하이브리드 펄스 전력 특성화(HPPC) 테스트는 전력 배터리의 성능을 평가하는 중요한 방법입니다. 이 방법은 하이브리드 차량의 배터리 시스템, 모듈 및 단일 셀의 성능 평가 및 전력 시스템 관리를 위해 주로 사용됩니다. 본 논문에서는 HPPC 테스트의 원리와 방법을 주로 다루며, 후속 논문에서는 HPPC의 실제 응용 사례를 공유할 예정입니다. 많은 관심 부탁드립니다.
HPPC는 전력 배터리의 펄스 충전 및 방전 성능을 반영하기 위해 사용되는 특성화 테스트입니다. HPPC 테스트의 특성 곡선은 그림 1(a)에 표시되어 있습니다. 이 테스트의 목적은 방전 펄스와 재생 충전 펄스의 전력 보조 목표를 다양한 방전 깊이(DOD)에서 보여주는 것입니다.
그림 1 HPPC 테스트 특성 곡선 (a) 및 완전 HPPC 테스트 과정 (b)
HPPC 테스트 과정은 그림 1(a)의 특성 곡선의 단순한 반복입니다. 테스트는 완전히 충전된 상태에서 시작되며, 매번 10% DOD 만큼 방전한 후, 1시간의 휴지 시간을 갖고, 100% DOD에 도달할 때까지 펄스를 수행한 후, 1시간의 휴지 기간으로 종료됩니다(그림 1(b) 참조). 1시간의 휴식은 배터리가 전기화학적 및 열적 평형 상태에 도달하도록 하기 위함입니다. 각 휴식 기간 동안의 전압을 기록하여 배터리의 개방 회로 전압(OCV) 곡선을 설정해야 합니다. 테스트 펄스 전류는 두 개의 피크 전류를 사용합니다: 저전류 (Imax의 25%)와 고전류 (Imax의 75%), 여기서 Imax는 제조업체에 의해 결정된 최대 허용 10초 펄스 방전 전류입니다.
개방 회로 전압(OCV)은 각 HPPC 휴식 기간 종료 시의 값이며, 방전 깊이(DOD)의 함수로 플로팅할 수 있습니다. 테스트 데이터 포인트를 기반으로 다른 DOD 값에서 OCV를 선형 보간 또는 데이터 적합 곡선을 통해 추정할 수 있습니다(그림 2 참조).
방전 및 재생 충전 저항은 다음의 방정식과 그림 1에 따라 ΔV/ΔI 계산을 사용하여 결정할 수 있습니다(그림 2 참조).
RDischarge = (Vt1 - Vt0) / -(It1 - It0) = (Vt1 - Vt0) / (It0 - It1) (1)
RCharge = (Vt3 - Vt2) / -(It3 - It2) = (Vt3 - Vt2) / (It3 - It2) (2)
그림 2 개방 회로 전압과 펄스 저항 및 방전 깊이의 관계
전압 및 저항 특성에서 펄스 전력 능력을 도출하고 방전 깊이(DOD)의 함수로 플로팅할 수 있습니다. 펄스 전력 능력은 Vmin 방전 능력과 Vmax 재생 충전 능력을 포함하며, Vmin과 Vmax는 배터리 셀의 최소 및 최대 작동 전압입니다. 다음 방정식을 사용하여 각 DOD에서 대응하는 저항 및 OCV를 찾고 방전 전력 및 재생 충전 펄스 전력을 계산할 수 있습니다.
PDischarge = Vmin × (OCV - Vmin) / RDischarge (3)
PCharge = Vmax × (Vmax - OCV) / RCharge (4)
이들 전력 능력 값은 사용 가능한 방전 깊이 및 에너지 값의 변화를 결정할 수 있습니다. 전력 능력과 DOD의 관계에 대한 예는 그림 3에 나와 있습니다. DOD 값을 결정할 때 방전 펄스에 소비된 용량을 고려해야 하며, 이로 인해 재생 충전 DOD 값에는 지연이 발생합니다.
