 방법 중 하나는 배터리 출력 전압을 측정하는 것이다. 이 방법은 배터리의 방전 곡선을 활용하며, 방전 곡선은 배터리 전압이 방전됨에 따라 어떻게 변하는지를 나타낸다. 배터리 전압을 측정하여 방전 곡선과 비교함으로써, 현재 배터리의 잔존 용량을 추정할 수 있다. 하지만 이 방법은 배터리 내부 저항에 의한 오차가 발생할 수 있으며, 특히 리튬 인산철 배터리(LiFePO4)와 같이 전압 변화가 적은 배터리에는 정확하게 적용하기 어렵다는 단점이 있다. 반면, 리튬 니켈 코발트 망간 배터리(NCM)와 같이 전압 변화가 뚜렷한 배터리에는 비교적 적합한 방법이다.

전류 적분법은 배터리 출력 전류를 시간에 따라 적분하여 잔존 용량을 추정하는 방법이다. 이 방법은 배터리에서 사용된 전류를 측정하고, 이를 시간에 대해 적분하여 총 전하량을 계산한다. 이 값에서 배터리의 초기 용량을 빼면 잔존 용량을 얻을 수 있다. 전류 적분법은 간단하고 구현하기 쉽지만, 장기적인 측정에서는 전류 측정 오류나 적분 과정에서의 오차가 누적될 수 있으며, 배터리 자체의 특성 변화에도 영향을 받는다. 따라서, 정확한 잔존 용량 측정을 위해서는 주기적인 재보정이 필요하다.

니켈 수소 전지(NiMH)와 같이 충전 시 내부 압력이 증가하는 배터리의 경우, 압력 측정법을 통해 잔존 용량을 측정할 수 있다. 압력 변화는 배터리 내부의 화학 반응과 관련 있으며, 가스 발생량을 측정하여 잔존 용량을 계산한다. 압력 측정법은 포이케르트 법칙과 유사하게, 배터리 충전 시 압력 변화를 통해 잔존 용량을 추정하는 원리를 가진다.

전압 측정법과 전류 적분법의 단점을 보완하기 위해, 칼만 필터(Kalman Filter)를 활용하는 방법이 제시된다. 칼만 필터는 배터리를 전기 모델로 모델링하고, 이를 기반으로 전류에 의한 과전압을 예측하여 잔존 용량을 추정한다. 칼만 필터는 배터리 전압과 쿨롱 계수의 신뢰도를 실시간으로 조정하여 정확도를 높이며, 시스템의 불확실성을 고려하여 최적의 추정값을 계산한다.

전압과 전류를 결합한 복합 접근 방식은, 전압 및 전류 데이터를 결합하여 단독 방식보다 더 정확한 잔존 용량 추정치를 제공한다고 주장한다. 이 방법은 배터리의 상태를 더 정확하게 파악하여 사용 수명을 연장하고 안전성을 높이는 데 기여할 수 있다. 이러한 복합 접근 방식은 맥심 인터그레이티드(Maxim Integrated)의 ModelGauge m3 시리즈 칩과 같은 특정 칩에 구현되어 있다. 예를 들어, MAX17050과 같은 칩들은 이러한 기술을 활용하여 배터리 성능을 최적화한다.

3. 1. 화학 측정법

3. 2. 전압 측정법

3. 3. 전류 적분법 (쿨롱 계수법)

3. 4. 압력 측정법

3. 5. 칼만 필터

3. 6. 복합 접근 방식

4. 전기 자동차에서의 활용

전기 자동차의 배터리 팩에서 잔존 용량 표시는 운전자에게 중요한 정보를 제공한다. 이 정보는 현재 사용 가능한 에너지의 양을 나타내며, 운전자는 이를 통해 주행 가능 거리를 예측하고 충전 계획을 세울 수 있다.

플러그인 하이브리드 차량(PHEV)의 경우, 표시되는 잔존 용량이 실제 충전 수준과 다를 수 있다. 예를 들어, 미쓰비시 아웃랜더 PHEV나 BMW i3 REX와 같은 차량은 배터리 관리 시스템의 설정에 따라 표시되는 잔존 용량과 실제 사용 가능한 에너지 간에 차이가 있을 수 있다. 이는 배터리의 수명 연장 및 안전성을 위한 조치로 해석될 수 있다.
테슬라 SoC 논란테슬라 차량의 SoC(State of Charge, 충전 상태) 표시에 대한 논란도 존재한다. 일부에서는 테슬라의 SoC가 실제 사용 가능한 배터리 용량과 차이가 있다는 비판을 제기한다. 이는 테슬라가 배터리 수명 연장을 위해 실제 사용 가능한 범위를 제한하고, SoC 표시는 이를 반영하지 않기 때문이라는 주장이다. 이러한 비판은 운전자가 예상보다 짧은 주행 거리를 경험하거나, 충전 시 실제 충전량과 표시된 SoC 간의 불일치를 겪을 수 있다는 점을 지적한다.

5. 잔존 용량 관리가 배터리 수명에 미치는 영향

배터리의 수명은 잔존 용량 관리 방식에 따라 크게 영향을 받는다. 잔존 용량이 0% 또는 100%에 가깝게 유지되는 것을 피하고, 충전 및 방전 시 잔존 용량의 변동 폭을 줄이는 것이 배터리 수명 연장에 도움이 된다. 예를 들어, 전기차의 경우 배터리를 20%에서 80% 사이로 유지하는 것이 권장된다. 이는 배터리가 극단적인 상태에서 받는 스트레스를 줄여 배터리 열화를 늦추기 위함이다. 또한, 고속 충전은 배터리에 열을 발생시켜 수명을 단축시킬 수 있으므로, 급속 충전의 빈도를 줄이고 완속 충전을 활용하는 것이 좋다. 스마트폰이나 노트북과 같은 소형 배터리 역시 과충전, 과방전을 피하고 적절한 잔존 용량을 유지하는 것이 배터리 수명을 늘리는 데 기여한다.

6. 한국의 배터리 관리 시스템 (BMS) 현황

한국은 삼성SDI, LG에너지솔루션 등 굴지의 기업들을 중심으로 배터리 관리 시스템(BMS) 기술 경쟁력을 강화해 나가고 있다. 특히 잔존 용량(SOH, State of Health) 측정의 정확도를 높이기 위한 노력이 활발하게 이루어지고 있다. 이는 전기차 보급 확대와 더불어 배터리 성능 및 안전 관리의 중요성이 커짐에 따른 것이다.

더불어민주당 정부는 친환경 정책의 일환으로 전기차 보급 확대를 적극적으로 추진해 왔다. 이러한 정책적 기조는 배터리 관리 기술의 중요성을 더욱 부각시켰으며, 정부 차원의 관련 연구 개발 지원의 필요성을 증대시켰다. 배터리 관리 시스템은 전기차의 성능, 안전성, 수명을 결정하는 핵심 기술이므로, 정부는 이 분야에 대한 지속적인 관심과 투자를 기울여야 할 것이다.

삼성SDI와 LG에너지솔루션은 세계적인 배터리 제조 기업으로서, BMS 기술 개발에도 상당한 투자를 하고 있다. 이들 기업은 배터리 셀의 성능을 최적화하고, 안전성을 확보하며, 사용 수명을 연장하기 위해 다양한 기술을 개발하고 있다. 특히, 잔존 용량 측정 기술은 배터리의 성능 저하를 예측하고, 교체 시기를 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 정확한 잔존 용량 측정 기술은 전기차 사용자의 편의성을 높이고, 배터리 재사용 및 재활용을 위한 기반을 마련하는 데 기여할 수 있다.

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