[USABC] USABC 피크 파워 테스트(Peak Power Test, 충방전기, 팜테크, Battery Cycler, Battery Tester, DOD, SOC, DCIR, Battery Performance Test: 배터리 성능 시험)

 

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전기차 배터리의 심장을 테스트하다: USABC 피크 파워 테스트(Peak Power Test) 완벽 가이드

 

안녕하십니까? 팜테크(FAMTECH) 기술 블로그 담당자입니다. 저희 팜테크는 진동 시험기, 충방전기, 챔버 등 최첨단 시험 장비의 공급과 기술 지원을 통해 고객 여러분의 연구개발과 품질 관리에 기여하고 있습니다.

 

오늘 다룰 주제는 전기차(EV) 배터리 성능 평가의 핵심, 피크 파워 테스트(Peak Power Test)입니다. 전기차의 주행 성능을 좌우하는 가장 중요한 지표 중 하나가 바로 '순간적으로 얼마나 큰 힘을 낼 수 있는가'입니다. 이 능력을 정확히 파악하기 위해 고안된 시험이 바로 USABC의 피크 파워 테스트, 즉 절차서 #3(Procedure #3)입니다.

 

왜 피크 파워 테스트가 중요한가?

전기차 운전자가 일상에서 마주하는 거의 모든 강력한 주행 상황은 배터리의 순간적인 피크 파워 성능에 의존합니다. 예를 들어, 정지 상태에서 빠르게 가속하거나, 고속도로에서 추월을 시도하거나, 가파른 언덕을 오를 때 배터리는 짧은 시간 동안 막대한 양의 에너지를 쏟아내야 합니다. USABC (United States Advanced Battery Consortium)는 바로 이 지점, 특히 방전심도(DOD) 80% 지점에서의 피크 파워 값을 기술 목표로 정의하고, 배터리의 성능을 비교하는 핵심 척도로 삼고 있습니다. 따라서 이 테스트는 개발 중인 배터리가 실제 전기차에 탑재되었을 때 만족스러운 주행 경험을 제공할 수 있는지 가늠하는 필수적인 과정입니다.

 

 

한 가지 중요한 점은, 이 테스트가 배터리가 낼 수 있는 물리적인 최대 전력(Actual Peak Power)을 직접 측정하는 것은 아니라는 점입니다. 대신, 정해진 규격과 조건 하에서 고전류를 인가하여 배터리의 전압 및 전류 변화를 측정하고, 이를 바탕으로 30초간 지속 가능한 방전 전력 성능을 계산해내는 방식입니다. 이는 배터리에 과도한 부담을 주지 않으면서도 매우 신뢰도 높은 성능 지표를 얻기 위함입니다.

 

 

 

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시험 준비: 핵심 용어부터 바로 알기

 

피크 파워 테스트를 정확히 이해하고 수행하기 위해서는 몇 가지 핵심 용어와 시험 조건을 먼저 설정해야 합니다. 모든 계산과 시험 조건은 제공된 USABC 배터리 시험 절차 매뉴얼(Revision 2)에 기반합니다.

 

1. 방전 전압 한계 (Discharge Voltage Limit, DVL): 시험 중 배터리 전압이 이 값 아래로 떨어지는 것을 허용하지 않는 한계선입니다. 이 값은 (a) 제조사가 지정한 최소 전압과 (b) 배터리 수명 초기의 80% DOD 상태에서의 개방 회로 전압(OCV)의 2/3 값 중 더 높은 값으로 설정됩니다. 이 값은 배터리 수명 초기에 한 번만 설정되며, 시험 내내 고정된 값으로 사용됩니다.

 

2. 상위 시험 전류 (High Test Current): 시험 중 30초간 가해지는 고전류 펄스입니다. 이 값은 (a) 제조사가 정한 최대 정격 전류와 (b) 정격 피크 전력을 80% DOD에서의 OCV의 2/3 값으로 나눈 '정격 피크 전류'의 80% 중 더 작은 값으로 결정됩니다.

 

3. 기본 방전율 (Base Discharge Rate): 피크 파워 펄스 구간을 제외한 나머지 구간에서 배터리를 방전시키는 전류입니다. 이 전류값은 상위 시험 전류 펄스와 결합되었을 때, 전체 시험의 평균 방전율이 C/3가 되도록 설계되었습니다. 계산식은 다음과 같습니다

 

 

시험 절차: 어떻게 진행되는가?

 

피크 파워 테스트는 배터리를 완전히 충전한 상태에서 시작하여, 방전심도(DOD) 0%부터 90%까지 10% 간격으로 피크 파워 성능을 측정하는 방식으로 진행됩니다.

