고급 테스트 솔루션으로 EV 배터리 성능 향상

그림 1. 배터리 테스트 랩의 예. (이미지 :키사이트)

EV에 대한 수요가 증가함에 따라 빠르고 비용 효율적이며 에너지 효율적인 프로세스를 사용하여 내구성, 출력 밀도, 안전성, 저렴한 비용, 주행 거리 증가, 더 빠른 재충전 시간을 달성하는 배터리를 혁신해야 합니다.

배터리 설계의 중요한 측면 중 하나는 새 배터리가 설계 목표를 충족하는지 확인하기 위한 성능 테스트입니다. 최신 시스템과 방법론이 없으면 EV 배터리 테스트에 많은 비용과 시간이 소요될 수 있습니다. 배터리 테스트 프로세스 전반에 걸쳐 모범 사례와 최첨단 기술을 사용하면 배터리 설계 문제를 빠르고 쉽게 해결할 수 있습니다.

이 기사에서는 엔드투엔드 EV 배터리 테스트 시스템을 사용한 고급 테스트가 어떻게 EV 배터리 설계의 품질과 성능을 향상시킬 수 있는지 살펴보겠습니다.

성능 및 안전 문제 식별

성능 저하로 인한 영향을 고려하는 것이 중요합니다. 비필수 테스트를 생략하면 발견되지 않은 성능 또는 안전 문제가 발생할 수 있습니다. 생산 공정이 진행되는 동안 제품을 리콜하는 데에는 비용이 많이 듭니다. 문제를 수정하는 데 걸리는 시간은 완전히 작동하는 버전을 시장에 출시하는 일정에 큰 영향을 미칩니다. 이렇게 빠른 속도로 발전하는 시장에서 이러한 지연은 정당화될 수 없습니다.

초기 설계 및 생산 단계에서 테스트를 생략하는 것은 지름길처럼 느껴질 수 있습니다. 실제로 이는 문제가 발견되지 않을 경우 출시 기간이 크게 지연될 수 있는 고위험 전략입니다.

운영 비용 절감

잘 설계된 테스트 연구소는 EV 배터리 R&D 부문에서 일하는 사람들에게 실질적인 운영 비용 절감을 가져올 수 있습니다.

고성능 최첨단 배터리 테스트 시스템은 최대 96%의 에너지 효율성을 제공하는 동시에 방전된 배터리 전력을 AC 그리드로 다시 생성할 수 있습니다. 이를 통해 EV 배터리 테스트 연구소의 수명 기간 동안 운영 비용을 크게 절감할 수 있습니다(그림 1).

이 기술은 두 가지 방법으로 분주한 R&D 연구소의 비용을 최소화합니다. 즉, (1) 냉각 인프라 설치를 최적화하여 초기에, (2) 상당한 에너지 비용 절감을 통해 지속적으로 진행합니다.

실험실 운영 개선

철저한 테스트를 위해서는 방대한 양의 데이터를 효율적으로 관리하고 평가해야 합니다. 대량의 테스트 데이터를 관리하는 한 가지 방법은 데이터 무결성 및 추적 기능을 제공하는 실험실 운영 소프트웨어를 선택하는 것입니다. 소프트웨어 애플리케이션은 최적의 효율성을 위해 테스트 랩을 간소화하는 작업 흐름 관리 기능과 함께 데이터 분석 도구도 제공할 수 있습니다.

복잡한 시스템 테스트

EV 배터리 및 배터리 관리 시스템에 대한 테스트 시나리오는 다음과 같습니다.

• 기능, 노후화, 환경 및 성능 테스트

• 표준 및 표준 준수 테스트(ISO, DIN, EN, SAE).

• 저항(내부), 충전, 에너지, 용량, 효율성, 순환, 달력 내구성, 온도 동작 및 기계적 저항.

• 내구성, 범위 및 효율성 분석.

• 전기화학적 임피던스 측정 및 순환 전압전류법.

테스트 예시 - DC 내부 저항 측정(DCIR)

DCIR은 배터리 셀의 DC 저항 특성을 측정합니다. DCIR은 EV 배터리에서 볼 수 있는 높은 피크 전류로 인해 자동차 산업에서 중요한 측정이므로 다루겠습니다. 엔지니어는 배터리 팩이 이러한 높은 피크 전류에 어떻게 반응하는지 이해해야 하므로 DC 저항을 아는 것이 중요합니다.

그림 2. +100A 충전 펄스를 사용한 DCIR 측정에서 예상되는 전압 및 전류 파형. (이미지 :키사이트)

저항을 측정하려면 전류 변화를 적용하고 전압 응답을 측정합니다. 이 경우 DCIR이므로 실제 DC 저항 측정을 수행합니다. 그림 2와 3에서 볼 수 있듯이 단계 변화를 사용하고 DCIR은 DCIR =(V_beforestep – V_afterstep) / (I_beforestep – I_afterstep)으로 계산됩니다.

그림 3. -100A 방전 펄스를 사용한 DCIR 측정에서 예상되는 전압 및 전류 파형. (이미지 :키사이트)

일반적으로 첫 번째 측정(단계 전)은 셀이 정지 상태일 때 수행되므로 V_beforestep =셀 개방 회로 전압(OCV)이고 I_beforestep =0 암페어입니다. 적용된 전류 단계 변화는 충전 펄스인 전류의 증가일 수도 있고, 방전 펄스인 전류의 감소일 수도 있습니다. 실제로 DCIR을 양방향으로 측정하고 결과를 비교하거나 평균을 낼 수도 있습니다. 그림 4를 참조하세요.

