첨단 테스트 솔루션으로 전기차 배터리 성능 극대화

그림 1. 배터리 테스트 랩 예시. (이미지: Keysight)

EV 수요가 증가함에 따라 내구성, 전력 밀도, 안전성, 저비용, 주행거리 증가, 빠른 충전 시간을 빠르고 비용 효율적이며 에너지 효율적인 공정으로 달성하는 배터리 혁신이 필요해질 것이다.

배터리 설계의 중요한 측면 중 하나는 새로운 배터리가 설계 목표를 충족하는지 확인하기 위한 성능 테스트다. 최신 시스템과 방법론 없이 EV 배터리 테스트는 비용과 시간이 많이 들 수 있다. 모범 사례와 최첨단 기술을 배터리 테스트 공정 전반에 사용하면 배터리 설계 과제를 빠르고 쉽게 해결할 수 있다.

이 기사는 엔드투엔드 EV 배터리 테스트 시스템을 사용한 첨단 테스트가 EV 배터리 설계의 품질과 성능을 어떻게 개선할 수 있는지 탐구한다.

성능 및 안전 문제 식별

열악한 성능의 영향을 고려하는 것은 필수적이다. 비강제 테스트 생략은 나중에 발견되는 성능 또는 안전 문제로 이어질 수 있다. 생산 공정 후반에 제품을 리콜하는 것은 비용이 많이 든다. 문제를 해결하는 데 걸리는 시간은 완전히 작동하는 버전을 시장에 출시하는 일정에 큰 영향을 미친다. 이처럼 빠르게 진화하는 시장에서는 이러한 지연이 정당화될 수 없다.

초기 설계 및 생산 단계에서 테스트를 생략하는 것이 지름길처럼 느껴질 수 있다. 실제로는 문제가 발견되지 않은 채 남아 있으면 광범위한 시장 출시 지연을 초래할 수 있는 고위험 전략이다.

운영 비용 절감

잘 설계된 테스트 랩은 EV 배터리 R&D 부문 종사자에게 실질적인 운영 비용 절감을 가져올 수 있다.

고성능 최첨단 배터리 테스트 시스템은 방전 배터리 전력을 AC 그리드로 재생하면서 최대 96% 에너지 효율을 제공할 수 있다. 이는 EV 배터리 테스트 랩 수명 주기 동안 운영 비용 대폭 절감으로 이어질 수 있다(그림 1).

이 기술은 바쁜 R&D 랩 비용을 두 가지 방식으로 최소화한다: (1) 냉각 인프라 설치 최적화로 초기에, (2) 지속적인 에너지 비용 대폭 절감으로 지속적으로.

랩 운영 개선

철저한 테스트는 방대한 양의 데이터를 효율적으로 관리하고 평가하는 것을 요구한다. 대량 테스트 데이터를 관리하는 한 가지 방법은 데이터 무결성과 추적 기능성을 제공하는 랩 운영 소프트웨어를 선택하는 것이다. 소프트웨어 애플리케이션은 워크플로 관리 기능과 함께 데이터 분석 도구를 제공하여 테스트 랩을 최적 효율로 간소화할 수 있다.

복합 시스템 테스트

EV 배터리 및 배터리 관리 시스템 테스트 시나리오에는 다음이 포함된다:

• 기능, 노화, 환경, 성능 테스트.

• 표준 및 표준 준수 테스트(ISO, DIN, EN, SAE).

• 내부 저항, 충전, 에너지, 용량, 효율, 사이클, 캘린더 내구성, 온도 거동, 기계적 저항.

• 내구성, 주행거리, 효율 분석.

• 전기화학적 임피던스 측정 및 순환 전압전류법.

예시 테스트 - DC 내부 저항 측정 (DCIR)

DCIR은 배터리 셀의 DC 저항 특성을 측정한다. EV 배터리에 높은 피크 전류가 흐르기 때문에 자동차 산업에서 중요한 측정이다. 엔지니어는 배터리 팩이 이러한 높은 피크 전류에 어떻게 반응할지 이해해야 하므로 DC 저항을 아는 것이 중요하다.

그림 2. +100 암페어 충전 펄스 사용 시 DCIR 측정 예상 전압 및 전류 파형. (이미지: Keysight)

저항을 측정하기 위해 전류 변화를 적용하고 전압 응답을 측정한다. 이 경우 DCIR이므로 진정한 DC 저항 측정을 수행한다. 그림 2와 3에서 보듯 단계 변화가 사용되며 DCIR = (V_beforestep – V_afterstep) / (I_beforestep – I_afterstep)로 계산된다.

그림 3. -100 암페어 방전 펄스 사용 시 DCIR 측정 예상 전압 및 전류 파형. (이미지: Keysight)

일반적으로 첫 번째 측정(스텝 전)은 셀이 정지 상태일 때 수행되므로 V_beforestep = 셀 개방 회로 전압(OCV), I_beforestep = 0 암페어이다. 적용된 전류 단계 변화는 전류 증가를 의미하는 충전 펄스이거나 전류 감소를 의미하는 방전 펄스일 수 있다. 사실 양방향 DCIR을 측정하고 결과를 비교하거나 평균낼 수도 있다. 그림 4 참조.

