HPPC試験は、複数のバッテリー充電レベルで実行される、制御された大電流の放電・充電パルスシーケンスです。 実験用バッテリー試験プラットフォームでは、セルをフル充電し、定義された放電深度（DOD）または充電状態（SOC）のステップを経て、電圧、電流、温度を高速で記録しながら短い電流パルスを印加します。得られた電圧応答を使用して内部抵抗を決定し、電圧制限に達するまでのバッテリーの許容ピーク放電および充電電力を計算します。
重要なポイント： HPPC試験は、過渡的な電圧応答を、SOCまたはDOD全体にわたる動的抵抗と使用可能な電力のマップに変換します。ピーク電力は、バッテリーの有効抵抗と、許容される最小または最大端子電圧の両方によって制限されます。
HPPC試験で測定されるもの
動的電力能力
HPPCは、セル、モジュール、またはパックが短期間にどれだけの電力を供給または受け入れられるかを特徴付けます。
加速時の放電中の電圧降下や回生充電中の電圧上昇を捉えるため、低速の容量試験よりも実際の動作をより正確に表しています。
内部抵抗とインピーダンス
この試験では、放電パルスと充電パルスに関連する有効抵抗を特定します。
より詳細な分析では、等価回路モデルで使用するために、オーム抵抗、分極抵抗、過渡容量、および面積比インピーダンス（ASI）を抽出することもあります。
SOCまたはDOD全体にわたる電力
試験は、一般的に10%のSOCまたはDOD刻みで、バッテリーの使用可能範囲全体にわたって繰り返されます。
これにより、バッテリーの動的能力が最大となる点と最小となる点を示す、放電電力曲線と充電電力曲線が作成されます。
実験プラットフォームでの試験実施方法
1. 試験対象の接続と構成
セル、モジュール、またはパックを適切な試験治具に取り付け、プログラマブルバッテリー充放電装置に接続します。
プラットフォームは、正確な双方向電流制御、高速サンプリング、温度監視、および試験対象に適した電圧・電流範囲を備えている必要があります。
2. バッテリーのフル充電
試験は通常、必要な充電プロトコルを使用した完全充電から開始されます。
充電後、電気化学的および熱的な過渡状態が落ち着き、測定電圧が開放回路状態に近づくように、バッテリーを休止させます。
3. DODまたはSOCステップの移動
バッテリーは、一般的に1ステップあたり10%のDODで、定義された増分で放電されます。
各目標点に到達するために定電流放電を使用し、その後、パルスシーケンスを印加する前に、指定された手順で約1時間の休止期間を設けます。
4. パルスシーケンスの印加
各DODポイントで、プラットフォームは制御されたパルスシーケンスを印加します：
- 短い放電パルス（通常10秒間）。
- 電圧回復を観察するための休止期間。
- 短い充電または回生パルス（通常10秒間）。
- 選択したプロトコルで必要な場合は、さらなる休止期間。
正確なパルス電流と休止時間は、適用される規格、セルの化学的性質、および試験目的に依存します。電流レベルの例としては、低電流試験の場合は最大電流の25%、高電流試験の場合は75%などが挙げられます。
5. 高速な電圧および電流データの記録
システムは、各パルスを通じて電流、端子電圧、経過時間、および温度を記録します。
初期の電圧変化はミリ秒単位で発生する可能性がある一方、より遅い電圧変化は分極や拡散の影響を反映するため、高速サンプリングが重要です。
6. 動作範囲全体での繰り返し
充電、休止、放電、休止のシーケンスを、選択した各SOCまたはDODポイントで繰り返します。
その結果、バッテリーの動作条件ごとにインデックス化された抵抗値と電力値のセットが得られます。
内部抵抗の計算方法
放電抵抗
放電パルス中、電流の増加により端子電圧が低下します。
基本的な有効放電抵抗は、電圧変化と電流変化から計算できます：
[ R_{\text{discharge}} = \frac{\Delta U_{\text{discharge}}}{\Delta I_{\text{discharge}}} ]
ほぼ開放回路電圧から始まるパルスの場合：
[ R_{\text{discharge}} \approx \frac{U_{\text{OCV}}-U_{\text{pulse}}}{I_{\text{discharge}}} ]
正確な値は、パルスのどの時点を使用するかによって異なります。初期値はオーム抵抗を強調し、後の値はより多くの分極および拡散の影響を含みます。
充電抵抗
充電パルス中、端子電圧は上限電圧制限に向かって上昇します。
有効充電抵抗も同様に計算されます：
