USABCピーク電力試験では、規定された放電深度（DOD）におけるセルの30秒間の放電能力を測定します。 セルは0%から90%まで10% DOD刻みで試験され、基準放電に続いて大電流パルスを印加します。各DODにおいて、パルス中の電圧と電流の変化から抵抗を算出し、その値と最小許容電圧を用いてピーク電力を推定します。

要点： USABCピーク電力は、セルの端子電圧をIRフリー電圧からのIR降下としてモデル化することで算出されます。許容パルス電流とは、セル電圧を最小動作限界まで低下させる電流であり、ピーク電力はその電流と制限電圧の積です。

USABC試験の実施方法

規定されたDODポイントで試験する

この試験では、セルを0%、10%、20%から90%までのDODで評価します。

ここでDODは試験座標として使用されます。DODが増加するほど、セルが利用可能な放電容量から段階的に多くの容量が放電されたことを意味します。

基準放電を適用する

各DODポイントで、セルを規定された基準電流により30秒間放電します。

これにより、大電力パルスを印加する前のセルの電圧および動作状態を確立します。

大電流パルスを印加する

その後、基準電流を30秒間継続する大電流放電パルスに切り替えます。

パルス開始後、特に約1秒後および30秒後のセル電圧と電流を記録します。

次のDODポイントへ進む

パルス後、DODがさらに10%増加するまで、セルを再び基準電流で放電します。

必要なDOD範囲を評価するまで、このシーケンスを繰り返します。

試験を制約する電圧限界

最小許容電圧を維持する

試験中、セル電圧は該当する基準しきい値を上回っていなければなりません。

しきい値は、次のうち大きい方です。

• メーカーが指定するカットオフ電圧。
• 試験手順で指定された、80% DODにおける開回路電圧の3分の2。

この制限により、算出された電力性能がセルの使用可能な電圧範囲外の動作に基づくことを防ぎます。

電圧限界が重要な理由

ピーク電力は、セルが損傷する前に発生できる最大電力を単純に示すものではありません。セルに定められた電圧および動作上の制約を守りながら利用できる電力です。

これらの限界を超えると、過度の分極、劣化、または内部部品への不可逆的な損傷が発生する可能性があります。

内部抵抗の算出方法

電圧と電流の変化を測定する

パルス抵抗は、大電流パルスにおける1秒時点と30秒時点の電圧および電流の変化から算出します。

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

ここで：

• (R) は算出された内部抵抗です。
• (\Delta U) は選択したパルス区間中の電圧変化です。
• (\Delta I) は同じ区間における電流変化です。

展開すると：

[ R=\frac{U_{1s}-U_{30s}}{I_{30s}-I_{1s}} ]

これは、従来の放電電流の符号規約に基づく式です。放電電流を負として表す場合は符号が変わりますが、報告される抵抗は通常、正の絶対値として表されます。

この抵抗が示すもの

これは実効パルス抵抗であり、すべての電気化学的影響から独立して測定された純粋なオーム抵抗とは限りません。

計算には29秒離れた時点の値を使用するため、結果にはオーム抵抗、電荷移動効果、パルス中に変化するその他の分極過程による寄与が含まれる可能性があります。

IRフリー電圧の算出方法

モデル化した抵抗降下を除去する

試験では、IRフリー電圧を次のように定義します。

[ U_{\mathrm{IRFree}}=U-IR ]

ここで：

• (U_{\mathrm{IRFree}}) は、モデル化した抵抗降下が発生する前の推定電圧です。
• (U) は測定された端子電圧です。
• (I) は該当する電流です。
• (R) は算出されたパルス抵抗です。

これにより、セルを簡略化したテブナン型モデルとして表現できます。これは、実効抵抗と直列に接続されたIRフリー電圧源です。

結果を慎重に解釈する

IRフリー電圧は、計算によって得られるモデリング上の値です。測定電圧には電気化学的分極や動的な回復効果も含まれる可能性があるため、セルの真の開回路電圧と自動的に解釈すべきではありません。

その目的は、選択した試験条件下でピーク電力を算出することです。

ピーク電力の算出方法

許容パルス電流を決定する

最小動作電圧 (U_{\min}) において、簡略化したセルモデルは次のようになります。

[ U_{\min}=U_{\mathrm{IRFree}}-IR ]

最大許容放電電流について解くと、次の式が得られます。

[ I_{\max}=\frac{U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}}{R} ]

これは、モデル化された端子電圧が許容される最小値に達する電流です。

電圧限界における電力を計算する

ピーク放電電力は次のようになります。

[ P_{\mathrm{peak}}=U_{\min}I_{\max} ]

