動力電池のHPPC試験の原理と方法

ハイブリッドパルス電力特性評価（HPPC）は、パワー電池の性能を評価するための重要なテスト方法です。この方法は主に、ハイブリッド車の電池システム、モジュール、および単一セルの性能評価と電力システム管理に使用されます。この記事では主にHPPCテストの原理と方法について説明し、後続の記事ではHPPCの実際の応用事例を紹介します。ご期待ください。

1.1 HPPC テストの定義

HPPC は、パワー電池のパルス充電および放電性能を反映するために使用される特性テストです。HPPC テストの特性曲線を図 1(a) に示します。その目的は、放電パルスと回生充電パルス電力機能のさまざまな放電深度 (DOD) での電力アシストターゲットを実証することです。

図 1 HPPC テスト特性曲線 (a) と完全な HPPC テストプロセス (b)

HPPC テストプロセスは、図 1(a) の特性曲線の単純な繰り返しです。テストは完全に充電された状態から始まり、毎回 10% DOD ずつ放電し、その後 1 時間の休止期間が続き、100% DOD に達するまでパルスを実行し、図 1(b) に示すように 1 時間の休止期間で終了します。1 時間の休止は、電池が電気化学的および熱的平衡に達するようにするためです。電池の開回路電圧 (OCV) 曲線を確立するには、各休止期間中の電圧を記録する必要があります。テストパルス電流では、低電流 (Imax の 25%) と高電流 (Imax の 75%) の 2 つのピーク電流を使用します。Imax は、メーカーが決定した最大許容 10 秒パルス放電電流です。

1.2 HPPC テスト結果の分析

1.2.1 開回路電圧 (OCV)

開回路電圧 (OCV) は、各 HPPC 休止期間の終了時の値であり、放電深度 (DOD) の関数としてプロットできます。テストデータポイントに基づいて、他の DOD 値での OCV は、図 2 に示すように、線形補間またはデータフィッティング曲線によって推定できます。

1.2.2 放電深度の関数としての内部抵抗の計算

式 (1) と (2) および図 1 に従って、各テストの放電抵抗と回生充電抵抗は、図 2 に示すように、ΔV/ΔI 計算を使用して決定できます。

RDischarge = (Vt1 - Vt0) / -(It1 - It0) = (Vt1 - Vt0) / (It0 - It1) (1)

RCharge = (Vt3 - Vt2) / -(It3 - It2) = (Vt3 - Vt2) / (It3 - It2) (2)

図 2 開回路電圧とパルス抵抗および放電深度との関係

1.2.3 パルス電力能力

電圧と抵抗の特性から、パルス電力能力を導出し、DOD の関数としてプロットすることができます。パルス電力能力には、Vmin 放電能力と Vmax 回生充電能力が含まれます。ここで、Vmin と Vmax は、電池セルの最小動作電圧と最大動作電圧です。式 (3) と (4) を使用して、図 3 から各 DOD での対応する抵抗と OCV を見つけ、放電電力と回生充電パルス電力を計算できます。

PDischarge = Vmin × (OCV - Vmin) / RDischarge (3)

PCharge = Vmax × (Vmax - OCV) / RCharge (4)

これらの電力能力値により、使用可能な放電深度とエネルギー値の変化を判断できます。電力能力と DOD の関係の例を図 3 に示します。DOD 値を決定する際には、放電パルスによって消費される容量を考慮する必要があり、その結果、回生充電 DOD 値に遅れが生じます。

図 3 パルス電力能力と放電深度の関係

1.2.4 使用可能エネルギー

使用可能エネルギーは、電池システムの 1C 放電から得られるエネルギーとして定義されます。使用可能エネルギーを決定する手順には、さまざまな放電深度での HPPC 電力と 1C 放電エネルギーの関係を確立すること、電池サイズ係数 (BSF) を使用してエネルギーと電力をスケーリングすること、テストマニュアルのターゲット要件を満たす最小および最大の DOD 値を決定すること、ターゲットを正確に満たす放電領域での使用可能 (1C 放電) エネルギーを計算することが含まれます。

図 4 に示すように、電力 - エネルギー曲線は、1C 放電 HPPC データの DOD 値をエネルギー値に置き換えることで導き出すことができます。単一セルレベルで得られた電力 - エネルギー値は、サイズ係数 (BSF) を使用してスケーリングし、FreedomCAR インジケーターと比較することができます。図 4 は、サイズ係数 40 を使用して拡大した結果を示しています。図に電力目標を表す水平線を追加することで、水平線と曲線の交点で使用可能なエネルギーを決定できます。図 4 の使用可能なエネルギーは、およそ 1330Wh と 480Wh の差、つまり 850Wh です。この 850Wh という結果は、最小電力目標 300Wh を 550Wh 上回っています。これは、電池の寿命が進むにつれて電力能力と使用可能なエネルギーが低下し、寿命の終わりに電力とエネルギーの目標が満たされる必要があるため、電池の寿命の初めに必要です。エネルギーマージンがゼロに減少するポイントが、電池の寿命の終わりを示します。

図 4 使用可能エネルギーの決定

1.2.5 使用可能電力

使用可能電力は、使用可能エネルギーが FreedomCAR テストマニュアルで要求される最小値を満たしている場合の最大放電電力能力です。このパラメーターは主に、電池のライフサイクル全体にわたる劣化を調べるために使用されます。使用可能電力と使用可能エネルギーは、図 5 に示すように、任意の時点での電池パフォーマンスの 2 つの相補的な側面を反映しています。

図 5 使用可能エネルギー対電力の曲線

1.2.6 電力とエネルギーの減衰

システム寿命テストでは、電力とエネルギーの減衰率が使用されます。使用可能な電力と使用可能なエネルギーの経時的変化は、特定の時点で定期的にテストし、式 (5) と (6) に示すように、初期 (BOL) 値のパーセンテージとして表す必要があります。

Power Decay (%) = 100 × (1 - Usable Power / Initial Usable Power) (5)

Energy Decay (%) = 100 × (1 - Usable Energy / Initial Usable Energy) (6)

1.2.7 最小および最大 DOD 値

(FreedomCAR) 電気自動車システムの電力目標を満たす最小および最大 DOD 値は、図 4 と同じ HPPC データとスケーリング係数を使用して決定できますが、元の HPPC テスト DOD 値に対してプロットされます (横軸をエネルギー値に変換しない)。図 6 に示すように、パワーアシスト目標を満たす最小および最大 DOD 値はそれぞれ約 28% と 76% であり、使用可能エネルギー目標を満たす最大 DOD 値は約 57% です。