先進的なテストソリューションでEVバッテリーの性能を向上

図 1. バッテリーテストラボの例。 (画像:キーサイト)

EV の需要が高まるにつれ、高速でコスト効率が高く、エネルギー効率の高いプロセスを使用して、耐久性、出力密度、安全性、低コスト、航続距離の延長、充電時間の短縮を実現するバッテリーを革新する必要があります。

バッテリー設計の重要な側面の 1 つは、新しいバッテリーが設計目標を満たしていることを確認するための性能テストです。最新のシステムと方法論がなければ、EV バッテリーのテストは費用と時間がかかる可能性があります。バッテリー テスト プロセス全体でベスト プラクティスと最先端のテクノロジーを使用すると、バッテリー設計の課題を迅速かつ簡単に解決できます。

この記事では、エンドツーエンドの EV バッテリー テスト システムを使用した高度なテストによって、EV バッテリー設計の品質とパフォーマンスがどのように向上するかを検討します。

パフォーマンスと安全性の問題を特定する

パフォーマンス低下の影響を考慮することが重要です。非強制的なテストを省略すると、パフォーマンスや安全性の問題が発見されないままになる可能性があります。製造プロセスのさらに後の段階で製品をリコールするとコストがかかります。問題の修正にかかる時間は、完全に動作するバージョンを市場に投入するまでのスケジュールに大きな影響を与えます。これほど速いペースで進化する市場では、このような遅延は正当化できません。

初期の設計および製造段階からテストを省略することは、近道のように思えるかもしれません。実際には、これはリスクの高い戦略であり、問題が検出されないままだと市場投入までの時間が大幅に遅れる可能性があります。

運用コストの削減

適切に設計されたテスト ラボは、EV バッテリーの研究開発部門で働く人にとって、目に見える運用コストの削減を促進できます。

高性能の最先端のバッテリ テスト システムは、バッテリの電力を回生しながら AC グリッドに戻しながら、最大 96% のエネルギー効率を実現します。これにより、EV バッテリー テスト ラボの耐用年数全体にわたる運用コストの大幅な削減につながる可能性があります (図 1)。

このテクノロジーは、多忙な研究開発ラボのコストを 2 つの方法で最小限に抑えます。(1) 冷却インフラストラクチャの設置を最適化することで事前に行い、(2) エネルギー コストを大幅に削減することで継続的に行います。

ラボ業務の改善

徹底的なテストには、膨大な量のデータを効率的に管理し、評価する必要があります。大量のテスト データを管理する 1 つの方法は、データの整合性とトレーサビリティ機能を提供するラボ運用ソフトウェアを選択することです。ソフトウェア アプリケーションは、ワークフロー管理機能とともにデータ分析ツールを提供し、テスト ラボを合理化して効率を最適化することもできます。

複雑なシステムのテスト

EV バッテリーとバッテリー管理システムのテスト シナリオには次のものが含まれます。

• 機能、経年劣化、環境、パフォーマンスのテスト。

• 標準および標準に準拠したテスト (ISO、DIN、EN、SAE)。

• 抵抗 (内部)、電荷、エネルギー、容量、効率、周期的耐久性、カレンダー耐久性、温度挙動、機械抵抗。

• 耐久性、航続距離、効率の分析。

• 電気化学的インピーダンス測定とサイクリック ボルタンメトリー。

テスト例 - DC 内部抵抗測定 (DCIR)

DCIR は、バッテリーセルの DC 抵抗特性を測定します。 DCIR は、EV バッテリーで見られる高いピーク電流のため、自動車業界では重要な測定であるため、ここで触れます。エンジニアは、バッテリー パックがこれらの高いピーク電流にどのように反応するかを理解する必要があるため、DC 抵抗を知ることが重要です。

図 2. +100 アンペアの充電パルスを使用した DCIR 測定から予想される電圧と電流の波形。 (画像:キーサイト)

抵抗を測定するには、電流に変化を加えて電圧応答を測定します。この場合、DCIR であるため、真の DC 抵抗測定を行っていることになります。図 2 と 3 に示すように、ステップ変化が使用され、DCIR は DCIR =(V_beforestep – V_afterstep) / (I_beforestep – I_afterstep) として計算されます。

図 3. -100 アンペアの放電パルスを使用した DCIR 測定から予想される電圧と電流の波形。 (画像:キーサイト)

