標準的なパルスパワー密度試験では、制御されたSOC（充電状態）ポイント、短時間の高電流パルス、および精密な電圧測定を用いて、電池のピーク放電および充電能力を判定します。 一般的な手順として、CC-CV制御を使用してリチウムイオン電池をフル充電し、制御された温度下で静置した後、90%から40%までのSOCレベルで試験を行います。各レベルにおいて、高速サンプリングで電流と端子電圧を記録しながら、10秒間の放電パルス、充電パルス、および制御された放電ステップを適用します。
この試験により、再現性のあるSOCおよび温度条件下での最大パルスパワーとDC内部抵抗が決定されます。測定されたピークパワーは、パワー密度として報告するために電池の質量または体積で正規化する必要があり、電圧および電流の制限値によって許容動作範囲が定義されます。
試験の測定項目
ピーク放電および充電パワー
各パルス中、電池の瞬時電気パワーは次のように計算されます：
[ P(t) = U(t) \times I(t) ]
ここで、(U(t)) は閉回路端子電圧、(I(t)) はパルス電流です。
参照手順では、パルス開始から0.1秒後に測定された電圧と電流を使用してピークパワーを評価します。この早期の測定は、より遅い熱的および電気化学的影響を抑えつつ、高出力の動作状態を捉えるものです。
DC内部抵抗
パルス応答からDC内部抵抗の推定値も得られます：
[ R_{\mathrm{DC}} = \frac{\Delta U}{\Delta I} ]
特定の電流変化に対する電圧降下が大きいほど、内部抵抗が高く、パワー能力が低いことを示します。
抵抗値は測定間隔に依存します。パルス開始直後に計算された抵抗値は、数秒後に計算されたものとは異なるため、試験報告書にはタイミングの定義を明記する必要があります。
パワー密度
測定されたピークパワーは、選択した物理的基準で割ることでパワー密度に変換されます：
[ \rho_P = \frac{P_{\mathrm{max}}}{m} ]
（質量パワー密度：W/kg）、または：
[ \rho_P = \frac{P_{\mathrm{max}}}{V_{\mathrm{battery}}} ]
（体積パワー密度：W/L）。
報告書には、計算にセル、モジュール、またはパック全体の質量と体積のいずれを使用したかを記載する必要があります。
電池の準備方法
試験環境の制御
主要な参照手順に従い、通常は 20 ± 2 °C の制御された周囲温度で試験を実施します。
リチウムイオン電池の抵抗とパワー能力は温度によって大きく変化するため、温度を測定・記録する必要があります。試験開始前に電池を熱的に安定させる必要があります。
電池のフル充電
メーカー指定の制限値を用いて、完全な 定電流・定電圧（CC-CV）充電 から開始します。
充電は、規定の電流終了条件に達するまで継続します。適用する電圧、電流、終了値は、電池メーカーまたは準拠する試験規格に従う必要があります。
初期静置
充電後、電池を 1時間 静置します。
この静置期間により、電圧の緩和が行われ、最初のパルスシーケンスの前に再現性のある開始条件が確立されます。
SOCシーケンスの実行方法
目標SOCレベルの選択
主要な手順では、約 90% SOCから40% SOCまで、複数のSOCレベルで電池を評価します。
正確なSOC間隔は試験前に定義する必要があります。SOCは、電池の有効容量に対する適切な補正を行った、校正済みのクーロンカウンティングに基づいて一貫した方法で計算しなければなりません。
放電パルスの適用
各目標SOCにおいて、高レートの定電流放電パルスを 10秒間 適用します。
主要な参照資料では、代表的な放電レートとして 6C が挙げられています。実際の電流は、試験仕様、電池の制限、および試験装置の能力に応じて選択する必要があります。
記録項目：
- パルス電流
- 端子電圧
- 時間
- 電池温度
- SOC
- 保護機能や故障応答の有無
電池が指定された最小電圧、電流、温度、または安全制限に達した場合は、パルスを停止しなければなりません。
