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2.3 개방회로전압(OCV) OCV는 배터리의 전류가 흐르지 않을 때, 측정되는 전압을 나타낸다. 옴의 법칙( )에 의거하여 저항이 무한대로 증가 할수록 전류는 0에 근접하여 정확한 셀 의 전압을 측정할 수 있다.
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The State of Charge (SOC) is like the fuel gauge in your car, telling you how much energy is left in your battery system. Calculating the State of Charge in a lithium-ion battery system requires an understanding of how the battery pack capacity and energy change. This understanding is critical before diving deeper into Coulomb counting.
Topics Covered
State of Charge
State of Charge (Capacity) (SOCcapacity or SOCc)
State of Charge (Energy) (SOCenergy or SOCe)
Fuel Gauge
Coulomb Counting
Depth of Discharge
Open Cell Voltage Lookup
The state of charge is defined as the capacity remaining divided by the total capacity of the battery pack. We look at an example of how the state of charge is calculated. Using a discharge curve, he explains that this curve is not linear. Given this, the true state of charge is often different from the energy remaining. Looking at State of Charge (capacity) and the State of Charge (energy) we can understand the differences between these values and how to calculate the most relevant information.
Coulomb counting is discussed next. Coulomb counting integrates amp hours and time to calculate the capacity removed from the pack. This provides a basis for SOC. The current sensor has drift and measurement error, so it is also important to have an open cell voltage lookup.
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리튬-이온 배터리의 SOC 추정을 위한 OCV 예측방법
제안한 OCV 예측기법의 타당성은 배터리 모델의. OCV와 예측된 OCV를 비교하는 시뮬레이션 통해 검증하였다. 1. 서론. 최근 화석 에너지의 고갈 및 온실가스 절감 등의 …
Source: www.koreascience.kr
Date Published: 12/12/2021
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리튬이온 배터리 상식 OCV(open-circuit voltage)란?
리튬이온 배터리 상식 OCV(open-circuit voltage)란? … 전압이란 것은 “electric potential level”입니다. 즉 전기적인 위치인데 정확한 전압을 재는 것은 …
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 2/12/2021
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[BMS] SOC 직접 추종 방법1 ( OCV, 개방 회로 전압 )
다시 본론으로 돌아와서 Open Circuit Voltage란 Open Circuit에서 전압을 말합니다. 즉 배터리가 쓰고 남은 전압을 측정하기 위해서 다른 것들과 모두 …
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Date Published: 10/14/2021
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배터리의 OCV 에 따른 SOC 설정 기준 연구 – 한국자동차공학회
IBS(Intelligent Battery Sensor)는 최근 연비 및 배기 가스 규제로 인하여, 점차 적용 되는 차종이 많. 아지는 추세이며, 더불어 배터리의 과충∙방전을 예방하여, …
Source: ksae.org
Date Published: 6/25/2022
View: 4279
리튬이온배터리의 전기계측 핸드북 – 히오키코리아
배터리 조립전 공정의 전극재료와 전극의 품질검사의 중요성 . … 양음극 간의 미세단락이 발생하면 배터리의 개방전압 (OCV, Open-Circuit Voltage) 이.
Source: hiokikorea.com
Date Published: 10/6/2022
View: 1796
전기차 배터리 용어 (C-rate, SOC, OCV, 상한전압/하한전압)
OCV란 배터리에 전기를 흘려 보내지 않고 그냥 두었을 때 걸리는 전력을 의미합니다. OCV는 배터리 SOC에 따라 달라지는 SOC가 높으면 OCV 또한 높고, SOC …
Source: gangx2libre.tistory.com
Date Published: 10/18/2022
View: 1017
차량의 배터리 개로전압을 이용한 초기 충전상태 예측방법
… (b) 방전 OCV 맵에 적용하여 나온 SOC를 배터리 평균 전압으로 맵핑하는 단계와; … 상기 이전의 배터리 제어기의 메모리 SOC를 OCV에 의한 초기 SOC로 수정하는 …
Source: patents.google.com
Date Published: 12/17/2022
View: 4198
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- Author: Stafl Systems
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- Date Published: 2020. 7. 8.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=rOwcxFErcvQ
리튬이온 배터리 상식 OCV(open-circuit voltage)란?
전압이란 것은 “electric potential level”입니다.
즉 전기적인 위치인데 정확한 전압을 재는 것은 아주 힘든 일입니다.