[ R_{\text{charge}} = \frac{\Delta U_{\text{charge}}}{\Delta I_{\text{charge}}} ]
開放回路電圧を基準として使用する場合：
[ R_{\text{charge}} \approx \frac{U_{\text{pulse}}-U_{\text{OCV}}}{I_{\text{charge}}} ]
充電抵抗と放電抵抗は必ずしも等しくありません。電極の分極、拡散、温度、SOC、およびパルスの方向と持続時間が異なる値を生じさせる可能性があります。
モデルベースのパラメータ同定
より詳細な特徴付けのために、パルスデータをテブナン（Thevenin）モデルやPNGVモデルなどの等価回路モデルに当てはめることができます。
これらの手法により、以下のパラメータを推定できます：
- 開放回路電圧 (U_{\text{OCV}})
- オーム抵抗 (R_0)
- 分極抵抗 (R_P)
- 過渡容量 (C_P)
モデルパラメータを使用することで、単一の測定パルス結果を報告するだけでなく、リアルタイムの電力状態（State of Power）を推定できます。
ピーク放電電力の計算方法
最大許容電流の決定
放電中、端子電圧は最小許容電圧 (U_{\min}) を下回ってはなりません。
有効放電抵抗を使用して：
[ I_{\text{discharge,max}} = \frac{U_{\text{OCV}}-U_{\min}} {R_{\text{discharge}}} ]
これが、端子電圧を下限電圧制限にもたらすと予測される最大電流です。
対応する電力の計算
この制限条件におけるバッテリー端子電圧は (U_{\min}) です。したがって：
[ P_{\text{discharge}} = U_{\min} \cdot I_{\text{discharge,max}} ]
電流の式を代入すると：
[ \boxed{ P_{\text{discharge}} = \frac{ U_{\min} \left(U_{\text{OCV}}-U_{\min}\right) }{ R_{\text{discharge}} } } ]
これが、指定された電圧制限および抵抗の仮定の下でのピーク放電電力です。
解釈
放電電力は以下の場合に増加します：
- (U_{\text{OCV}}) が高い場合。
- (R_{\text{discharge}}) が低い場合。
- 許容電圧ウィンドウが広い場合。
計算はすべてのSOCまたはDODポイントで実行され、放電電力能力曲線が作成されます。
ピーク充電電力の計算方法
最大許容充電電流の決定
充電中、端子電圧は上限許容電圧 (U_{\max}) を超えてはなりません。
有効充電抵抗を使用して：
[ I_{\text{charge,max}} = \frac{U_{\max}-U_{\text{OCV}}} {R_{\text{charge}}} ]
これが、端子電圧を上限電圧制限にもたらすと予測される最大の充電電流です。
対応する電力の計算
制限条件において、端子電圧は (U_{\max}) です。したがって：
[ P_{\text{charge}} = U_{\max} \cdot I_{\text{charge,max}} ]
電流の式を代入すると：
[ \boxed{ P_{\text{charge}} = \frac{ U_{\max} \left(U_{\max}-U_{\text{OCV}}\right) }{ R_{\text{charge}} } } ]
これは、選択された電圧および抵抗の仮定の下での、最大短時間充電または回生ブレーキ電力です。
解釈
開放回路電圧が上限電圧制限に近づくため、一般的にSOCが上昇するにつれて充電電力は減少します。
利用可能な電圧ヘッドルームが少なくなるため、セルの抵抗が変わらなくても、許容充電電流は低下します。
実験システムで制御すべきこと
パルス精度
充放電装置は、指令された電流を迅速かつ正確に生成する必要があります。
電流のオーバーシュート、立ち上がり時間の遅延、または制御の不安定さは、測定された電圧応答を歪ませ、不正確な抵抗推定値を生じさせる可能性があります。
サンプリング速度
システムは、即時の電圧ステップと、より遅い過渡応答の両方を捉える必要があります。
サンプリング速度が不十分だと、初期の電圧降下を見逃し、抵抗のオーム成分を過小評価する可能性があります。
温度
セル温度は継続的に測定し、必要に応じて制御する必要があります。
抵抗と電力能力は温度に強く依存するため、異なる温度での結果は、条件を明記せずに比較すべきではありません。
治具および配線抵抗
測定された応答には、セルだけでなく、ケーブル、接点、バスバー、治具も含まれます。