放電後の静置
放電パルス後、電池を 40秒間 静置します。
この間隔は、充電パルスの前に定義された回復期間を提供し、即時のパルス応答とその後の緩和挙動を分離するのに役立ちます。
充電パルスの適用
定電流充電パルスを 10秒間 適用します。主要な参照資料では、代表的な充電レートとして 3C が挙げられています。
充電パルスは、メーカーの最大電圧、電流、および温度制限内に留める必要があります。一部の試験規格では放電電流と充電電流で符号が逆になるため、充電極性は明確に文書化してください。
ステップ電流での放電
充電パルス後、1Cで330秒間 放電します。
この制御された放電により、次のSOC試験ポイントへと移行します。実際のSOC変化は、公称Cレート計算のみに頼るのではなく、記録された電流-時間データから検証する必要があります。
次のSOCポイント前の静置
330秒の放電後、次のSOCステップを開始する前に 1時間 静置します。
指定されたすべてのSOCレベルが試験されるまで、パルスシーケンスを繰り返します。
最大パルスパワーの決定方法
電圧制限を制約として使用
パルス電流は、結果として生じる端子電圧が許容動作範囲内に留まる場合にのみ有効です。
放電の場合、最大許容電流は最小放電電圧 (U_{\min}) によって制限されます。充電の場合、最大充電電圧 (U_{\max}) によって制限されます。
簡略化した計算式は以下の通りです：
[ P_{\max}^{\mathrm{dis}} = U_{\min} \times I_{\max}^{\mathrm{dis}} ]
[ P_{\max}^{\mathrm{chr}} = U_{\max} \times I_{\max}^{\mathrm{chr}} ]
これらの値は、定義された試験条件下での最大許容パルス放電および充電パワーを表します。
必要に応じて段階的なパルス電流を使用
補足資料で説明されているJEVS D713-2003アプローチを含む一部の手順では、段階的に増加するCレートで10秒間のパルスを連続して適用します。
一般的なシーケンスには、ゼロ電流での静置と、1C、2C、3Cのように増加する充電および放電マグニチュードでのパルスが含まれます。各パルスの終了時に測定された端子電圧を電流に対してプロットし、電圧-電流関係を作成します。
許容電流は、その関係を規定の電圧制限まで延長またはフィッティングすることで特定されます。
定義された時間ポイントで測定
主要な手順では、パルス開始から0.1秒後の閉回路電圧と電流を使用してピークパワーを計算します。
JEVS形式の分析では、定義された10秒間のパルスの終了時の電圧を使用します。これらは測定規約が異なるため、結果を比較する際に混同してはなりません。
必要な試験装置とデータ
プログラム可能な電池充放電装置の使用
試験には、以下の機能を持つプログラム可能な電池試験システムが必要です：
- CC-CV充電
- 高電流パルス放電
- 高電流パルス充電
- 精密に制御された静置期間
- SOCベースのシーケンス
- 高速な電圧および電流サンプリング
- 温度監視
- 自動安全制限シャットダウン
システムは、電池の最大電圧、電流、パワー、および蓄積エネルギーに対して定格内である必要があります。
十分な高速サンプリング
初期の電圧応答は急速に発生するため、データロギングが遅いと関連する電圧降下を見逃す可能性があります。
サンプリングレート、フィルタリング、同期、センサー帯域幅、および測定レイテンシを文書化する必要があります。パワーや内部抵抗を計算する際は、電流チャネルと電圧チャネルを時間的に同期させる必要があります。
電池全体を監視
車載用電池の場合、試験にはセル、モジュール、またはパック全体が含まれる場合があります。モジュールおよびパックレベルでは、以下の要素も考慮する必要があります：
- バッテリーマネジメントシステム（BMS）の介入
- コンタクタの挙動
- セルの不均衡
- 冷却システムの動作
- パック電流制限