여기서 OCV란 개념이 등장하게 됩니다.
V=IR 이란 식을 하시죠? R(저항)이 무한대로 증가하면 I(전류)는 0에 가깝게됩니다.
즉 전압을 체크할때 아주 큰 저항을 걸어 전류의 흐름을 최소한으로 하면
최대한 실제값에 근접한 전압을 측정할 수 있습니다.
(소숫점 유효숫자 수에 따라 측정장비 값은 기하급수적으로 올라갑니다.)
왜냐 하면 모든 물체는 내부 저항을 가지고 있어 전류가 흐르게 되면
비례하여 저항도 증가하게 되고 이것은 전압강하 또는 전압상승을 가져옵니다.
무슨 얘긴고 하니 충전할때는 전압상승 효과가 발생하여 4.2V 충전했는데
20분 정도 두면 4.1xV로 떨어진 것을 보실 수 있습니다.
반면 방전시엔 3.0V까지 완방했는데 또 좀 시간이 지나면 회복하여 3.1xV가 된 경우가 있죠. 전류의 크기를 세게하면 할수록 전압강하,상승작용은 지수함수적으로 증가합니다. 때문에 전류가 흐르게 되면 정확한 전압을 측정할 수 없습니다.
(물론 정확하다는 정도의 차이가 있지만…100%냐 99.99%냐 99.9%냐…)
특히 내부저항이 큰 셀의 경우 조금만 전하를 걸어줘도 전압이 팍팍 떨어집니다.
겨울 (내부저항증가) 라이트 밝기는 여름(내부저항감소) 보다 약하고 오래가지 못 합니다. 왜냐하면 저항증가 때문에 전압이 떨어지기 때문이죠.
이러한 저항을 줄이는 설계는 상당한 수준의 기술력을 필요로 합니다.
단순히 셀자체의 저항이 낮다고 좋은 것은 아니고 (화학적)
high rate에서 저항의 상승을 최대한 억제할 설계 (물리적)가 필요합니다.
(2차선 도로도 차가 얼마 다니지 않을 때는 소통이 원할하겠죠?)
때문에 전동공구용으로 사용되는 대방전 (20A) 셀은 전하의 이동을 원할하기 위한 마이크로미터 크기의 전하 이동 통로를 다수 확보하는 설계로 말미암아 용량이 일반 18650의 60%수준 (1400mAh)으로 떨어집니다.
(도로를 2차선에서 8차선으로 확장하면 그만큼 집지을 공간이 줄겠죠?)
여기서 제품 공정능력의 중요성이 다시 나옵니다.
내부 저항을 줄이는 설계 능력 및 제조 기술 뿐 아니라 균일성도 중요합니다.
(쭉 4차선 도로랑, 군데 군데 2차선, 3차선, 5차선이 왔다갔다하는 도로…)
low rate/상온에서는 큰 차이가 없으나 high rate/저온,고온 에서는 내부저항이 급격하게 변합니다.
변동폭이 크다는 말인 즉슨 셀을 아주 균일하게 만들지 않으면 셀간 편차가 증폭하게 되는 것이죠.
즉 여러셀을 묶어 팩으로 사용할 경우 이런 상황에서 계속 사용하게 되면 (셀이 균일하지 않을경우)
셀간 편차가 지속적으로 증폭하여 열화된 셀에 하중이 집중되게 됩니다.
즉 과충전/과방전 상태에 놓이게 되는 것이죠. 잘 설계된 셀이면 안전장치가 작동하겠으나 아니라면 (애초에 이러한 셀 간 편차가 나오도록 만든 제조기술력으로 보건데) 안전사고가 발생하게 되는 것이지요.
뭐 단 셀 (single cell)로 사용할 경우는 안전문제와는 별 관계없습니다.
위에 그림은 Mn계 리튬 전지의 충방전 Profile입니다.
1.0 부근을 보시면 동일한 지점에서 충전시와 방전시의 전압이 차이가 나는 것이 보이실 겁니다. (은행에 달러 살때랑 팔때 환율이 다른 것 처럼)
요게 바로 앞서 말씀드린 내부저항에 의해서 전압 손실이 발생하는 것 입니다. 이상적인 상황이라면 일치해야겠지요.
앞서 말씀드린바와 같이 c-rate (전류치)가 높을 수록 이 차이는 더 커지게 됩니다.
대문에 전류를 ‘0’에 한없이 가깝게 두고 전압을 체크하는 겁니다.
