USABC 피크 출력 시험은 정의된 방전 깊이(DOD)에서 셀의 30초 방전 성능을 측정합니다. 셀은 0%에서 90%까지 10% DOD 간격으로 시험하며, 기준 방전 후 고전류 펄스를 적용합니다. 각 DOD에서 펄스 중 전압과 전류의 변화로 저항을 계산한 다음, 이를 최소 허용 전압과 함께 사용하여 피크 출력을 추정합니다.

핵심 요점: USABC 피크 출력은 셀의 단자 전압을 IR-free 전압에서 발생하는 IR 강하로 모델링하여 도출합니다. 허용 가능한 펄스 전류는 셀 전압을 최소 작동 한계까지 낮추는 전류이며, 피크 출력은 해당 전류와 제한 전압의 곱입니다.

USABC 시험 수행 방법

정의된 DOD 지점에서 시험

시험은 0%, 10%, 20%부터 최대 90% DOD까지의 지점에서 셀을 평가합니다.

여기서 DOD는 시험 좌표로 사용됩니다. DOD가 증가한다는 것은 셀이 사용할 수 있는 방전 용량이 점진적으로 더 많이 소모되었음을 의미합니다.

기준 방전 적용

각 DOD 지점에서 셀을 정의된 기준 전류로 30초 동안 방전합니다.

이를 통해 고출력 펄스를 적용하기 전 셀의 전압과 작동 상태를 설정합니다.

고전류 펄스 적용

그 다음 기준 전류를 30초 동안 지속되는 고전류 방전 펄스로 대체합니다.

펄스가 시작된 후 약 1초 및 30초 시점의 셀 전압과 전류를 포함하여 펄스 중의 전압 및 전류를 기록합니다.

다음 DOD 지점으로 진행

펄스 후에는 DOD가 다시 10% 증가할 때까지 기준 전류로 셀을 방전합니다.

필요한 DOD 범위를 평가할 때까지 이 순서를 반복합니다.

시험을 제한하는 전압 한계

최소 허용 전압 유지

시험 중 셀 전압은 해당 기준 임계값 이상으로 유지되어야 합니다.

임계값은 다음 중 더 큰 값입니다.

• 제조업체가 지정한 차단 전압.
• 시험 절차에 명시된 80% DOD에서의 개방 회로 전압의 3분의 2.

이 한계는 계산된 출력 성능이 셀의 사용 가능한 전압 범위를 벗어난 작동을 기반으로 하지 않도록 합니다.

전압 한계가 중요한 이유

피크 출력은 셀이 손상되기 전에 낼 수 있는 최대 출력과 단순히 같은 개념이 아닙니다. 피크 출력은 셀의 정의된 전압 및 작동 제약을 준수하면서 사용할 수 있는 출력입니다.

이러한 한계를 초과하면 과도한 분극, 성능 저하 또는 내부 구성 요소의 비가역적 손상이 발생할 수 있습니다.

내부 저항 도출 방법

전압 및 전류 변화 측정

펄스 저항은 고전류 펄스의 1초 및 30초 지점 사이에서 발생한 전압과 전류의 변화를 사용하여 계산합니다.

[ R=\frac{\Delta U}{\Delta I} ]

여기서:

• (R)은 계산된 내부 저항입니다.
• (\Delta U)는 선택한 펄스 구간 동안의 전압 변화량입니다.
• (\Delta I)는 동일한 구간 동안의 전류 변화량입니다.

이를 전개하면 다음과 같습니다.

[ R=\frac{U_{1s}-U_{30s}}{I_{30s}-I_{1s}} ]

이는 일반적인 방전 전류 부호 규약을 적용한 식입니다. 방전 전류를 음수로 표시하는 경우 부호가 달라지지만, 보고되는 저항은 일반적으로 양의 절댓값으로 표현합니다.