- 絶縁監視
- 過電圧および低電圧保護
パックレベルの結果は、最も弱いセルやモジュールがパルス制限を決定するため、単一セルの結果から予測できるとは限りません。
トレードオフの理解
ピークパワーは連続パワーではない
10秒間のパルス定格は短時間の性能を示すものです。過熱や熱制限を超えることなく電池が継続的に供給できるパワーを確立するものではありません。
連続パワー能力には、適切な熱安定化と持続時間を伴う別の試験が必要です。
高いCレートはストレスを増大させる
高レートパルスは、より大きな電圧サグ、発熱、および電気化学的ストレスを生じさせます。
特に高い充電レートにさらされたり、電圧や温度の制限付近で動作したりする場合、繰り返しの試験は電池の状態を変化させる可能性があります。そのため、試験順序、サイクル数、および前処理を記録する必要があります。
SOCだけでは性能を定義できない
同じSOCであっても、温度、経年劣化、過去の電流履歴、静置時間、容量測定方法によって結果が異なる場合があります。
比較は、これらの条件が制御されているか、明示的に報告されている場合にのみ意味を持ちます。
パワー密度は測定境界に依存する
質量境界が同一でない限り、セルレベルのW/kg値をパックレベルのW/kg値と直接比較すべきではありません。
報告書には、非アクティブなパッケージング、冷却ハードウェア、バスバー、電子機器、および筐体の質量が含まれているかどうかを明記する必要があります。
規格によって規約が異なる
主要な手順では、定義された放電-充電-放電シーケンスを使用し、パルス開始直後の指定時間でパワーを評価します。JEVS形式の試験では、複数の段階的パルスを使用し、各10秒パルスの終了時の電圧を使用する場合があります。
これらの方法は異なるパワー値や抵抗値を生む可能性があるため、準拠する規格と計算タイミングを常に明記する必要があります。
目的に合わせた正しい選択
サポートが必要な性能主張と一致する試験方法を選択してください。
- 車両の加速や回生ブレーキが主な焦点の場合： 車両電池の実際の電圧および電流制限値を使用して、関連するSOCおよび温度条件下で放電パルスと充電パルスの両方を試験します。
- セルやモジュールの比較が主な焦点の場合： すべてのサンプル間で、温度、SOC定義、パルスタイミング、静置期間、および質量境界を同一に保ちます。
- DC内部抵抗が主な焦点の場合： 明確に指定された時間ポイントで同期された電圧と電流を記録し、計算間隔を報告します。
- 公式な規格比較が主な焦点の場合： タイミング、パルスシーケンス、電圧制限ルールを他の方法と組み合わせることなく、一つの標準手順を完全に守ります。
- パワー密度が主な焦点の場合： ピークパワーとともに、正規化に使用した正確な質量または体積の基準を報告します。
信頼性の高いパルスパワー密度の結果は、電池の生のピークパワーだけでなく、その試験条件や計算規約によって定義されます。
要約表：
| ステップ | 説明 | 主要パラメータ |
|---|---|---|
| 1. 環境 | 20 ± 2°Cで温度制御 | 温度、安定化時間 |
| 2. 充電 | 完全なCC-CV充電 | 電圧、電流、終了条件 |
| 3. 静置 | 1時間の静置 | 静置時間 |
| 4. SOCシーケンス | 90%から40%までのSOCレベルで試験 | SOCポイント、間隔 |
| 5. 放電パルス | 6Cで10秒間（代表値） | 電流、電圧、時間、温度 |
| 6. 静置 | 放電後40秒 | 静置時間 |
| 7. 充電パルス | 3Cで10秒間（代表値） | 電流、電圧、時間、温度 |
| 8. 放電ステップ | 1Cで330秒間 | 電流、時間 |
| 9. 静置 | 次のSOCの前に1時間静置 | 静置時間 |
| 10. データ分析 | 0.1秒時点でピークパワーと抵抗を計算 | 電圧、電流、時間、抵抗 |
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