하이브리드 펄스 파워 특성(HPPC) 시험은 동력 배터리의 펄스 충방전 성능을 평가하는 방법으로, 동력 배터리 성능 시험의 핵심 기술이다. 주로 하이브리드 전기차(HEV) 배터리 시스템, 모듈 및 단일 셀의 성능 평가와 동력 시스템 관리에 적용되며(현재 중국에서는 순수 전기차(PEV) 영역으로 확대 적용됨).
HPPC 시험은 일반적으로 전문 배터리 시험 장비를 사용하여 수행되며, 최종 목적은 펄스 파워 능력, 사용 가능 에너지 및 사용 가능 출력 계산을 검증하여 HEV(중국 내 PEV 포함) 적용 시나리오의 방전 능력을 합리적으로 평가하는 것이다.
전형적인 HPPC 시험 프로파일은 그림 1(a)와 같다. 이 프로파일은 다양한 방전 깊이(DOD)에서의 방전 펄스 파워 능력과 회생 충전 펄스 파워 능력을 입증하기 위해 설계되었다. HPPC 시험은 본질적으로 그림 1(a)의 프로파일을 반복 실행하는 과정이다.
시험은 완전 충전 상태에서 시작된다. 배터리를 10% DOD까지 방전한 후 1시간 휴지시킨 다음 펄스 프로파일을 적용한다. 이 사이클(10% DOD 방전 → 1시간 휴식 → 펄스 프로파일 적용)은 배터리가 100% DOD에 도달할 때까지 반복된다. 최종 100% DOD 방전 후 1시간 휴식으로 시험을 종료하며(그림 1(b)), 이 1시간 휴식은 배터리가 전기화학적 및 열적 평형을 회복하는 데 필수적이다.
각 휴식 기간 중 전압은 반드시 기록되어 배터리의 개방 회로 전압(OCV) 곡선을 구성한다. 시험 펄스는 두 가지 피크 전류 수준(최대 전류 Imax의 25% 및 75%)을 사용하며, Imax는 제조사가 규정한 10초 최대 허용 펄스 방전 전류를 의미한다.
그림 1
참고: OCV 전압은 휴지 기간 동안 측정됩니다.
기본적으로 HPPC 펄스 테스트는 높은 SOC에서 낮은 SOC로 진행되며, 10% DOD 간격으로 수행됩니다. 시스템 설계 요구사항에 따라 이 간격을 더 작게 설정할 수 있으며, 이 경우 데이터 테이블이 더 밀집됩니다. 주의할 점은 각 방전 단계 후에 1시간의 휴지 기간이 있다는 것입니다. 이 대기 시간은 배터리 전압이 거의 휴식 상태로 돌아갈 수 있도록 합니다. 그러나 실제로는 1시간으로는 배터리가 완전한 정적 평형 상태에 도달하기에 부족한 경우가 많습니다. 따라서 이 휴지 기간 종료 시 측정된 전압을 사용하여 SOC-OCV 곡선을 그리면 참조 곡선만 얻을 수 있으며, 진정한 절대 평형 상태를 나타내는 곡선은 아닙니다.
HPPC 테스트 결과 분석에는 다음 사항들이 포함됩니다:
1.개방 회로 전압(OCV): 각 HPPC 휴지 기간 종료 시 측정된 전압으로, DOD에 대한 함수로 그래프를 그릴 수 있습니다.
2.내부 저항 특성: 테스트 데이터를 기반으로 방전 저항과 회생 충전 저항을 계산합니다. 이 저항들은 DOD에 따라 변화합니다.
○ 펄스 전력 성능: 전압 및 저항 특성에서 도출됩니다. DOD에 대한 함수로 그래프를 그릴 수 있으며, 다음을 포함합니다:
■ 방전 성능
■ 회생 충전 성능3.사용 가능한 에너지: 1C 방전율에서 배터리 시스템으로부터 얻을 수 있는 에너지를 의미합니다. 이는 각 DOD 지점에서 1C 방전으로 인해 공급되는 에너지와 전력 간의 관계를 설정하여 결정됩니다.
4.사용 가능한 전력: 사용 가능한 에너지가 특정 목표 값에 도달했을 때의 최대 방전 전력 성능입니다.
5.전력 및 에너지 저하(또는 감소): 시스템 수명 테스트 동안 시간에 따른 사용 가능한 전력과 에너지의 변화를 의미합니다.
HPPC 테스트 실행 방법:
HPPC 테스트는 그림 2와 같이 NEWARE 멀티 채널 배터리 테스트 시스템을 사용하여 수행할 수 있습니다. 내보낸 데이터는 이후 Origin 소프트웨어로 처리되어 결과를 생성합니다.
그림 2: NEWARE 배터리 테스트 시스템
(1) 충전 모드: 정전류(CC), 정전압(CV), 정전류-정전압(CC-CV), 정전력(CP) 충전. 정지 조건은 전압, 전류, 상대 시간, 용량, 에너지 또는 -△V(전압 증가량)을 포함합니다.
(2) 방전 모드: 정전류(CC), 정전압(CV), 정전류-정전압(CC-CV), 정전력(CP), 정저항(CR) 방전. 정지 조건은 전압, 전류, 상대 시간, 용량 또는 에너지를 포함합니다.
(3) 펄스 모드: CC 또는 CP 충전 및 CC 또는 CP 방전 펄스를 지원합니다. 최소 펄스 폭은 500밀리초입니다. 단일 펄스 단계는 최대 32개의 서로 다른 펄스를 지원하며 한 단계 내에서 충전과 방전을 연속적으로 전환할 수 있습니다. 정지 조건은 전압 또는 상대 시간입니다.