ミリΩレベルの抵抗を測定する場合、4端子測定、適切な電流経路、および治具の補正が重要です。
トレードオフの理解
単純な抵抗モデルは有用だが限定的
上記の式は、バッテリーを有効抵抗と直列の開放回路電圧源として扱います。
これはパルス電力制限を計算するのには実用的ですが、時間依存の分極、拡散、ヒステリシス、または温度挙動を完全には表現していません。
パルス持続時間が結果を変える
10秒パルス、30秒パルス、および数秒間のみ続く高レートパルスは、必ずしも同じ抵抗や電力能力を生み出すとは限りません。
長いパルスにはより多くの分極および拡散の影響が含まれるため、選択する持続時間は目的の用途と一致させる必要があります。
充電値と放電値は非対称
充電抵抗が放電抵抗と等しいと想定するのは誤りです。
2つの方向では異なる電気化学的制限を経験する可能性があり、放電電力が高いままでも、回生充電は電圧上昇によって制限される可能性があります。
電圧制限だけが制限ではない
計算された電力は、以下の項目に対しても確認する必要があります：
- 最大許容電流
- バッテリー温度制限
- メーカーの充電および放電制限
- 安全上の制約
- 経年劣化および健全性状態（SOH）
- パックレベルのセル不均衡
最終的な使用可能電力制限は、これらの制約のうち最も厳しいものとなります。
SOCとDODは一貫して定義する必要がある
SOCは残りの充電量を表し、DODは既に取り除かれた部分を表します。
DOD刻みで報告された試験結果を、後にSOCベースのバッテリー管理システムで使用する場合は、慎重にマッピングする必要があります。
セルレベルの結果はパックレベルの性能と直接等しくない
モジュールやパックには、相互接続、バスバー、ヒューズ、コンタクタ、およびセル不均衡による追加の抵抗があります。
信頼性の高いシステムレベルの電力制限には、パックレベルのHPPC試験または検証済みのスケーリングモデルが必要です。
目的に合わせた正しい選択
正しいHPPCの実装は、目的がスクリーニング、モデリング、認定、またはバッテリー管理システムの開発のいずれであるかによって異なります。
- 主な焦点が迅速な電力スクリーニングである場合： 定義されたSOCまたはDODポイントで再現可能なパルスシーケンスを使用し、測定された電圧応答から有効な充電および放電抵抗を計算します。
- 主な焦点が等価回路モデリングである場合： 高レートサンプリングを使用し、パルスデータをテブナンまたはPNGVモデルに当てはめて、オーム挙動と分極挙動を分離します。
- 主な焦点が回生ブレーキ能力である場合： 充電抵抗、上限電圧制限、温度、および高SOC時における充電電力の低下に特に注意を払ってください。
- 主な焦点がパック設計である場合： 代表的なモジュールまたはパックを試験し、相互接続抵抗、熱条件、セル不均衡、およびシステム電流制限を含めます。
- 主な焦点が化学的性質間の正確な比較である場合： パルス持続時間、電流レベル、休止時間、温度、SOC/DOD定義、および電圧制限を同一に保ちます。
適切に制御されたHPPC試験は、過渡的なバッテリー挙動を、全動作範囲にわたる信頼できる抵抗、電流制限、およびピーク電力データに変換します。
要約表：
| ステップ | アクション | 目的 |
|---|---|---|
| 1 | 試験対象の接続と構成 | 正確な双方向電流制御とデータロギングの確保 |
| 2 | バッテリーのフル充電 | 安定した開放回路電圧を持つ既知の状態から開始 |
| 3 | DOD/SOCステップの移動 | 目標レベルまで放電し、安定化のために休止 |
| 4 | パルスシーケンスの印加 | 10秒放電、休止、10秒充電、休止 |
| 5 | 高速な電圧/電流データの記録 | 抵抗および電力計算のための過渡応答の捕捉 |
| 6 | SOC/DOD範囲全体での繰り返し | 動作範囲全体にわたる電力能力曲線の構築 |
主要な計算式：
- 放電抵抗： ( R_{dis} = \frac{U_{OCV} - U_{pulse}}{I_{dis}} )
- 充電抵抗： ( R_{chg} = \frac{U_{pulse} - U_{OCV}}{I_{chg}} )
- ピーク放電電力： ( P_{dis} = \frac{U_{min}(U_{OCV} - U_{min})}{R_{dis}} )
- ピーク充電電力： ( P_{chg} = \frac{U_{max}(U_{max} - U_{OCV})}{R_{chg}} )
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