전 세계 경제는 휴대 가능하고 저장 가능한 전기로 빠르게 전환되고 있다. 이는 소비자 전자제품, 청정에너지, 모빌리티 및 운송 등 주요 기술 분야에 큰 영향을 미치고 있다. 특히 전기차(EV) 시장은 지난 10년 동안 판매량이 크게 증가했다.
BloombergNEF에 따르면 2040년에는 전체 승용차 판매의 절반 이상이 전기차가 될 것으로 전망된다. 이에 따라 배터리 판매도 직접적인 영향을 받을 것이며, 내연기관 차량에서 전기차로 전환되는 과정에서 배터리 신뢰성과 수명의 중요성은 더욱 커질 것이다.
배터리 신뢰성 평가에 매개변수 특성화가 필요한 이유
배터리 신뢰성을 테스트하려면 먼저 배터리 매개변수를 식별해야 한다.
이러한 용도에서 일반적으로 사용되는 모델은 배터리 등가 회로 모델(ECM, Equivalent Circuit Model)이다. ECM은 전압원과 전류, 그리고 저항 및 커패시터 세트를 사용해 배터리의 충전 및 방전 특성을 전기적으로 표현한 모델이다.
ECM의 매개변수를 식별하려면 배터리 작동 조건의 동적 범위를 포함하는 테스트 데이터가 필요하다. 실제 사용 환경을 재현하고 테스트 과정에서 배터리의 동적 거동을 포착하는 것은 배터리 성능을 정확하게 모델링하는 핵심 요소이다.
HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization) 테스트는 셀의 사용 가능한 전압 범위에서 배터리의 동적 성능을 확인하고, 시뮬레이션을 위한 견고한 배터리 모델을 만들 수 있도록 정확한 배터리 매개변수 식별에 사용된다.
HPPC 테스트란?
HPPC 테스트는 배터리의 동적 성능 특성을 파악하기 위해 사용되는 방법이다.
이 테스트는 셀의 사용 가능한 전압 범위에서 배터리의 전력 성능을 확인하고 있다. 테스트 프로파일에는 다양한 충전 상태(SOC, State of Charge)에서 수행되는 방전 펄스와 재생 펄스가 포함되며, 다양한 온도 스트레스 조건과 전류 부하에서도 수행할 수 있다.
여기서 방전 펄스는 배터리에서 비교적 짧은 시간 동안 부하를 끌어내는 과정이며, 재생 펄스는 배터리에 비교적 짧은 시간 동안 충전을 가하는 과정이다. 이 프로파일은 하이브리드 전기차에서 가속 시 발생하는 방전과 회생 제동 시 발생하는 충전 상황을 모사한다.
HPPC 테스트 프로파일은 크게 두 가지 섹션으로 구성된다.
- HPPC 테스트
- 정적 용량 테스트
정적 용량 테스트
정적 용량 테스트는 알 수 없는 SOC 상태의 배터리를 제조업체의 충전 지침에 따라 100% SOC까지 충전하는 것으로 시작하고 있다.
이 과정은 일반적으로 정해진 C-rate에서 수행된다. C-rate는 배터리의 최대 용량에 비례해 공급되거나 방전되는 전류의 비율을 의미한다.
즉, 사용 중인 전류를 배터리가 1시간 동안 정격 용량을 제공할 수 있는 이론적 전류로 나눈 값이다.
예를 들어 정격 용량이 2000mA·hr인 셀을 1.5C로 방전한다면, 사용되는 전류는 3A이다.
배터리는 충전 전압에 도달할 때까지 정전류로 충전되고, 이후 최소 전류에 도달할 때까지 정전압 충전으로 전환된다.
이 방식은 CCCV(Constant-Current, Constant-Voltage) 충전 방식으로 알려져 있다.
배터리가 100% SOC에 도달하면 셀이 평형 상태에 도달할 수 있도록 충분한 휴지 시간이 적용된다. 이후 배터리는 지정된 C-rate로 최소 전압 차단 지점까지 방전되며, 이 지점이 0% SOC에 해당한다.
방전 용량은 전용 배터리 테스터를 통해 직접 측정하거나, 100% SOC에서 0% SOC까지 흐른 전류와 시간을 기준으로 계산할 수 있다. 이후 다시 휴지 시간을 둔 뒤 CCCV 방식으로 100% SOC까지 재충전한다.