(4) DC 내부 저항(DCIR) 테스트: DCIR 계산을 위한 사용자 정의 포인트 선택을 지원합니다.
(5) 사이클 테스트: 사이클 범위 1~65,535회; 단일 사이클당 254단계를 지원합니다.
(6) 중첩 사이클: 중첩 루프 기능을 탑재했으며 최대 3단계 중첩을 지원합니다. 보다 상세한 테스트 기능은 Neware 기술 지원팀에 문의하시기 바랍니다.
파라미터 설정(리튬이온 배터리 예시):
HPPC 원리에 기반하여 다음과 같은 테스트 단계(작업 단계)를 구성하였습니다. 구체적인 전압 및 전류 파라미터는 실제 테스트 요구사항에 따라 설정해야 합니다.
그림 3: 구체적인 테스트 단계 구성
이 그림은 방전 용량을 기록하기 위한 표현식 설정을 보여줍니다. 충전 용량을 기록하려면 해당 표현식을 충전 단계 내에 설정해야 합니다. 단계 8과 단계 13에 대한 구체적인 표현식은 아래 그림에 표시되어 있습니다.
그림 4: 테스트 단계 8의 표현식
그림 5: 테스트 단계 13의 표현식
이 표현식에서 0.1은 10% 용량 저하를, 0.8은 80% 용량 저하를 나타냅니다.
1.하이브리드 전기차(HEV) 배터리 시스템 성능 평가: HPPC 테스트는 하이브리드 전기차용 배터리 시스템의 출력 성능과 내구성을 평가하여 실제 배터리 동작을 이해하고 최적화하는 데 도움을 줍니다.
2.배터리 모듈 및 셀 평가: 배터리 모듈과 개별 셀에 HPPC 테스트를 수행하면 다양한 방전 깊이(DOD)에서의 출력 및 충전 효율을 정확하게 측정할 수 있으며, 이는 배터리 설계와 최적화에 중요합니다.
3.배터리 관리 시스템(BMS) 설계 가이드: HPPC 테스트 데이터는 BMS가 배터리 상태를 더 효과적으로 모니터링하고 제어하여 안전하고 경제적인 운영을 보장하는 데 도움을 줍니다. 또한 HPPC 테스트는 다양한 작동 조건에서의 배터리 성능을 더 잘 이해할 수 있게 하여 전기차 BMS의 상태 추정 정확도를 높입니다. 정확한 BMS 상태 추정은 적합한 배터리 모델과 정밀한 모델 파라미터가 필요하며, HPPC 테스트는 이에 필요한 데이터를 제공합니다.
4.배터리 상태 추정: HPPC 테스트는 다양한 작동 조건에서의 배터리 성능을 심층적으로 이해할 수 있게 하여 전기차 설계 및 최적화에 필수적인 데이터를 제공합니다.
5.파워트레인 설계 및 배터리 수명 관리: HPPC 테스트 결과는 배터리 출력 지원 목표를 결정하고 다양한 DOD 수준에서의 방전 펄스 출력 능력과 회생 충전 펄스 출력 능력을 평가하는 데 사용됩니다. 이는 전기차 파워트레인 설계와 배터리 수명 관리에 매우 중요합니다.
6.배터리 성능 평가: 다양한 충전 상태(SOC)에서 펄스 충/방전 과정을 시뮬레이션함으로써 HPPC 테스트는 출력 성능, 개방 회로 전압(OCV), DC 내부 저항(DCIR) 등 배터리의 주요 특성을 평가합니다. 테스트는 완전 충전 상태에서 완전 방전까지 사이클을 진행하며, 매 10% DOD 증가마다 1시간 휴지 후 펄스 테스트를 수행합니다. 이 과정은 100% DOD에 도달할 때까지 반복되며, 최종 1시간 휴지 후 종료됩니다.
7.배터리 상태 분석: 테스트 중 다양한 SOC 지점에서 충/방전 방향의 DC 내부 저항과 배터리 개방 회로 전압을 측정할 수 있습니다. 이 데이터는 다양한 작동 조건에서의 배터리 성능 이해에 필수적이며, 전기차 설계 및 최적화를 위한 중요한 정보를 제공합니다.
8.배터리 수명 예측: HPPC 테스트는 배터리 출력 지원 목표를 결정하고 다양한 DOD 수준에서의 방전 펄스 출력 능력과 회생 충전 펄스 출력 능력을 평가하는 데 도움을 줍니다. 이는 전기차 파워트레인 설계와 배터리 수명 관리에 가장 중요한 요소입니다.
이러한 응용 시나리오는 HPPC 테스트가 동력 배터리 기술 연구와 제품 개발에 없어서는 안 될 부분임을 보여줍니다.
요약하자면, HPPC 테스트는 핵심적인 방법론입니다. 이는 배터리 성능 평가와 최적화에 도움을 줄 뿐만 아니라 전기차 설계와 BMS 개발에 필수적인 데이터 지원을 제공합니다. 본 소개를 통해 표준 테스트 단계에서의 DCIR-P 파라미터 설정 및 계산 방법 수정에 대한 이해를 얻으셨기를 바랍니다. 향후 NEWARE 팀의 전기화학 시리즈에서는 중첩 사이클링, 단계적 충전, 정저항 방전 등 배터리 소재 및 설계와 관련된 전기화학 테스트에 대한 심층적인 내용을 제공할 예정입니다. 저희 작업에 대한 관심과 공유, 지원을 부탁드립니다.
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