그림 4. +/-100 암페어 충전 후 방전 펄스 사용 시 DCIR 측정 예상 전압 및 전류 파형. (이미지: Keysight)

전류 단계 크기는 일반적으로 셀의 낮은 저항이 전압에서 측정 가능한 응답을 생성하려면 큰 전류 단계가 필요하기 때문에 크다. 전류 단계 요청은 최대 20°C까지 가능. 50Ah 셀 기준 1000A이므로 DCIR 장비는 크고 비쌀 수 있다. 높은 전류로 고전류를 무기한 적용하면 셀이 가열되고 충전(전류 펄스가 양수) 또는 방전(전류 펄스가 음수)된다. 어느 경우든 셀 충전 상태(SoC) 변경은 바람직하지 않으므로 전류는 보통 짧은 펄스로 적용된다.

이제 셀에 펄스를 적용한다면 펄스 폭은 얼마나 되어야 할까? 또한 V_afterstep을 측정한다면 언제 측정하는 게 적절할까? 펄스 적용 직후 또는 셀이 '스텝 전' 상태(일반적으로 위에서 언급한 정지 상태)로 돌아가기 전 펄스 끝부분이 일반적이다.

DCIR 심층 분석

펄스 폭 질문에 답하기 위해 DCIR 의미를 살펴보자. DCIR은 셀의 옴성 직렬 DC 출력 저항을 측정한다. 셀의 옴성 저항은 집전체, 전극 활물질, 전해질 이온 전도도, 기타 연결에서 온다.

DCIR에서는 시간 불변 DC 옴성 저항만 고려한다. 이 옴성 저항으로 인한 전압 변화는 전류 펄스 적용 시 즉시 나타난다. 따라서 DC 옴성 저항을 측정하려면 전류 펄스 적용 시 전압 응답을 즉시 측정해야 한다. 이는 펄스 길이가 중요하지 않으며, 펄스는 셀 전압 응답 측정 시간보다 길 필요가 없음을 의미한다. 사실 셀 충전/방전으로 인한 불필요한 SoC 변화와 자기 발열을 피하기 위해 펄스는 가능한 한 짧아야 한다.

엔지니어와 과학자들은 종종 1, 10, 30초 폭 DCIR 펄스를 요청하고 펄스 끝에서 셀 전압 응답 V_afterstep을 측정한다. 이는 DCIR 측정이 아니라 DC 펄스 측정이다.

펄스 끝에서 측정하면 V_afterstep에는 확실히 DC 옴성 저항 효과가 포함된다. 그러나 V_afterstep에는 일부 AC 전기화학적 효과가 포함되며, 가장 중요한 것은 펄스 동안 셀 충전/방전으로 인한 전압 변화가 포함된다. 펄스 길이가 길어지고 펄스 진폭이 커질수록(이 테스트는 20°C에서 실행될 수 있음), 몇 밀리옴 진정한 셀 옴성 저항을 흐르는 20°C 전류로 인한 최소 전압 변화에 비해 OCV에 대한 충방전 효과가 꽤 클 수 있다.

테스트 설정

그림 5. DCIR 측정용 테스트 설정. (이미지: Keysight)

그림 5 테스트 설정을 사용한 DCIR 측정에는 두 가지 계측 특성이 필요하다:

1. 전류 펄스를 적용하는 디바이스는 몇 밀리초 이하의 상승 시간이 필요하다. 에지가 느리면 I_beforestep에서 I_afterstep으로 전환하는 데 시간이 걸려 비DC 고속 전기화학적 효과가 발생하여 전압 응답 측정에 DC 옴성과 일부 AC 전기화학적 전압 성분이 모두 포함된다.

2. 전압 응답 V_afterstep은 적용된 전류 단계 완료 후 빠르고 즉시 측정되어야 한다. 측정이 느리거나 지연되면 V_afterstep에 비DC 고속 전기화학적 효과가 포함된다. 극단적으로 V_afterstep이 전환 후 너무 느리게 측정되면 DCIR 측정이 DC 펄스 측정이 된다.

결론

EV 배터리 테스트 투자는 단순한 기술적 필요성이 아니라 운송의 미래를 위한 전략적 필수사항이다. 첨단 테스트 방법론 통합은 EV 배터리 안전성, 효율성, 수명 향상에 필수적이며, 이로써 EV 시장의 급속한 성장을 지원한다.

이 기사는 키사이트 테크놀로지스(캘리포니아주 산타로사)의 에너지 및 자동차 솔루션 배터리 테스트 솔루션 아키텍트 Bob Zollo와 제품 마케팅 매니저 Brian Whitaker가 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.