표준 펄스 출력 밀도 테스트는 제어된 SOC 지점, 짧은 고전류 펄스 및 정밀한 전압 측정을 사용하여 배터리의 최대 방전 및 충전 능력을 결정합니다. 일반적인 절차는 CC-CV 제어를 사용하여 리튬 이온 배터리를 완전히 충전하고, 제어된 온도에서 휴지시킨 다음, 90%에서 40%까지의 SOC 수준에서 테스트하는 것입니다. 각 수준에서 테스트 장비는 10초간의 방전 펄스, 충전 펄스 및 제어된 방전 단계를 적용하면서 높은 샘플링 속도로 전류와 단자 전압을 기록합니다.
이 테스트는 반복 가능한 SOC 및 온도 조건에서 최대 펄스 출력과 DC 내부 저항을 결정합니다. 측정된 최대 출력은 출력 밀도를 보고하기 위해 배터리 질량 또는 부피로 정규화되어야 하며, 전압 및 전류 제한은 허용 가능한 작동 범위를 정의합니다.
테스트 측정 항목
최대 방전 및 충전 출력
각 펄스 동안 배터리의 순간 전기 출력은 다음과 같이 계산됩니다:
[ P(t) = U(t) \times I(t) ]
여기서 (U(t))는 폐회로 단자 전압이고 (I(t))는 펄스 전류입니다.
참조된 절차는 펄스 시작 0.1초 후에 측정된 전압과 전류를 사용하여 최대 출력을 평가합니다. 이 초기 측정은 더 느린 열적 및 전기화학적 효과의 영향을 줄이면서 고출력 작동 조건을 포착합니다.
DC 내부 저항
펄스 응답은 또한 DC 내부 저항에 대한 추정치를 제공합니다:
[ R_{\mathrm{DC}} = \frac{\Delta U}{\Delta I} ]
주어진 전류 변화에 대해 더 큰 전압 강하가 발생하면 내부 저항이 더 높고 출력 능력이 낮음을 나타냅니다.
저항 값은 측정 간격에 따라 다릅니다. 펄스 시작 직후에 계산된 저항은 몇 초 후에 계산된 저항과 다르므로 테스트 보고서에는 타이밍 규칙이 명시되어야 합니다.
출력 밀도
측정된 최대 출력은 선택된 물리적 기준값으로 나누어 출력 밀도로 변환됩니다:
[ \rho_P = \frac{P_{\mathrm{max}}}{m} ]
(중량 출력 밀도, W/kg) 또는:
[ \rho_P = \frac{P_{\mathrm{max}}}{V_{\mathrm{battery}}} ]
(부피 출력 밀도, W/L).
보고서에는 계산에 셀, 모듈 또는 전체 팩의 질량과 부피 중 무엇을 사용했는지 명시해야 합니다.
배터리 준비 방법
테스트 환경 제어
주요 참조 문헌에 설명된 절차에 따라 일반적으로 20 ± 2 °C의 제어된 주변 온도에서 테스트를 수행하십시오.
리튬 이온 저항과 출력 능력은 온도에 따라 크게 달라지므로 온도를 측정하고 기록해야 합니다. 테스트를 시작하기 전에 배터리를 열적으로 안정화해야 합니다.
배터리 완전 충전
제조업체가 지정한 제한 사항을 사용하여 완전한 정전류/정전압(CC-CV) 충전으로 시작하십시오.
충전은 규정된 전류 종료 조건에 도달할 때까지 계속되어야 합니다. 적용 가능한 전압, 전류 및 종료 값은 배터리 제조업체 또는 관련 테스트 표준에서 가져와야 합니다.
초기 휴지 시간 확보
충전 후 배터리를 1시간 동안 휴지시키십시오.
이 휴지 기간은 전압 완화를 허용하고 첫 번째 펄스 시퀀스 전에 반복 가능한 시작 조건을 설정합니다.
SOC 시퀀스 실행 방법
목표 SOC 수준 선택
주요 절차는 약 90% SOC에서 40% SOC까지 진행하면서 여러 SOC 수준에서 배터리를 평가합니다.
정확한 SOC 간격은 테스트 전에 정의되어야 합니다. SOC는 배터리의 가용 용량에 대한 적절한 보정을 포함하여 보정된 쿨롱 카운팅(coulomb counting)을 기반으로 일관된 방법을 사용하여 계산해야 합니다.
방전 펄스 적용
각 목표 SOC에서 10초 동안 고속 정전류 방전 펄스를 적용합니다.
주요 참조 문헌은 대표적인 방전율로 6C를 제시합니다. 실제 전류는 테스트 사양, 배터리 제한 및 테스트 장비의 성능에 따라 선택해야 합니다.
기록 항목:
- 펄스 전류
- 단자 전압
- 시간
- 배터리 온도
- SOC
- 보호 또는 오류 응답
배터리가 지정된 최소 전압, 전류, 온도 또는 안전 제한에 도달하면 펄스를 중지해야 합니다.
