EVバッテリー性能を高度試験ソリューションで向上

図1. バッテリー試験ラボの例。（画像：Keysight）

EV需要拡大に応えるバッテリー革新の必要性

EV需要の増大に伴い、耐久性、電力密度、安全性、低コスト、航続距離延長、高速充電を、迅速かつコスト効率良く、エネルギー効率の良いプロセスで実現するバッテリーの革新が必要になります。

バッテリー設計の重要な側面の一つは、新しいバッテリーが設計目標を満たすことを確認する性能試験です。最新のシステムと手法なしでは、EVバッテリー試験は高コストで時間がかかります。ベストプラクティスと最先端技術をバッテリー試験プロセス全体で活用することで、バッテリー設計課題を迅速かつ容易に解決できます。

この記事では、エンドツーエンドのEVバッテリー試験システムを用いた高度な試験が、EVバッテリー設計の品質と性能をどう改善できるかを探ります。

性能と安全性の問題を特定

性能不足の影響を考慮することは不可欠です。任意の試験を省略すると、後で発見される性能または安全性の問題が見逃される可能性があります。生産プロセスのさらに下流で製品をリコールすることはコストがかかります。問題を修正するのにかかる時間は、完全に運用可能なバージョンを市場に投入するタイムラインに大きく影響します。このような急速に進化する市場では、これらの遅延は正当化できません。

設計と生産の初期段階で試験を省略することは近道のように感じられるかもしれません。現実には、問題が検出されないまま残れば、市場投入までの大幅な遅延を招くハイリスク戦略です。

運用コストの削減

適切に設計された試験ラボは、EVバッテリーR&D分野で働く人々に具体的な運用コスト削減をもたらします。

高性能・最先端のバッテリー試験システムは、放電バッテリー電力を交流電力網に回生しながら最大96%のエネルギー効率を提供できます。これは、EVバッテリー試験ラボのライフタイムを通じて、運用コストの大幅な削減につながります（図1）。

この技術は、忙しいR&Dラボのコストを2つの面で最小限に抑えます：（1）冷却インフラの設置を最適化することで初期コストを抑え、（2）継続的にエネルギーコストを大幅に削減します。

ラボ運用の改善

徹底した試験には、大量の試験データを効率的に管理・評価することが必要です。大量の試験データを管理する一つの方法は、データ完全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、試験ラボを最適な効率で合理化できます。

複雑なシステム試験

EVバッテリーとバッテリー管理システムの試験シナリオには以下が含まれます：

• 機能、経年劣化、環境、性能試験
• 標準および規格準拠試験（ISO、DIN、EN、SAE）
• 抵抗（内部）、充電、エネルギー、容量、効率、サイクル、カレンダー耐久性、温度挙動、機械的耐性
• 耐久性、航続距離、効率分析
• 電気化学インピーダンス測定とサイクリックボルタンメトリー

試験例：直流内部抵抗測定（DCIR）

DCIRはバッテリーセルの直流抵抗特性を測定します。EVバッテリーが高ピーク電流にさらされるため、自動車業界では重要な測定です。エンジニアはバッテリーパックがこれらの高ピーク電流にどう反応するかを理解する必要があるため、直流抵抗を知ることは不可欠です。

図2. DCIR測定で+100アンペア充電パルスを使用した場合の予想電圧と電流波形。（画像：Keysight）

抵抗を測定するには、電流の変化を適用し電圧応答を測定します。この場合DCIRなので、真の直流抵抗測定を行います。図2と3に示すように、ステップ変化を使用し、DCIR = (V_beforestep – V_afterstep) / (I_beforestep – I_afterstep) で計算します。

図3. DCIR測定で-100アンペア放電パルスを使用した場合の予想電圧と電流波形。（画像：Keysight）

通常、最初の測定（ステップ前）はセルが休止状態にあるときに行われるため、V_beforestep = セル開放電圧（OCV）、I_beforestep = 0アンペアです。印加される電流のステップ変化は、電流のステップアップ（充電パルス）またはステップダウン（放電パルス）のいずれかです。実際、両方向でDCIRを測定し、結果を比較または平均することもできます。図4を参照。

