HPPCテストでは、制御されたSOCステップ、休止時間、短時間の電流パルスを使用して、バッテリー電圧の動的応答を測定します。プログラマブルバッテリーテストシステムは、セルをSOCポイント間で移動させながら、電流、端子電圧、時間、通常は温度も記録します。一般的には10%刻みで実施します。得られた電圧応答を使用して、開回路電圧、オーミック抵抗、分極抵抗、RC時定数を特定し、等価回路モデルを構築します。

基本的なワークフローは次のとおりです：OCV–SOCの関係を確立し、定義したSOCレベルまでバッテリーを段階的に移行させ、各レベルで放電および充電パルスを印加し、測定した電圧応答を等価回路モデルにフィッティングします。

HPPCテストで測定する項目

動的な電力応答

HPPCプロトコルでは、異なるSOCレベルにおけるバッテリーの電力供給能力と受電能力を評価します。オーミック抵抗によって生じる瞬時の電圧応答と、電気化学的分極によって生じる緩やかな応答を分離します。

SOC依存のモデルパラメータ

バッテリーパラメータは動作範囲全体で一定ではありません。そのため、テストでは次のようなパラメータマップを作成します：

• (U_{OCV}(SOC)) または (V_{OC}(SOC))
• オーミック抵抗、(R_0)
• 分極抵抗、(R_P)
• 分極容量、(C_P)
• RC時定数、(\tau = R_P C_P)

より複雑なモデルでは、(R_1,C_1)や(R_2,C_2)など、複数の分極ブランチを使用する場合があります。

バッテリーテストシステムによるプロトコルの実行方法

テストチャンネルを設定する

セルまたはモジュールを、制御された電流出力、電圧および電流測定、温度モニタリング、自動シーケンス制御を備えたプログラマブルバッテリーサイクラーに接続します。

システムは急速な電流遷移を生成し、その結果生じる電圧応答を十分に短い間隔でサンプリングできなければなりません。基準手順では、パルスシーケンス中に約0.1秒間隔でデータを取得します。

バッテリーを満充電し安定させる

テストは、選択した充電プロトコルを使用して、バッテリーを定義された満充電状態まで充電することから始まります。その後、電圧、温度、電気化学的状態が平衡に近づくよう、通常は約2時間休止させます。

このステップにより再現性のある初期条件を確立し、満充電時の開回路電圧を実用的に推定できます。

SOCレベル間を移行する

システムは、通常10% SOCステップで、0.3 Cなどの定電流を使用してバッテリーを制御された増分で放電します。

各放電増分の後、通常は約1時間の休止時間を設けます。この休止により、次のパルステスト前に過渡的な電圧効果を減衰させます。

必要なSOC範囲の特性評価が完了するまで、このシーケンスを繰り返します。

パルスシーケンスを印加する

各SOCポイントで、自動テストシステムは複合パルスシーケンスを実行します：

1. 放電パルス：1 Cで約10秒
2. 開回路休止：約40秒
3. 充電パルス：0.75 Cで約10秒

正確なパルスの大きさと持続時間は、セル、モジュール、テスト目的、装置の制限に応じて調整できます。HPPCの実装によっては、固定Cレートではなく、許容最大電流に対する比率でパルスレベルを指定します。

同期したテストデータを記録する

システムは、時間同期された次のデータを記録します：

• 端子電圧
• 印加電流
• SOCまたは累積電荷スループット
• セル温度および周囲温度
• パルス開始やパルス終了などのテスト状態マーカー

電流ステップ直後およびその後の緩和中に発生する電圧変化に基づいてパラメータを計算するため、正確な同期が重要です。

OCV–SOCの関係を確立する

休止電圧をOCVの推定値として使用する

各SOCレベルで、十分な休止後に測定された電圧を開回路電圧の近似値として使用します：

[ U_{OCV}(SOC) \approx U_{\text{rest}} ]

作成された表またはフィッティング曲線により、SOCに対するバッテリーの平衡電圧が定義されます。

短い休止時間の限界を認識する

1時間の休止は有用な工学的近似を提供しますが、必ずしも完全な電気化学的平衡に到達するとは限りません。高精度なOCV特性評価には、より長い休止時間または専用のOCVテストが必要になる場合があります。

