배터리 SOC, SOH란? 차이와 계산 추정법

안녕하세요. 훈스로그입니다.

목차

SOC (State Of Charge)

SOH (State Of Health)

 

먼저, 이번 글을 보기에 앞서 기본적인 배터리 용어에 대해 숙지하시고 읽으신다면 이해가 더 잘되실겁니다.

2021.01.03 - [배터리] - 배터리 용어 [용량, 출력, 내부저항(IR), 전류, 전압]

배터리 용어 [용량, 출력, 내부저항(IR), 전류, 전압]

 

SOC : State Of Charge

 배터리 용어 중 SOC는 State Of Charge의 약자로 말 그대로 충전 상태를 뜻합니다. 우리가 스마트폰에서 배터리 잔량을 퍼센트로 확인할 수 있는데, 쉽게말해 그 것이 바로 SOC에요. 수식으로 나타내면, 'SOC=잔존 배터리 용량/전체 용량' 입니다.

 충전이 다 된 상태의 배터리가 SOC 100%이고, 완전 방전된 상태가 0% 인 것을 뜻합니다. 만약 절반만 충전된 상태라면 50%이겠죠?

 배터리의 충방전을 위해서는 이러한 SOC를 추정하는 것이 필요합니다. BMS(Battery Management System)가 어느정도까지 충전을 할지, 그리고 방전을 할지 기준이 필요한데, 이 때 현재 SOC 상태를 정확하게 알아야만 가능한 일이죠.

 SOC를 추정하는 알고리즘에는 크게 두가지가 있습니다.

① OCV(Open Circuit Voltage)를 이용한 추정법

 리튬이온 배터리의 충전 및 방전을 통해 SOC-OCV 그래프 곡선을 얻을 수 있습니다. OCV란 개방 회로 상태의 전압을 뜻하는 것으로, 안정된 상태에서 배터리 전압을 측정한 결과입니다. 즉, 배터리의 개방전압을 측정해 SOC테이블에 맞추어 추정하는 방식입니다. 다만, 이 방법은 실시간으로 측정하기에는 알맞지 않습니다.

② 전류적산법을 이용한 추정법

 배터리는 가지고 있는 전하량이 정해져있습니다. 그리고 전류가 들어가고 나오면서 충전/방전이 지속됩니다. 전류적산법은 이러한 특성을 이용한 방식인데요. 즉, 유입되고 유출되는 전류를 카운팅하여 잔존용량을 추정하는 방법입니다. 식으로 나타내면 '전하량 적분값/배터리의 총 전하량' 입니다. 이 방법은 충방전이 지속되는 상태에서도 실시간으로 SOC를 추정가능하다는 장점이 있지만, 초기 SOC 기준값에 따라 오차가 생길 수 있고, 전류적산이 누적될 수록 추정 오차가 커질 수 있다는 단점이 있습니다.

SOH : State Of Health

 SOH는 State Of Health로 직역하면 건강상태를 의미합니다. 배터리는 사용할 수록 내부저항이 증가해 용량이 열화되는 제품인데, SOH는 그 열화량이 얼마인지를 나타내는 수치로 쉽게말해 수명을 뜻합니다.

 위 그림을 보시면 SOH와 SOC의 차이점을 이해하실 수 있을겁니다. Degraded는 용량이 열화된 부분으로 사용할 수 없는 영역에 해당합니다. 즉, 처음 상태보다 34%가 부분은 사용을 할 수가 없으며, 현재 66%만 사용할 수 있다는 것이죠. 반면에 SOC는 열화된 상태를 기준으로 사용할 수 있는 가용 용량 최대 상태가 100%를 의미합니다. 

 SOH를 계산하는 알고리즘은 여러가지가 있지만, 가장 깁노적이며 정확한 방법은 직접 방전용량을 측정하는 것입니다. 배터리 만충상태에서 만방전을 할 때 까지의 전류를 계산해 방전용량을 측정하고, 공칭용량과 비율을 나타내어 계산하는 것이죠.

 보통 리튬이온배터리는 4.2V가 만충상태이고, 2.5V가 만방상태인데 1C로 방전하여 측정합니다.  만약 배터리의 설계된 공칭용량이 2Ah이고 현재상태에서 측정한 방전용량이 1Ah라면 방전용량(1)/공칭용량(2)*100하여 50%라는 SOH값을 얻을 수 있습니다. 'SOH = 공칭용량 대비 측정용량의 비'