그림 4. +/-100암페어 충전 후 방전 펄스를 사용한 DCIR 측정에서 예상되는 전압 및 전류 파형. (이미지 :키사이트)

전류 단계의 크기는 일반적으로 셀의 낮은 저항이 전압에서 측정 가능한 응답을 생성하기 위해 큰 전류 단계를 필요로 하기 때문에 큽니다. 현재 단계에 대한 요청은 최대 20°C까지 가능합니다. 50Ah 셀의 경우 1000A이므로 DCIR 장비는 크고 비쌀 수 있습니다. 고전류를 사용하면 고전류를 무한정 적용되도록 둘 수 없습니다. 그렇지 않으면 셀이 가열되어 충전(전류 펄스가 양수인 경우) 또는 방전(전류 펄스가 음수인 경우)됩니다. 두 경우 모두 셀의 충전 상태(SoC)를 변경하는 것은 바람직하지 않으므로 일반적으로 전류는 짧은 펄스로 적용됩니다.

이제, 세포에 펄스를 적용한다면 펄스 폭은 얼마나 되어야 할까요? 또한 V_afterstep을 측정하는 경우 측정을 수행하는 적절한 시기는 언제입니까? 펄스를 적용한 직후 또는 펄스가 끝날 무렵에 세포가 "단계 전" 상태(위에서 언급한 바와 같이 일반적으로 휴지 상태)로 돌아갑니다.

DCIR 자세히 알아보기

펄스 폭에 대한 질문에 답하기 위해 DCIR의 의미를 살펴보겠습니다. DCIR은 셀의 저항 계열 DC 출력 저항을 측정합니다. 셀의 옴 저항은 집전체, 전극의 활성 물질, 전해질의 이온 전도도 및 기타 연결에서 비롯됩니다.

DCIR의 경우 시간에 따라 변하지 않는 DC 옴 저항에만 관심이 있습니다. 이러한 옴 저항으로 인한 전압 변화는 전류 펄스를 적용하는 즉시 나타납니다. 따라서 DC 옴 저항을 측정하려면 전류 펄스 적용 시 전압 응답을 즉시 측정해야 합니다. 이는 펄스 길이가 중요하지 않으며 펄스가 셀의 전압 응답 측정 시간보다 길 필요가 없음을 의미합니다. 실제로 펄스 도중 셀의 충전 또는 방전으로 인해 발생하는 자체 발열과 SoC의 불필요한 변화를 방지하기 위해 펄스를 최대한 짧게 하는 것이 좋습니다.

엔지니어와 과학자들은 종종 1초, 10초 또는 30초 폭의 DCIR 펄스를 요청하고 이러한 펄스 끝에서 셀의 전압 응답 V_afterstep을 측정합니다. 이는 DCIR 측정이 아니라 DC 펄스 측정입니다.

펄스 끝에서 측정한 경우 V_afterstep에는 확실히 DC 저항 저항의 효과가 포함됩니다. 그러나 V_afterstep에는 일부 AC 전기화학적 효과가 포함되며, 가장 중요한 것은 펄스 동안 셀의 충전 또는 방전으로 인한 전압 변화를 포함합니다. 펄스 길이가 길어지고 펄스 진폭이 커짐에 따라(이 테스트는 20°C에서 실행될 수 있음을 기억), OCV에 대한 이러한 충전 또는 방전 효과는 몇 밀리옴의 실제 셀 저항을 통해 흐르는 20°C 전류로 인한 최소 전압 변화에 비해 상당히 클 수 있습니다.

테스트 설정

그림 5. DCIR 측정을 위한 테스트 설정 (이미지 :키사이트)

그림 5의 테스트 설정을 사용하여 DCIR을 측정하려면 두 가지 계측 특성이 필요합니다.

1. 전류 펄스를 인가하는 장치는 수 밀리초 이상의 상승 시간이 필요합니다. 에지가 느린 경우 I_beforestep에서 I_afterstep으로 전환하는 데 걸리는 시간으로 인해 DC가 아닌 빠른 전기화학적 효과가 발생할 수 있으므로 전압 응답 측정에는 DC 저항 및 일부 AC 전기화학적 전압 구성 요소가 모두 포함됩니다.

2. 전압 응답 V_afterstep은 적용된 전류 단계가 완료된 직후 빠르게 측정되어야 합니다. 측정이 느리거나 지연되는 경우 V_afterstep에는 DC가 아닌 빠른 전기화학적 효과가 포함됩니다. 극단적으로 말하면, V_afterstep이 전환 후 너무 느리게 측정되면 DCIR 측정은 DC 펄스 측정이 됩니다.

결론

EV 배터리 테스트에 대한 투자는 단순히 기술적인 필요성이 아니라 운송의 미래를 위한 전략적 필수 사항입니다. EV 배터리의 안전성, 효율성 및 수명을 향상시켜 EV 시장의 급속한 성장을 지원하려면 고급 테스트 방법론의 통합이 중요합니다.

이 기사는 Keysight Technologies(캘리포니아주 산타로사)의 에너지 및 자동차 솔루션용 배터리 테스트 솔루션 설계자인 Bob Zollo와 제품 마케팅 관리자인 Brian Whitaker가 작성했습니다. 자세한 내용을 보려면 여기를 방문하세요.  .