そのため、高いSOC推定精度が求められる用途では、動的パルス応答とは別にOCV曲線を扱う必要があります。

等価回路パラメータを抽出する

瞬時のオーミック電圧変化を特定する

電流パルスが始まると、端子電圧は急激に変化します。この瞬時の変化は、主に電解液、集電体、接点、その他の高速抵抗成分を含むバッテリーのオーミック抵抗に関連しています。

基本的な抵抗推定値は次のとおりです：

[ R_0 = \frac{\Delta U}{\Delta I} ]

放電と充電の両方の遷移を含むパルスシーケンスでは、次のように複合推定値を記述できます：

[ R_0 = \frac{(U_0-U_1)+(U_3-U_2)}{2I_1} ]

正確な電圧ラベルはデータポイントの定義方法によって異なりますが、原理は同じです。瞬時の電圧ステップを対応する電流ステップで割ります。

過渡的な分極応答をフィッティングする

瞬時の電圧ジャンプ後も、電圧はより緩やかに変化し続けます。この過渡的挙動は分極に起因するもので、1つ以上の抵抗・コンデンサブランチを使用してモデル化します。

1次のテブナンモデルでは、代表的な応答方程式は次のようになります：

[ y(t)=a-bI-cI\left(1-e^{-t/d}\right) ]

フィッティングされた各項は次のように解釈されます：

• (a)：開回路電圧、(U_{OCV})
• (b)：オーミック抵抗、(R_0)
• (c)：分極抵抗、(R_P)
• (d)：RC時定数、(\tau)

分極容量は次の式から計算します：

[ C_P=\frac{\tau}{R_P} ]

必要に応じて充電応答と放電応答を別々にフィッティングする

バッテリーは放電時と充電時で同じように応答するとは限りません。そのため、テストデータを使用して次のような個別のパラメータを特定できます：

• 放電抵抗：(R_{\text{discharge}})
• 充電または回生抵抗：(R_{\text{charge}})

この区別は、放電電力能力と回生充電受入能力の両方を計算する際に有用です。

複数の時間スケールに対応するモデルへ拡張する

単一の(R_P C_P)ブランチでは、バッテリーのすべての動的挙動を表現できない場合があります。電圧応答に複数の緩和時間スケールが含まれる場合、モデルを拡張できます：

[ R_0 + (R_1 \parallel C_1) + (R_2 \parallel C_2) ]

テストシステムは同じ基本的なパルス実験を実行しますが、パラメータ推定段階では、1つではなく複数の指数成分をフィッティングします。

各SOCポイントにパラメータ推定を適用する

パルスデータをセグメント化する

各SOCレベルについて、解析ソフトウェアは次の項目を特定します：

• パルス前の休止電圧
• 電流遷移
• 瞬時の電圧ステップ
• 過渡的な電圧減衰または回復
• パルスの終了
• その後の緩和応答

その後、必要に応じてデータを放電セグメントと充電セグメントに分離します。

回帰または曲線フィッティングを使用してパラメータを推定する

セグメント化した応答には、最小二乗線形回帰、非線形最小二乗法、または指数曲線フィッティングを適用できます。

フィッティングされたパラメータは各SOCポイントで個別に計算され、次のようなパラメータ関数が生成されます：

[ R_0=f(SOC) ]

[ R_P=f(SOC) ]

[ C_P=f(SOC) ]

[ U_{OCV}=f(SOC) ]

これらの関数は、ルックアップテーブル、多項式フィット、スプライン曲線、またはバッテリーマネジメントシステムのモデルに適したその他の形式で保存できます。

フィッティングしたモデルを検証する

特定したモデルを、実験中に印加したものと同じ電流パルスを使用してシミュレーションします。その予測端子電圧を測定電圧と比較します。

信頼できるパラメータセットは、次の両方を再現できる必要があります：

• 電流遷移時の瞬時の電圧ジャンプ
• パルス中およびパルス後の緩やかな過渡応答

フィッティング誤差が大きい場合は、休止時間の不足、パルスタイミングの不正確さ、温度ドリフト、測定ノイズ、または単純すぎる等価回路モデルが原因である可能性があります。