100%에서 0% SOC까지의 방전 용량은 배터리 용량으로 사용되고 있다. 일반적으로 이 값은 충전 용량과 일관성을 보이며, 특히 다음 HPPC 테스트의 첫 번째 절반인 방전 구간만 수행할 경우 방전 용량을 기준으로 사용하는 것이 일반적이다.
HPPC 테스트
HPPC 테스트에서는 앞선 정적 용량 테스트에서 확인한 배터리 용량을 기준으로 10% SOC 간격을 사용하고 있다.
이 단계는 100% SOC에서 0% SOC까지 진행되며, 테스트 프로파일의 두 번째 절반에서는 다시 100% SOC까지 이어질 수 있다.
각 단계는 다음과 같이 구성된다.
- 60분 휴지
- 방전 펄스: 1C, 10초
- 10분 휴지 또는 완화 시간
- 재생 펄스: 1C 또는 0.75C, 10초
- 10분 휴지 또는 완화 시간
- 제조업체 데이터시트에 따른 지정 C-rate로 다음 단계까지 방전 또는 충전
각 셀 유형은 각 SOC에서 테스트할 수 있으며, 다양한 온도와 다양한 C-rate 조건에서 방전 및 충전 펄스를 적용해 테스트할 수 있다.
ECM을 위한 후처리 과정
HPPC 테스트 데이터가 수집되면, 시간에 따른 전압 및 전류 응답을 분석하는 후처리 과정이 시작된다.
생성된 각 전압-시간 곡선은 배터리 등가 회로 모델(ECM)에 사용할 여섯 가지 매개변수를 추출하는 데 사용되고 있다.
ECM에 사용되는 주요 매개변수
- Voc: SOC에서의 개방 회로 전압
- Rs: 방전이 시작되는 펄스 시점의 즉각적인 전압 강하를 기반으로 한 배터리의 순간 직렬 저항
- R1, C1, R2, C2: 완화 기간 동안의 전압 곡선을 최소제곱 피팅해 도출한 저항 및 커패시턴스
배터리 ECM은 전압원, 전류, 저항, 커패시터 세트로 구성된다. 측정 전압은 완화 기간 동안 시간에 따라 예측되는 전압 응답을 나타내고 있다.
HPPC 데이터와 ECM 예측값 비교
HPPC 데이터는 특정 SOC와 특정 온도에서 얻은 곡선으로 표현할 수 있다.
가장 완전한 HPPC 데이터 세트는 각 SOC, 다양한 온도, 다양한 C-rate, 방전 및 충전 펄스 조건을 모두 포함하고 있다.
이러한 완전한 데이터 세트는 여러 샘플에 걸쳐 수백 개의 곡선을 포함할 수 있다.
배터리 ECM이 다양한 조건에서 셀 성능을 정확하게 반영하려면 이러한 데이터가 필요하다.
정확한 HPPC 테스트에서 도출한 매개변수를 사용하면 ECM의 수학적 표현을 통해 다양한 환경 및 부하 조건에서 배터리 성능을 시뮬레이션하고 예측할 수 있다.
원문 예시에서는 ECM 예측값이 실제 테스트 데이터와 매우 근접하게 나타내고 있다.
HPPC 테스트가 배터리 시뮬레이션에 중요한 이유
HPPC 테스트는 특정 셀에 대한 배터리 모델을 정확하게 매개변수화할 수 있게 해준다.
이렇게 만들어진 모델은 다양한 환경 및 사용 조건에서 배터리의 동적 성능을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있다. 전기차 시장 점유율이 계속 증가함에 따라 이러한 기능의 중요성은 더욱 커질 것이다.
결론
배터리 신뢰성과 수명은 전기차 및 전기화 시장의 성장과 함께 더욱 중요한 요소가 되고 있다.
정확한 배터리 시뮬레이션을 위해서는 실제 운용 조건을 반영한 테스트 데이터가 필요하며, HPPC 테스트는 배터리의 동적 성능을 측정하고 ECM 모델에 필요한 매개변수를 도출하는 핵심 방법이다.
Ansys는 이러한 배터리 특성화 테스트를 수행하고 시뮬레이션용 모델을 생성할 수 있는 역량을 제공한다고 설명하고 있다.
출처 : Ansys Building Better Batteries: Characterize Battery Parameters for Simulation
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