정확하게 전압을 재었다면 (y값) 충전상태 (x값)을 알수 있겠죠?
http://www.ohled.com/board/forum.asp?rn=20100426012 [출처] 리튬이온 배터리 상식 10. OCV란?|작성자 whatsgoingon Open-circuit voltage (abbreviated as OCV or V OC ) is the difference of electrical potential between two terminals of a device when there is no external load connected, i.e. the circuit is broken or open. Under these conditions there is no external electric current between the terminals, even though there may be current internally (e.g. self-discharge currents in batteries). It is sometimes given the symbol V oc . The open-circuit voltages of batteries and solar cells are often quoted under particular conditions (state-of-charge, illumination, temperature, etc.).
[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.
전원 (Source)이 아무데도 연결이 안 되어 있으면 전압이 존재하지 않는다고 생각하는 오해가 존재하는데 실제로는 최고의 전압은 바로 Open Circuit일 때 나타나게 됩니다. Circuit이 Closed 할때 전류는 존재하지만 전압은 Potential 값이므로 항상 존재합니다. 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
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.
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
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전기차 배터리 용어 (C-rate, SOC, OCV, 상한전압/하한전압)
전기자동차가 트렌드로 자리 잡으면서 전기차 배터리 관련 주식, 그리고 배터리 관련 용어들에 대한 관심이 많습니다. 특히 주식 투자를 위해 기업 분석을 하다보면 생소한 배터리 용어가 많이 등장해서 공부해 보아야겠다고 생각했습니다.
1.C-rate
C-rate는 방전률과 충전률을 나타냅니다.
방전률 = 전기의 방전전류/전지의 정격용량
충전률 = 전기의 충전전류/전지의 정격용량
방전률이 높을 수록 방전 시간이 빨라지고 충전률이 높을 수록 충전 시간이 짧아집니다.
예를 들어 전지의 전격 용량이 20Ah인 배터리가 있을 때,
10A로 방전하게 되면 2시간 만에 방전되며 C-rate=2,
20A로 방전하게 되면 1시간 만에 방전되며 C-rate=1,
40A로 방전하게 되면 0.5시간 만에 방전되며 C-rate=0.5
2. SOC (State of Charge, 충전량, 충전상태)
SOC는 보통 System On Chip으로 많이 알고 계시지만 배터리에서 사용되면 충전량, 혹은 충전 상태를 의미합니다.
3. OCV (Open Circuit Voltage, 개방회로전압)
OCV란 배터리에 전기를 흘려 보내지 않고 그냥 두었을 때 걸리는 전력을 의미합니다. OCV는 배터리 SOC에 따라 달라지는 SOC가 높으면 OCV 또한 높고, SOC가 낮으면 OCV 또한 낮은 것이 일반적입니다.
OCV의 정의는 전류가 흐르지 않을 때의 전력을 의미하지만 실제로 OCV를 구할 때는 0.1C 정도의 미미한 전류를 흘려보내어서 구합니다.
4. 상한 전압, 하한 전압
스마트폰이나 전자 기기의 배터리가 0%라고 표시 되어도 사실 약간의 배터리는 남아 있는데요, 이것이 바로 하한 전압입니다. 아무리 전압이 낮아도 어느 수준 이하로는 떨어지지 않게 설정해 놓은 것이 하한 전압이구요, 반대로 아무리 전압이 높아져도 어느 수준 이상으로는 높아지지 않게 설정해 놓은 것이 상한 전압입니다.
배터리를 과하게 충전하거나 과하게 방전시켜서 배터리를 상하지 않게 하기 위해 설정하는 것입니다.
KR100428362B1 – 차량의 배터리 개로전압을 이용한 초기 충전상태 예측방법 – Google Patents
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US11105861B2 ( en ) 2021-08-31 Device and method for estimating battery resistance
KR100428362B1 ( ko ) 2004-04-28 차량의 배터리 개로전압을 이용한 초기 충전상태 예측방법
KR20150037144A ( ko ) 2015-04-08 지능형 배터리 센서 장치 및 그 동작 방법
US20210190879A1 ( en ) 2021-06-24 Soh estimation method of battery pack
Coroban et al. 2007 A novel on-line state-of-charge estimation algorithm for valve regulated lead-acid batteries used in hybrid electric vehicles
EP3872506A1 ( en ) 2021-09-01 Battery control device
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