방전 후 휴지
방전 펄스 후 배터리를 40초 동안 휴지시키십시오.
이 간격은 충전 펄스 전에 정의된 회복 기간을 제공하며 즉각적인 펄스 응답을 후속 완화 동작과 분리하는 데 도움이 됩니다.
충전 펄스 적용
10초 동안 정전류 충전 펄스를 적용합니다. 주요 참조 문헌은 대표적인 충전율로 3C를 제시합니다.
충전 펄스는 제조업체의 최대 전압, 전류 및 온도 제한 내에 있어야 합니다. 일부 테스트 표준은 방전 전류와 충전 전류의 부호가 반대인 부호 규칙을 사용하므로 충전 극성을 명확하게 문서화해야 합니다.
단계 전류로 방전
충전 펄스 후 1C로 330초 동안 배터리를 방전합니다.
이 제어된 방전은 배터리를 다음 SOC 테스트 지점으로 이동시킵니다. 실제 SOC 변화는 명목 C-rate 계산에서만 추정하는 대신 기록된 전류-시간 데이터에서 확인해야 합니다.
다음 SOC 지점 전 휴지
330초 방전 후 다음 SOC 단계를 시작하기 전에 배터리를 1시간 동안 휴지시키십시오.
지정된 모든 SOC 수준이 테스트될 때까지 펄스 시퀀스를 반복합니다.
최대 펄스 출력 결정 방법
전압 제한을 제약 조건으로 사용
펄스 전류는 결과 단자 전압이 허용된 작동 제한 내에 유지되는 경우에만 유효합니다.
방전의 경우 최대 허용 전류는 최소 방전 전압(U_{\min})에 의해 제한됩니다. 충전의 경우 최대 충전 전압(U_{\max})에 의해 제한됩니다.
간단한 계산식은 다음과 같습니다:
[ P_{\max}^{\mathrm{dis}} = U_{\min} \times I_{\max}^{\mathrm{dis}} ]
[ P_{\max}^{\mathrm{chr}} = U_{\max} \times I_{\max}^{\mathrm{chr}} ]
이 값들은 정의된 테스트 조건 하에서 최대 허용 펄스 방전 및 충전 출력을 나타냅니다.
필요 시 증분 펄스 전류 사용
보충 참조 문헌에 설명된 JEVS D713-2003 접근 방식을 포함한 일부 절차는 점진적으로 증가하는 C-rate에서 일련의 10초 펄스를 적용합니다.
일반적인 시퀀스에는 1C, 2C, 3C와 같이 증가하는 충전 및 방전 크기에서의 펄스와 제로 전류 휴지가 포함될 수 있습니다. 각 펄스가 끝날 때 측정된 단자 전압을 전류에 대해 플로팅하여 전압-전류 관계를 생성합니다.
그런 다음 해당 관계를 지정된 전압 제한까지 확장하거나 피팅하여 허용 가능한 전류를 식별합니다.
정의된 시점에서 측정
주요 절차의 경우 펄스 시작 0.1초 후의 폐회로 전압과 전류를 사용하여 보고된 최대 출력을 계산합니다.
JEVS 스타일 분석의 경우 정의된 10초 펄스가 끝날 때의 전압을 사용합니다. 이는 서로 다른 측정 규칙이므로 결과를 비교할 때 혼용해서는 안 됩니다.
필수 테스트 장비 및 데이터
프로그래밍 가능한 배터리 사이클러 사용
이 테스트에는 다음이 가능한 프로그래밍 가능한 배터리 테스트 시스템이 필요합니다:
- CC-CV 충전
- 고전류 펄스 방전
- 고전류 펄스 충전
- 정밀하게 타이밍된 휴지 기간
- SOC 기반 시퀀싱
- 빠른 전압 및 전류 샘플링
- 온도 모니터링
- 자동 안전 제한 종료
시스템은 배터리의 최대 전압, 전류, 출력 및 저장 에너지를 수용할 수 있어야 합니다.
충분히 빠른 샘플링
초기 전압 응답은 빠르게 발생하므로 느린 데이터 로깅은 관련 전압 강하를 놓칠 수 있습니다.
샘플링 속도, 필터링, 동기화, 센서 대역폭 및 측정 지연 시간을 문서화해야 합니다. 출력이나 내부 저항을 계산할 때는 전류 및 전압 채널이 시간상으로 정렬되어야 합니다.
전체 배터리 모니터링
차량용 배터리의 경우 테스트에는 셀, 모듈 또는 전체 팩이 포함될 수 있습니다. 모듈 및 팩 수준에서 절차는 다음을 고려해야 합니다:
- 배터리 관리 시스템(BMS) 개입
- 컨택터 동작
- 셀 불균형
- 냉각 시스템 작동
- 팩 전류 제한
- 절연 모니터링
- 과전압 및 저전압 보호
가장 약한 셀이나 모듈이 사용 가능한 펄스 제한을 결정할 수 있으므로 팩 수준의 결과가 단일 셀 결과로부터 반드시 예측 가능한 것은 아닙니다.
