내부 저항은 리튬 이온 배터리의 전력 성능, 에너지 효율 및 열 생성을 결정하는 핵심 파라미터입니다. 또한 배터리 상태(SoH)를 나타내는 중요한 지표로, EV(전기차)의 가속, 급속 충전 및 냉각 시스템 설계에 영향을 줍니다. 또한 배터리 남용을 방지하고 배터리 안전 및 사용 수명을 향상시키려면 배터리 관리 시스템(BMS)이 전원 기능을 정확하게 관리할 수 있는 내부 저항 모델을 구축해야 합니다. 따라서 내부 저항 및 전력 용량에 대한 연구는 차세대 배터리 셀을 개발하고 배터리 시스템을 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다. 그러나 제조업체가 DC 내부 저항을 채택하고 전기차의 전력 밀도를 개선하기 위한 수단으로 단일 셀 설계를 확대하는 것이 추세가 됨에 따라, 일반 장비는 수천 암페어로 구성된 필수 테스트 전류를 제공하지 못하고 있습니다. 이 때문에 일반적으로 테스트 엔지니어는 어쩔 수 없이 고가의 장비를 선택해야 합니다.

최근의 배터리 내부 저항 측정 기술은 주로 두 가지 유형으로 구분됩니다: 1) DC 저항은 주로 펄스(단계) 전류를 사용하여 전위차를 측정한 다음 내부 저항값을 계산하는 데 사용됩니다. 2) AC 저항은 간섭 스펙트럼 기술을 사용하여 전기화학 임피던스 분광법(EIS)으로 측정됩니다. 배터리의 복잡한 전기 화학적 특성으로 인해 DC 저항은 AC 임피던스와 직접 비교할 수 없습니다. 두 가지 측정 기법은 분석 시간 영역의 차이로 인해 보완적이며 대부분 적용 조건에 따라 선택됩니다.

EV 및 에너지 저장 시스템 설계 측면에서 펄스 전류는 DC 내부 저항을 테스트하는 데 자주 사용됩니다. 연구에 따르면 이는 테스트 시간을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 전류 진폭은 배터리의 내부 저항에도 영향을 미치며[1] 고전류 펄스 테스트는 실제 부하 응용 분야에 더 근접한 것으로 나타났습니다. 펄스 전류 테스트의 국제 표준 방법은 VDA 전류 단계 방법[2]과 하이브리드 펄스 전력 특성 분석(HPPC) 검사[3][4]이며, 펄스 진폭은 100ms-30초 사이입니다.

전압 강하는 각각의 측정 기간에 따라 내부 저항과 관련된 다양한 현상의 영향을 받습니다: 과도 전압 강하의 저항, 등가 커패시턴스 및 인터페이스 전기 전하 전달 저항(전압 강하 초기 몇 초 동안) 및 이온 확산으로 인한 느린 응답의 분극 저항(그림 1). 총 저항은 펄스 테스트 결과로부터 계산됩니다. 펄스 진폭이 클수록 충전 상태(SOC)가 바뀌고 추가적인 전압 강하가 발생하여 내부 저항 측정값이 달라질 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 반대로, 펄스 진폭이 너무 작으면 측정 불확실성이 크게 증가합니다. 측정 오류는 전류/전압 측정 오류 및 온도 제어 오류로 인해 발생할 수도 있습니다.

(그림 1) DA 펄스 테스트 전압 변화와 배터리 내부 저항등가 회로 간의 관계

USABC HPPC 검사 중 배터리의 내부 저항 및 전력 특성은 전위 변화를 측정하기 위해 배터리 셀에 다양한 SOC 하에서 최대 펄스 방전 10~30초 및 최대 펄스 충전 10S를 적용하여 계산됩니다. 이 원리에 의해 60Ah 리튬 배터리 셀은 펄스 작동 전류(10C 속도)를 10회 테스트해야 할 경우 600A 충전 및 방전 장비를 구매해야 했습니다. 하지만 이제 Chroma는 200% 펄스 전류 테스트 솔루션을 제공하기 때문에 더 이상 그렇지 않습니다!

Chroma 17010H의 단일 채널 전류 용량은 300A이며, 슈퍼 모드로 증폭하여 30초 이내에 200% 전류(600A)를 출력할 수 있습니다. 특히 펄스 전류 성능 테스트에 적합합니다. 새로운 설계는 배터리 애플리케이션에 초점을 맞추고 전력 출력 모드를 최적화하여 설치 공간을 50% 줄이고 비용을 30% 절감할 수 있습니다(그림 1).

Chroma가 설계한 하이 펄스 전류 기능의 핵심은 전원 회로의 온도 제어입니다. 첫째, 17010H의 높은 변환 효율 에너지 재생 아키텍처는 충전 및 방전 중에 부품의 발열을 크게 줄입니다. 둘째, 전원 모듈 통합 및 부품 선택을 최적화하여 작동 전류를 증가시킵니다. 마지막으로 최적의 열 흐름 설계를 적용하여 온도를 제어합니다. 측정의 경우 전류 정확도를 보장하는 분산형 고정밀 전류 변압기 구조가 온도 드리프트를 줄이기 위한 냉온 및 고온 영역 회로 레이아웃으로 보완되어 200% 펄스 전류 출력을 달성하는 통합 배터리 테스트 시스템을 형성합니다.

(그림 2) 200% 펄스 전류 모드의 이점

Chroma 17010H의 주요 장점:

1. 높은 측정 재현성은 테스터들이 추세 판단 및 특성 분석에 소요되는 시간을 대폭 절약하는 데 도움이 됩니다.
2. 세로 크로스오버 및 고속 전류 리스펀스 기능은 실제 애플리케이션에 근접한 테스트 결과를 제공합니다.
3. 다중 전류 범위 설계는 최소 전류 범위가 1:10이고 고속 및 저속 성능 테스트 모두에 적합한 범위를 통해 낮은 전류의 정확도를 향상시킵니다.
4. 75%의 배출 에너지 재생 효율은 온도 제어기에서 발생하는 폐열을 줄이고 작동 전력을 절감할 뿐만 아니라 실험실 전력 분배 사양도 줄여줍니다.
5. 독립 레벨 2 V 보호 기능은 고전류 검사의 안전성을 강화합니다.

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References

• Noshin Omar, Assessment of rechargeable energy storage systems for plug-in hybrid electric vehicles Ph.D. thesis, Vrije Universiteit Brussel, Brussel, Belgium, (2012).
• VDA-initiative energy storage system for HEV, test specification for Li-ion battery systems for hybrid and electric vehicles; VDA: Frankfurt, Germany, 2007.
• Battery Test Manual for Electric Vehicles, U.S. Department of Energy Vehicle Technologies Program, Revision 3.1, 2020.
• Battery Test Manual for Plug In Hybrid Vehicle, U.S. Department of Energy Vehicle Technologies Program, Revision 3, 2014.
• Hans-Georg Schweiger, Comparison of Several Methods for Determining the Internal Resistance of Lithium Ion Cells, Berlin, Germany, (2010)
• Anup Barai, Scientific reports of A study of the influence of measurement timescale on internal resistance characterization methodologies for lithium-ion cells, (2017)