그림 3 펄스 전력 능력과 방전 깊이의 관계
사용 가능한 에너지는 배터리 시스템의 1C 방전에서 얻을 수 있는 에너지로 정의됩니다. 사용 가능한 에너지를 결정하는 단계는 다음과 같습니다: HPPC 전력과 1C 방전 에너지 간의 관계 설정, 에너지 및 전력을 스케일링하기 위해 배터리 크기 계수(BSF) 사용, 테스트 매뉴얼의 목표 요구 사항을 충족하는 최소 및 최대 DOD 값 결정, 및 목표를 정확히 충족하는 방전 영역에서의 사용 가능한 (1C 방전) 에너지 계산.
그림 4에서 알 수 있듯이, 1C 방전 HPPC 데이터에서 DOD 값을 에너지 값으로 교체하여 전력-에너지 곡선을 유도할 수 있습니다. 단일 셀 수준에서 얻은 전력-에너지 값은 크기 계수(BSF)를 사용하여 스케일링하고 FreedomCAR 지표와 비교할 수 있습니다. 그림 4는 크기 계수 40을 사용한 확대 결과를 보여줍니다. 그림에 전력 목표를 나타내는 수평선을 추가함으로써 사용 가능한 에너지를 수평선과 곡선의 교차점에서 결정할 수 있습니다. 그림 4에서의 사용 가능한 에너지는 약 1330Wh와 480Wh의 차이인 850Wh입니다. 이 850Wh 결과는 배터리 수명의 시작 시 필요한 최소 전력 목표인 300Wh를 550Wh 초과하며, 배터리 수명 동안 전력 능력과 사용 가능한 에너지가 저하되기 때문에 수명 종료 시에도 전력 및 에너지 목표를 충족해야 합니다. 에너지 여유가 0으로 줄어드는 지점이 배터리 수명의 끝을 나타냅니다.
그림 4 사용 가능한 에너지 결정
사용 가능한 전력은 사용 가능한 에너지가 FreedomCAR 테스트 매뉴얼에서 요구하는 최소 값을 충족할 때의 최대 방전 전력 능력입니다. 이 파라미터는 배터리의 전체 수명 주기 동안의 열화를 검사하는 데 사용됩니다. 사용 가능한 전력과 사용 가능한 에너지는 주어진 시점에서 배터리 성능의 두 가지 상호 보완적인 측면을 반영하며, 이는 그림 5에 나와 있습니다.
그림 5 사용 가능한 에너지 대 전력 곡선
시스템 수명 테스트를 위해 전력 및 에너지 감소율을 사용합니다. 사용 가능한 전력과 사용 가능한 에너지가 시간에 따라 어떻게 변하는지 특정 지점에서 주기적으로 테스트하고 초기(BOL) 값의 백분율로 표현합니다(방정식 (5) 및 (6) 참조).
Power Decay (%) = 100 × (1 - Usable Power / Initial Usable Power) (5)
Energy Decay (%) = 100 × (1 - Usable Energy / Initial Usable Energy) (6)
최소 및 최대 DOD 값은 그림 4의 HPPC 데이터와 스케일링 계수를 사용하여 FreedomCAR 전기차 시스템 전력 목표를 충족하는 값을 결정할 수 있습니다. 원본 HPPC 테스트 DOD 값(수평 축을 에너지 값으로 변환하지 않은 값)과 비교하여 결정합니다. 그림 6에 나와 있듯이, 전력 보조 목표를 충족하는 최소 및 최대 DOD 값은 각각 약 28%와 76%이며, 사용 가능한 에너지 목표를 충족하는 최대 DOD 값은 약 57%입니다.
그림 6 FreedomCAR 시스템 목표를 충족하는 최소 및 최대 DOD 값
Seoul: NEWARE
1314 ,Gasan Digital 2-ro 70, Geumcheon-gu, Seoul 19th Taerung Techno Town, Gasan-dong, Geumcheon-gu, Seoul , Korea 08589