이 저항이 나타내는 것

이는 유효 펄스 저항이며, 모든 전기화학적 영향을 배제하고 독립적으로 측정한 순수한 옴 저항과 반드시 같은 것은 아닙니다.

계산에 29초 간격으로 떨어진 지점을 사용하므로, 결과에는 옴 저항, 전하 전달 효과 및 펄스 중 변화하는 기타 분극 과정의 영향이 포함될 수 있습니다.

IR-Free 전압 도출 방법

모델링된 저항 강하 제거

시험에서는 IR-free 전압을 다음과 같이 정의합니다.

[ U_{\mathrm{IRFree}}=U-IR ]

여기서:

• (U_{\mathrm{IRFree}})는 모델링된 저항 강하가 발생하기 전의 추정 전압입니다.
• (U)는 측정된 단자 전압입니다.
• (I)는 관련 전류입니다.
• (R)은 계산된 펄스 저항입니다.

이를 통해 셀을 간략화한 테브난(Thevenin) 방식으로 표현할 수 있습니다. 즉, 유효 저항과 직렬로 연결된 IR-free 전압원으로 나타냅니다.

결과를 신중하게 해석

IR-free 전압은 계산을 통해 얻는 모델링 값입니다. 측정 전압에는 전기화학적 분극과 동적 회복 효과도 포함될 수 있으므로, 이를 셀의 실제 개방 회로 전압으로 자동 해석해서는 안 됩니다.

이 값의 목적은 선택한 시험 조건에서 피크 출력 계산을 지원하는 것입니다.

피크 출력 도출 방법

허용 가능한 펄스 전류 결정

최소 작동 전압 (U_{\min})에서 간략화한 셀 모델은 다음과 같습니다.

[ U_{\min}=U_{\mathrm{IRFree}}-IR ]

최대 허용 방전 전류에 대해 풀면 다음과 같습니다.

[ I_{\max}=\frac{U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}}{R} ]

이는 모델링된 단자 전압이 허용된 최소값에 도달하는 전류입니다.

전압 한계에서 출력 계산

피크 방전 출력은 다음과 같습니다.

[ P_{\mathrm{peak}}=U_{\min}I_{\max} ]

전류 식을 대입하면 다음과 같습니다.

[ P_{\mathrm{peak}}

\frac{U_{\min}\left(U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}\right)}{R} ]

주요 참고 자료에서는 음의 방전 전류 규약을 사용하여 다음과 같이 표현합니다.

[ P_{\mathrm{peak}}

\frac{-U_{\min}\left(U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}\right)}{R} ]

음수 부호는 방전 전류를 음수로 정의한 데 따른 표기상의 결과입니다. 보고되는 출력 성능은 일반적으로 양의 크기로 표시합니다.

저항이 출력에 큰 영향을 미치는 이유

방정식에서 전압 조건이 비슷하게 유지될 때 피크 출력은 저항에 대략 반비례한다는 것을 알 수 있습니다.

[ P_{\mathrm{peak}}\propto \frac{1}{R} ]

저항이 낮은 셀은 (U_{\min})에 도달하기 전에 더 큰 전류를 공급할 수 있습니다. 저항이 높은 셀은 동일한 펄스 동안 더 큰 전압 강하를 겪으므로 전압 한계에 더 빨리 도달합니다.

시험 결과가 나타내는 것

DOD에 따른 출력 프로파일 생성

시험은 각 DOD 지점에서 피크 출력 값을 생성합니다.

따라서 결과는 하나의 보편적인 셀 정격이 아닙니다. 이는 DOD에 따른 출력 성능의 맵이며, 다양한 온도, 열화 상태 또는 시험 전류에서 반복할 수 있습니다.

팩 설계 지원

결과는 전압 및 전류 한계를 준수하면서 시스템의 출력 요구 사항을 충족하기 위해 직렬 및 병렬로 연결해야 하는 셀 수를 엔지니어가 결정하는 데 도움이 됩니다.