図4. DCIR測定で+/-100アンペア充電、次に放電パルスを使用した場合の予想電圧と電流波形。（画像：Keysight）

電流ステップの大きさについてですが、通常は大きくなります。セルの低抵抗では、電圧に測定可能な応答を生み出すために大きな電流ステップが必要だからです。電流ステップの要求は最大20Cに達することがあります。50Ahセルなら1000Aとなり、DCIR装置は大型かつ高価になります。大電流では、高電流を無期限に印加し続けることはできません。セルが発熱し、充電（電流パルスが正の場合）または放電（負の場合）してしまうためです。いずれの場合も、セルの充電状態（SoC）を変化させるのは望ましくないため、電流は通常短パルスとして印加されます。

では、セルにパルスを印加する場合、パルス幅はどのくらいが適切でしょうか？ また、V_afterstepを測定する場合、いつ測定するのが適切でしょうか？ パルス印加直後、またはセルが「ステップ前」状態（通常は上述の休止状態）に戻る前のパルス末端付近です。

DCIRの詳細：パルス幅と測定タイミング

パルス幅の疑問に答えるため、DCIRの意味を見てみましょう。DCIRはセルのオーム直列直流出力抵抗を測定します。セルのオーム抵抗は、集電体、電極活物質、電解質のイオン伝導度、その他の接続から生じます。

DCIRでは、時間変化しない直流オーム抵抗のみを気にします。これらのオーム抵抗による電圧変化は、電流パルス印加の瞬間に現れます。したがって、直流オーム抵抗を測定するには、電流パルス印加直後に電圧応答を即座に測定する必要があります。これはパルス長が問題ではなく、セルの電圧応答測定時間より長くする必要がないことを意味します。実際、セルの充電または放電による不必要なSoC変化と自己発熱を避けるため、パルスは可能な限り短くすべきです。

エンジニアや科学者は、1秒、10秒、30秒幅のDCIRパルスを要求し、これらのパルス末端でセルの電圧応答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、直流パルス測定です。

パルス末端で測定すると、V_afterstepには確かに直流オーム抵抗の効果が含まれます。しかし、V_afterstepには交流電気化学的効果も含まれ、最も顕著にはパルス中のセル充電または放電による電圧変化が含まれます。パルス長が長くなりパルス振幅が大きくなると（この試験は20Cで実行可能）、この充電/放電によるOCV変化は、数ミリオームの真のセルオーム抵抗を流れる20C電流による最小電圧変化と比較してかなり大きくなります。

試験セットアップ

図5. DCIR測定用試験セットアップ。（画像：Keysight）

図5の試験セットアップでDCIRを測定するには、2つの装置特性が必要です：

1. 電流パルスを印加するデバイスは、数ミリ秒以下の立ち上がり時間を持つ必要があります。エッジが遅いと、I_beforestepからI_afterstepへの移行時間が、高速電気化学的効果などの非直流効果を発生させる余地を与え、電圧応答測定に直流オームと一部の交流電気化学的電圧成分が含まれることになります。
2. 電圧応答V_afterstepは、印加電流ステップ完了後、高速かつ即座に測定される必要があります。測定が遅れたり遅延したりすると、V_afterstepに非直流・高速電気化学的効果が含まれます。極端な場合、移行後にV_afterstepが遅く測定されると、DCIR測定が直流パルス測定になってしまいます。

結論

EVバッテリー試験への投資は、単なる技術的必要性ではなく、輸送の未来にとって戦略的必須事項です。高度な試験手法の統合は、EVバッテリーの安全性、効率、寿命を向上させ、それによりEV市場の急速な成長を支える上で不可欠です。

本記事は、Keysight Technologies（カリフォルニア州サンタローザ）のエネルギー&自動車ソリューション バッテリー試験ソリューションアーキテクトBob Zollo氏と製品マーケティングマネージャーBrian Whitaker氏によって執筆されました。詳細についてはこちらをご覧ください。