상충 관계 이해
최대 출력은 연속 출력이 아님
10초 펄스 정격은 짧은 지속 시간의 성능을 설명합니다. 이는 배터리가 과열되거나 열 제한을 초과하지 않고 지속적으로 전달할 수 있는 출력을 설정하지 않습니다.
연속 출력 능력은 적절한 열 안정화 및 지속 시간을 갖춘 별도의 테스트가 필요합니다.
더 높은 C-rate는 스트레스를 증가시킴
고속 펄스는 더 큰 전압 강하, 열 발생 및 전기화학적 스트레스를 생성합니다.
반복적인 테스트는 특히 배터리가 높은 충전율에 노출되거나 전압 및 온도 제한 근처에서 작동할 때 배터리 상태를 변경할 수 있습니다. 따라서 테스트 순서, 사이클 횟수 및 사전 컨디셔닝을 기록해야 합니다.
SOC만으로는 성능을 정의할 수 없음
동일한 SOC라도 온도, 노화, 이전 전류 이력, 휴지 시간 및 용량 측정 방법에 따라 다른 결과가 나올 수 있습니다.
비교는 이러한 조건이 제어되거나 명시적으로 보고될 때만 의미가 있습니다.
출력 밀도는 측정 경계에 따라 다름
질량 경계가 동일하지 않는 한 셀 수준의 W/kg 값과 팩 수준의 W/kg 값을 직접 비교해서는 안 됩니다.
보고서에는 비활성 패키징, 냉각 하드웨어, 버스바, 전자 장치 및 인클로저 질량이 포함되었는지 여부를 식별해야 합니다.
표준마다 다른 규칙 사용
주요 절차는 정의된 방전-충전-방전 시퀀스를 사용하고 지정된 초기 펄스 시간에 출력을 평가합니다. JEVS 스타일 테스트는 여러 개의 증분 펄스와 10초 펄스 끝에서 측정된 전압을 사용할 수 있습니다.
이러한 방법은 서로 다른 출력 및 저항 값을 생성할 수 있으므로 관리 표준 및 계산 타이밍을 항상 명시해야 합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
지원해야 하는 성능 주장에 맞는 테스트 방법을 사용하십시오.
- 주요 초점이 차량 가속 또는 회생 제동인 경우: 차량 배터리의 실제 전압 및 전류 제한을 사용하여 관련 SOC 및 온도 조건에서 방전 및 충전 펄스를 모두 테스트하십시오.
- 주요 초점이 셀 또는 모듈 비교인 경우: 모든 샘플에서 온도, SOC 정의, 펄스 타이밍, 휴지 기간 및 질량 경계를 동일하게 유지하십시오.
- 주요 초점이 DC 내부 저항인 경우: 명확하게 지정된 시점에서 동기화된 전압과 전류를 기록하고 계산 간격을 보고하십시오.
- 주요 초점이 공식 표준 비교인 경우: 한 가지 완전한 표준 절차를 따르고, 타이밍, 펄스 시퀀스 또는 전압 제한 규칙을 다른 방법과 혼합하지 마십시오.
- 주요 초점이 출력 밀도인 경우: 정규화에 사용된 정확한 질량 또는 부피 기준과 함께 최대 출력을 보고하십시오.
신뢰할 수 있는 펄스 출력 밀도 결과는 배터리의 원시 최대 출력만큼이나 테스트 조건과 계산 규칙에 의해 정의됩니다.
요약 표:
| 단계 | 설명 | 주요 매개변수 |
|---|---|---|
| 1. 환경 | 20 ± 2°C에서 온도 제어 | 온도, 안정화 시간 |
| 2. 충전 | 전체 CC-CV 충전 | 전압, 전류, 종료 조건 |
| 3. 휴지 | 1시간 휴지 | 휴지 시간 |
| 4. SOC 시퀀스 | 90%에서 40%까지 SOC 수준에서 테스트 | SOC 지점, 간격 |
| 5. 방전 펄스 | 6C에서 10초 (대표값) | 전류, 전압, 시간, 온도 |
| 6. 휴지 | 방전 후 40초 | 휴지 시간 |
| 7. 충전 펄스 | 3C에서 10초 (대표값) | 전류, 전압, 시간, 온도 |
| 8. 방전 단계 | 1C에서 330초 | 전류, 시간 |
| 9. 휴지 | 다음 SOC 전 1시간 휴지 | 휴지 시간 |
| 10. 데이터 분석 | 0.1초에서 최대 출력 및 저항 계산 | 전압, 전류, 시간, 저항 |
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