팩 인터커넥트, 버스바, 냉각 조건, 접촉 저항 및 셀 불균형이 추가적인 제약을 유발하므로 셀 수준의 저항 및 전압 데이터가 특히 중요합니다.

연구개발 검증 지원

개발 또는 수명 시험 중 이 시험을 반복하면 다음 항목의 변화를 확인할 수 있습니다.

• 펄스 저항.
• 전압 응답.
• 사용 가능한 피크 출력.
• DOD 및 온도에 따른 성능.

저항 증가는 일반적으로 펄스 출력 성능을 저하시킵니다. 다만 출력 변화는 셀의 전압 및 분극 거동에도 영향을 받습니다.

트레이드오프 이해

저항이 유일한 성능 변수는 아님

저항이 낮을수록 일반적으로 펄스 출력이 향상되지만, 피크 출력은 IR-free 전압과 최소 작동 전압에도 영향을 받습니다.

저항이 낮더라도 사용 가능한 전압이 충분하지 않은 셀은 특정 작동 조건에서 전압이 더 높은 셀보다 성능이 좋지 않을 수 있습니다.

저항 값은 시험 정의에 따라 달라짐

저항은 온도, DOD, 펄스 지속 시간, 전류 수준, 휴지 이력 및 계산에 선택된 시간 지점에 따라 달라집니다.

따라서 이 USABC 절차에서 얻은 저항 값을 다른 펄스 지속 시간이나 측정 방법으로 얻은 값과 직접 비교해서는 안 되며, 비교 전에 이러한 차이를 고려해야 합니다.

셀 출력과 팩 출력은 다름

셀 수준의 피크 출력 결과가 배터리 팩에서 사용할 수 있는 출력과 자동으로 동일해지는 것은 아닙니다.

팩 수준의 한계는 직렬 셀 전압 편차, 병렬 그룹 불균형, 열적 한계, 집전체 및 버스바 저항, 배터리 관리 시스템 제약 및 인버터 한계에서 발생할 수 있습니다.

피크 출력을 연속 출력으로 취급하지 않기

USABC 결과는 지정된 조건에서의 30초 펄스 성능을 나타냅니다.

별도의 열적 및 전기적 분석이 이를 뒷받침하지 않는 한 연속 출력 정격으로 사용해서는 안 됩니다.

전압 및 전류 한계 준수

지정된 전압 또는 출력 한계를 초과하여 시험하면 열화가 가속되거나 전극, 분리막, 전해질, 집전체 및 기타 셀 구성 요소에 심각한 손상이 발생할 수 있습니다.

따라서 배터리 시험 장비는 전류, 전압, 시간, 온도 및 안전 차단 기능을 정밀하게 제어해야 합니다.

목표에 맞는 선택

가장 유용한 해석은 결과를 어떤 목적으로 활용할 것인지에 따라 달라집니다.

• 주요 목적이 셀 비교인 경우: DOD, 온도, 펄스 지속 시간, 전류 규약, 전압 한계 및 시험 이력이 동일한 경우에만 셀을 비교합니다.
• 주요 목적이 팩 크기 산정인 경우: DOD별 출력 및 저항 결과를 직렬/병렬 구성, 열적 한계, 불균형 및 팩 수준 기생 저항과 함께 사용합니다.
• 주요 목적이 열화 분석인 경우: 수명 주기 동안 일정한 DOD 및 온도 조건에서 저항 증가와 피크 출력 감소를 추적합니다.
• 주요 목적이 시험 검증인 경우: 전류 및 전압 트레이스를 검증하고, 1초 및 30초 샘플링 지점을 확인하며, 방정식에 사용된 부호 규약을 문서화합니다.

신뢰할 수 있는 USABC 피크 출력 평가는 체계적인 펄스 시험과 명확한 저항, 전압 한계 및 부호 규약 정의를 결합합니다.

요약 표:

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