電流の式を代入すると：

[ P_{\mathrm{peak}}

\frac{U_{\min}\left(U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}\right)}{R} ]

主要な参考資料では、これを負の放電電流規約を用いて次のように表しています。

[ P_{\mathrm{peak}}

\frac{-U_{\min}\left(U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}\right)}{R} ]

負号は、放電電流を負として定義したことによる記号上の結果です。報告される電力性能は通常、正の絶対値として表されます。

抵抗が電力に大きく影響する理由

この式から、電圧条件が同程度に維持される場合、ピーク電力は抵抗におおよそ反比例することが分かります。

[ P_{\mathrm{peak}}\propto \frac{1}{R} ]

抵抗が低いセルは、(U_{\min}) に達する前により大きな電流を供給できます。抵抗が高いセルでは、同じパルス中により大きな電圧降下が発生するため、より早く電圧限界に達します。

試験結果が示すもの

DOD依存の電力プロファイルを作成する

この試験では、各DODポイントにおけるピーク電力値が得られます。

したがって、結果はセルに対する単一の普遍的な定格値ではありません。DODに対する電力性能のマップであり、異なる温度、劣化状態、または試験電流で繰り返し評価できます。

パック設計を支援する

この結果により、エンジニアは電圧および電流限界内でシステムの電力要件を満たすために、直列および並列に必要なセル数を決定できます。

セルレベルの抵抗および電圧データは特に重要です。これは、パックの相互接続部、バスバー、冷却条件、接触抵抗、セルの不均衡によって、さらに制約が加わるためです。

R&D検証を支援する

開発中またはサイクル寿命試験中にこの試験を繰り返すことで、次の変化を確認できます。

• パルス抵抗。
• 電圧応答。
• 利用可能なピーク電力。
• DODおよび温度に対する性能。

一般に、抵抗の増加はパルス電力性能を低下させます。ただし、電力の変化はセルの電圧および分極挙動にも左右されます。

トレードオフを理解する

抵抗だけが性能変数ではない

一般に抵抗が低いほどパルス電力性能は向上しますが、ピーク電力はIRフリー電圧および最小動作電圧にも依存します。

抵抗が低くても、使用可能な電圧が不十分なセルは、特定の動作条件下で高電圧セルを上回れない場合があります。

抵抗値は試験定義に依存する

抵抗は、温度、DOD、パルス時間、電流レベル、休止履歴、計算に選択した時点によって変化します。

したがって、このUSABC手順で得た抵抗値は、これらの違いを考慮せずに、異なるパルス時間または測定方法から得られた値と直接比較すべきではありません。

セル電力とパック電力は異なる

セルレベルのピーク電力結果が、そのままバッテリーパックから利用可能な電力と等しくなるわけではありません。

パックレベルの制限は、直列セル間の電圧ばらつき、並列グループの不均衡、熱限界、集電体およびバスバーの抵抗、バッテリーマネジメントシステムの制約、インバーターの限界などから生じる可能性があります。

ピーク電力を連続電力として扱わない

USABCの結果は、規定された条件下における30秒間のパルス性能を示すものです。

別途、熱的および電気的な解析によって結論が裏付けられない限り、連続電力定格として使用すべきではありません。

電圧および電流の限界を守る

規定された電圧または電力限界を超えた試験は、劣化を加速させたり、電極、セパレーター、電解液、集電体、その他のセル部品に深刻な損傷を与えたりする可能性があります。

したがって、バッテリー試験装置は電流、電圧、時間、温度、安全遮断を正確に制御する必要があります。

目的に合った選択をする

最も有用な解釈は、その結果を何に活用する必要があるかによって異なります。

• 主な目的がセル比較の場合： DOD、温度、パルス時間、電流規約、電圧限界、試験履歴が同等の場合にのみセルを比較します。
• 主な目的がパック容量設計の場合： DODごとの電力および抵抗の結果を、直列・並列構成、熱限界、不均衡、パックレベルの寄生抵抗と併せて使用します。
• 主な目的が劣化分析の場合： サイクル寿命全体を通じて、一貫したDODおよび温度条件で抵抗の増加とピーク電力の低下を追跡します。
• 主な目的が試験検証の場合： 電流および電圧の波形を検証し、1秒および30秒のサンプリングポイントを確認し、式で使用した符号規約を記録します。

信頼性の高いUSABCピーク電力評価には、規律あるパルス試験と、抵抗、電圧限界、符号規約に関する明確な定義が必要です。

まとめ表：

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