하이브리드 펄스 전력 특성화(HPPC)는 전력 배터리의 성능을 평가하는 중요한 시험 방법입니다. 이 방법은 하이브리드 차량의 배터리 시스템, 모듈 및 개별 셀의 성능 평가 및 전력 시스템 관리에 주로 사용됩니다. 이 글에서는 HPPC 시험의 원리와 방법에 대해 설명하고, 후속 기사에서는 HPPC의 실용적인 적용 사례를 다룰 예정이니 많은 관심 바랍니다.
HPPC는 전력 배터리의 펄스 충방전 성능을 반영하는 특성화된 시험입니다. HPPC 시험의 특성 곡선은 그림 1(a)에 나타나 있습니다. 이 시험의 목적은 배터리의 방전 펄스와 재생 충전 펄스 전력 능력에 대한 방전 깊이(DOD)에 따른 전력 보조 목표를 보여주는 것입니다. 
그림 1 HPPC 시험 특성 곡선 (a) 및 완전 HPPC 시험 과정 (b)
HPPC 시험 과정은 그림 1(a)의 특성 곡선을 간단히 반복한 것입니다. 시험은 완전 충전 상태에서 시작하여, 매번 10% DOD만큼 방전한 후, 1시간의 휴지기를 거쳐 펄스를 수행하며 100% DOD에 도달할 때까지 진행됩니다. 끝으로, 1시간의 휴지기를 갖습니다(그림 1(b) 참조). 이 1시간의 휴지기는 배터리가 전기화학적 및 열적 평형 상태에 도달하도록 하기 위한 것입니다. 각 휴지기 동안의 전압은 기록되어 배터리의 개방 회로 전압(OCV) 곡선을 작성하는 데 사용됩니다. 시험에서 사용되는 펄스 전류는 두 가지 피크 전류를 사용합니다: 저전류(최대 전류의 25%)와 고전류(최대 전류의 75%), 여기서 최대 전류(Imax)는 제조업체가 정의한 최대 허용 10초 펄스 방전 전류입니다.
개방 회로 전압(OCV)은 각 HPPC 휴지기 종료 시의 값으로, 방전 깊이(DOD)에 따른 함수로 나타낼 수 있습니다. 시험 데이터 포인트를 기반으로, 다른 DOD 값에서의 OCV는 선형 보간법 또는 데이터 적합 곡선을 이용해 추정할 수 있습니다(그림 2 참조).
방전 및 재생 충전 저항은 방정식 (1)과 (2) 및 그림 1을 통해 ΔV/ΔI 계산법을 이용하여 각 시험에 대해 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 전압, 펄스 저항 및 방전 깊이 간의 관계
전압 및 저항 특성에서 펄스 전력 능력을 도출할 수 있으며, 이를 방전 깊이(DOD)에 대한 함수로 나타낼 수 있습니다. 펄스 전력 능력은 배터리 셀의 최소 및 최대 작동 전압인 Vmin 및 Vmax에서 각각 방전 전력과 재생 충전 펄스 전력으로 정의됩니다. 방정식 (3)과 (4)를 사용하여 각 DOD에서의 저항과 OCV를 구하고 방전 전력 및 재생 충전 펄스 전력을 계산할 수 있습니다.
PDischarge = Vmin × (OCV - Vmin) / RDischarge (3)
PCharge = Vmax × (Vmax - OCV) / RCharge (4)
이 전력 능력 값들은 사용 가능한 방전 깊이와 에너지 값의 변화를 결정하는 데 도움이 됩니다. 전력 능력과 DOD 간의 관계 예시는 그림 3에 나와 있습니다. DOD 값을 결정할 때는 방전 펄스에 의해 소모된 용량을 고려해야 하므로, 재생 충전 DOD 값에 지연이 발생합니다.
그림 3 펄스 전력 능력과 방전 깊이 간의 관계
사용 가능한 에너지는 배터리 시스템에서 1C 방전 시 얻을 수 있는 에너지로 정의됩니다. 사용 가능한 에너지를 결정하는 단계는 다음과 같습니다: HPPC 전력과 서로 다른 방전 깊이에서의 1C 방전 에너지 간의 관계 설정, 배터리 크기 계수(BSF)를 사용하여 에너지와 전력을 조정, 시험 매뉴얼의 목표 요구 사항을 충족하는 최소 및 최대 DOD 값을 결정, 방전 구간에서 목표를 정확하게 충족하는 사용 가능한(1C 방전) 에너지 계산.
그림 4에 나타난 바와 같이, 전력-에너지 곡선은 1C 방전 HPPC 데이터에서 DOD 값을 에너지 값으로 교체하여 도출할 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 확대된 결과를 보여줍니다. 그림에서 전력 목표를 나타내는 수평선을 추가하면, 수평선과 곡선이 만나는 지점에서 사용 가능한 에너지를 결정할 수 있습니다. 그림 4에서 사용 가능한 에너지는 약 1330Wh와 480Wh의 차이, 즉 850Wh입니다. 이 850Wh 결과는 배터리 수명의 초기 시점에서 필요한 최소 전력 목표인 300Wh를 550Wh 초과하며, 전력 능력과 사용 가능한 에너지는 배터리 수명 동안 저하되기 때문에, 수명 종료 시에도 전력 및 에너지 목표를 여전히 충족해야 합니다. 에너지 여유가 0으로 줄어드는 지점이 배터리 수명의 끝을 나타냅니다.
그림 4 사용 가능한 에너지 결정
사용 가능한 전력은 사용 가능한 에너지가 FreedomCAR 시험 매뉴얼에서 요구하는 최소값을 충족할 때의 최대 방전 전력 능력입니다. 이 매개변수는 배터리의 전체 수명 주기 동안 배터리의 성능 저하를 조사하는 데 주로 사용됩니다. 사용 가능한 전력과 사용 가능한 에너지는 주어진 시점에서 배터리 성능의 두 가지 상호 보완적인 측면을 반영합니다. (그림 5 참조)
그림 5 사용 가능한 에너지 대 전력 곡선
시스템 수명 시험에서는 전력 및 에너지 감소율을 사용합니다. 사용 가능한 전력과 사용 가능한 에너지의 시간에 따른 변화는 특정 시점에서 주기적으로 시험하고, 초기(BOL) 값의 백분율로 표현해야 합니다. 이는 방정식 (5)와 (6)으로 나타낼 수 있습니다.
전력 감소율 (%) = 100 × (1 - 사용 가능한 전력 / 초기 사용 가능한 전력) (5)
에너지 감소율 (%) = 100 × (1 - 사용 가능한 에너지 / 초기 사용 가능한 에너지) (6)
(FreedomCAR) 전기차 시스템 전력 목표를 충족하는 최소 및 최대 DOD 값은 그림 4와 같은 HPPC 데이터 및 스케일링 계수를 사용하여 결정할 수 있으며, 원래 HPPC 시험 DOD 값에 대해 플로팅됩니다(수평축을 에너지 값으로 변환하지 않음). 그림 6에 나타난 바와 같이, 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