パルス電力能力を計算する

許容電圧と抵抗を決定する

測定した抵抗を電圧制限と組み合わせることで、バッテリーのパルス電力能力を推定できます。

放電の場合、代表的な計算は次のとおりです：

[ P_{\text{discharge}}

\frac{U_{\min}\left(U_{OCV}-U_{\min}\right)} {R_{\text{discharge}}} ]

充電の場合、代表的な計算は次のとおりです：

[ P_{\text{charge}}

\frac{U_{\max}\left(U_{\max}-U_{OCV}\right)} {R_{\text{charge}}} ]

ここで：

• (U_{\min})は許容される最小放電電圧です
• (U_{\max})は許容される最大充電電圧です
• (U_{OCV})はテスト対象SOCにおける平衡電圧です

これらの計算により、電圧制約に達する前に供給または受け入れ可能な電力を推定できます。

電力結果は慎重に解釈する

電力方程式はモデルに基づく推定値であり、普遍的な制限値ではありません。熱的制約、電流制限、経年劣化、パルス持続時間、セルの不均衡、バッテリーマネジメントシステムの保護機能によって、より厳しい制限が課される場合があります。

トレードオフを理解する

短いパルスは動的分解能を向上させる

短時間の電流パルスは高速な電圧挙動を分離し、オーミック電圧ステップを特定しやすくします。ただし、より遅い分極メカニズムを十分に明らかにできない場合があります。

長いパルスはより多くの動的挙動を明らかにする

長時間のパルスは、過渡挙動や拡散関連の挙動に関する情報をより多く提供します。一方で、SOCドリフト、発熱、基準テスト条件からの逸脱のリスクも高まります。

高い電流は信号強度を向上させる

大きなパルスは電圧変化を大きくし、抵抗同定の感度を向上させます。ただし、過大な電流は発熱、非線形挙動、セルへのストレスを引き起こし、パラメータを歪める可能性があります。

休止時間はOCVの精度に影響する

休止時間が不十分だと、測定された「OCV」に残留分極が含まれる可能性があります。休止時間を過度に長くすると平衡状態は改善しますが、テスト時間が大幅に増加します。

温度を制御する必要がある

等価回路パラメータは温度によって変化します。SOCスイープ中に温度が変化すると、得られたパラメータマップにはSOCの影響と熱的影響が混在する可能性があります。

そのため、テストでは温度を継続的に記録し、可能であれば実際の用途に関係する温度で特性評価を繰り返す必要があります。

すべての動作条件に1つのモデルが適合するとは限らない

あるCレート、温度、経年状態、またはパルス持続時間で特定したパラメータを、普遍的なものとして自動的に扱うべきではありません。追加の検証によってより広い用途が裏付けられない限り、モデルはテストデータが示す条件の範囲内でのみ有効です。

目的に適した方法を選ぶ

最も信頼性の高い実装は、制御されたSOCステップ、十分な休止時間、精密なパルス制御、同期した高速データ取得、各SOCポイントでのパラメータフィッティングを組み合わせた、再現性のある自動シーケンスです。

• 主な目的が等価回路モデリングの場合：パルス応答を使用して瞬時のオーミックステップとより遅い分極過渡応答を分離し、各SOCで(R_0)、(R_P)、(C_P)、または複数のRCブランチをフィッティングします。
• 主な目的がSOC推定の場合：十分に長い休止時間を設けた専用のOCV特性評価を実施し、HPPCデータを使用して動的な電圧補正を取得します。
• 主な目的が放電電力能力の場合：各SOCで放電抵抗を抽出し、許容最小電圧および測定したOCVと組み合わせます。
• 主な目的が回生充電の場合：充電側の抵抗を個別に特定し、最大電圧制限を使用して許容充電電力を計算します。
• 主な目的がモデル精度の場合：温度を制御し、パルスタイミングを確認し、測定電圧に対してフィッティングモデルを検証します。単一のRCブランチでは不十分な場合は、複数の時定数を持つモデルを使用します。

適切に実行されたHPPCテストは、制御されたパルス測定をSOC依存の電気パラメータに変換し、バッテリーモデル、電力制限計算、バッテリーマネジメントアルゴリズムを直接支援します。

概要表：

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