通常、最初の測定 (ステップ前) はセルが停止しているときに行われるため、V_beforestep =セル開路電圧 (OCV)、I_beforestep =0 アンペアとなります。適用される電流のステップ変化は、充電パルスである電流のステップアップである場合もあれば、放電パルスである電流のステップダウンである場合もあります。実際、両方向の DCIR を測定し、結果を比較または平均することができます。図 4 を参照してください。

図 4. +/-100 アンペアの充電と放電パルスを使用した DCIR 測定から予想される電圧と電流の波形。 (画像:キーサイト)

電流ステップのサイズに関しては、セルの抵抗が低いため、測定可能な電圧応答を生成するには大きな電流ステップが必要になるため、通常は大きくなります。現在のステップの要求は 20 °C まで可能です。 50 Ah セルの場合、これは 1000 A に相当するため、DCIR 機器は大型で高価になる可能性があります。大電流の場合、大電流をいつまでも印加したままにすることはできません。そうしないと、セルが加熱して充電 (電流パルスが正の場合) または放電 (電流パルスが負の場合) を起こします。どちらの場合も、セルの充電状態 (SoC) を変更することは望ましくないため、通常、電流は短いパルスとして適用されます。

さて、細胞にパルスを印加する場合、パルスの幅はどれくらいにすべきでしょうか?また、V_afterstep を測定する場合、いつ測定するのが適切ですか?パルスを適用した直後、またはパルスの終わり近くで、細胞が「ステップ前」状態 (通常は前述したように休止状態) に戻ります。

DCIR の詳細

パルス幅の質問に答えるために、DCIR の意味を見てみましょう。 DCIR は、セルのオーミック直列 DC 出力抵抗を測定します。セルのオーム抵抗は、集電体、電極の活物質、電解質のイオン伝導率、およびその他の接続によって決まります。

DCIR の場合、時間的に変化しない DC オーム抵抗のみを考慮します。これらのオーム抵抗による電圧変化は、電流パルスを印加すると瞬時に現れます。したがって、DC オーム抵抗を測定するには、電流パルスの印加直後に電圧応答を測定する必要があります。これは、パルスの長さは問題ではなく、パルスはセルの電圧応答の測定時間よりも長い必要がないことを意味します。実際、パルス中のセルの充電または放電によって引き起こされる自己発熱や SoC の不必要な変化を避けるために、パルスはできるだけ短くする必要があります。

エンジニアや科学者は、1、10、または 30 秒幅の DCIR パルスを要求し、これらのパルスの終了時にセルの電圧応答 V_afterstep を測定することがよくあります。これは DCIR 測定ではなく、DC パルス測定です。

パルスの終わりに測定した場合、V_afterstep には DC オーム抵抗の影響が確実に含まれます。ただし、V_afterstep には一部の AC 電気化学効果が含まれ、最も重要なのは、パルス中のセルの充電または放電による電圧の変化が含まれます。パルスの長さが長くなり、パルス振幅が大きくなるにつれて (このテストは 20 °C で実行できることに注意してください)、OCV に対するこの充電または放電の影響は、数ミリオームの真のセル オーム抵抗を流れる 20 °C の電流によって引き起こされる最小の電圧変化と比較して、非常に大きくなる可能性があります。

テストのセットアップ

図 5. DCIR を測定するためのテストセットアップ。 (画像:キーサイト)

図 5 のテスト設定を使用して DCIR を測定するには、2 つの計測特性が必要です。

<オル>

電流パルスを印加するデバイスには、数ミリ秒以上の立ち上がり時間が必要です。エッジが遅い場合、I_beforestep から I_afterstep への遷移にかかる時間により、非 DC の高速電気化学効果が発生するため、電圧応答の測定には DC オーム成分と一部の AC 電気化学電圧成分の両方が含まれることになります。

電圧応答 V_afterstep は、印加電流ステップが完了した直後に迅速に測定する必要があります。測定が遅いか遅れている場合、V_afterstep には非 DC の高速電気化学効果が含まれます。極端に言うと、遷移後の V_afterstep の測定が遅すぎる場合、DCIR 測定は DC パルス測定になります。

結論

EV バッテリーのテストへの投資は、単に技術的な必要性だけでなく、輸送の将来にとって戦略的に不可欠です。先進的な試験方法の統合は、EV バッテリーの安全性、効率、寿命を強化し、EV 市場の急速な成長を支えるために不可欠です。

この記事は、Keysight Technologies (カリフォルニア州サンタローザ) のエネルギーおよび自動車ソリューションのバッテリー テストのソリューション アーキテクトである Bob Zollo と製品マーケティング マネージャーの Brian Whitaker によって執筆されました。詳細については、 ここをご覧ください。