 

시험 순서:

 

1. 초기 충전 및 안정화: 시험 계획에 명시된 절차에 따라 배터리를 완전히 충전합니다.
2. 0% DOD 펄스:
   • 먼저 기본 방전율(Base Discharge Rate)로 30초간 방전합니다.
      
   • 이어서 즉시 상위 시험 전류(High Test Current)로 30초간 방전(펄스)합니다.
      
3. 10% DOD 도달: 상위 시험 전류 펄스 적용 후, 다시 기본 방전율로 방전을 계속하여 펄스에서 소모된 용량을 포함한 총 방전량이 정격 용량의 10%가 될 때까지 진행합니다.
4. 반복 수행: 20% DOD부터 90% DOD까지, 매 10% DOD 구간마다 2번과 3번 과정을 반복합니다. 즉, 각 10% 구간마다 한 번씩 30초짜리 고전류 펄스가 가해집니다.
5. 시험 종료: 90% DOD 지점에서 마지막 펄스 시험을 수행한 후, 기본 방전율로 배터리의 잔존 용량 전체를 방전시키면 시험이 종료됩니다.
    

아래 그림은 특정 DOD 지점에서 시험이 어떻게 진행되는지를 보여주는 프로파일입니다.

 

그림 1. 피크 파워 테스트 단계 프로파일

 

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결과 분석: 숫자에 숨겨진 의미 찾기

 

피크 파워 테스트의 핵심은 측정된 데이터를 바탕으로 배터리의 내부 저항과 피크 파워 성능을 계산하는 과정에 있습니다.

 

1. 동적 저항 (Dynamic Resistance, R) 계산

각 DOD 지점에서 배터리의 동적 저항을 계산합니다. 저항은 고전류 펄스가 시작되기 직전과 펄스가 끝나기 직전, 두 지점에서의 전압 변화(DeltaV)와 전류 변화(DeltaI)를 이용하여 계산합니다.

 

이때 방전 전류는 음수(-) 값을 가지므로, 저항(R)은 항상 양수(+) 값을 갖게 됩니다.

 

2. IR-Free 전압 (V_IRFree) 계산

이는 배터리 내부 저항(IR)에 의한 전압 강하가 없다고 가정한 일종의 '유효 개방 회로 전압'입니다. 펄스 종료 시점의 전압(V), 전류(I), 그리고 위에서 계산한 저항(R)을 이용해 다음과 같이 계산합니다.

 

 

3. 피크 파워 성능 (Peak Power Capability) 계산

마지막으로, 계산된 저항(R)과 V_IRFree 값을 이용해 피크 파워 성능을 계산합니다. USABC는 아래 3가지 공식과 1가지 제한 조건을 두고, 이 중 가장 보수적인(가장 작은 절대값) 결과를 해당 DOD에서의 피크 파워 성능으로 간주합니다.

• (공식 1) 2/3 OCV 기준:

 

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• (공식 2) DVL 기준:

 

 

 

 

• (공식 3) 최대 정격 전류(I_MAX) 기준:

 

 

 

 

• (제한 조건) 전압/전류 제한 발생 시: 만약 시험 중 배터리의 전압이나 전류가 한계에 도달하여(Limiting) 30초 펄스를 온전히 유지하지 못했다면, 위 공식으로 계산된 값과 상관없이 펄스 종료 시점에서 실제 측정된 전력 값을 피크 파워 성능으로 보고해야 합니다

 

 

 

 

 

팜테크의 배터리 시험 솔루션

앞서 설명해 드린 'USABC 피크 파워 테스트'와 같이 복잡하고 까다로운 배터리 성능 평가는 시험 장비의 정밀성과 신뢰성이 뒷받침되지 않으면 정확한 데이터를 얻기 어렵습니다. 1초 단위로 급격하게 변화하는 전력 프로파일을 오차 없이 구현하고, 수많은 사이클 동안 안정적인 성능을 유지하는 것은 배터리 연구개발의 성패를 좌우하는 핵심 기술입니다.

 

 

팜테크(FAMTECH)의 배터리 충방전 시스템은 바로 이러한 극한의 시험 환경을 위해 설계되었습니다. 저희 충방전기는 USABC의 DST(Dynamic Stress Test) , FUDS(Federal Urban Driving Schedule) 와 같은 동적 프로파일은 물론, 30초의 짧은 시간 동안 고전류를 인가하고 회복하는 피크 파워 테스트의 요구 조건을 정밀하게 구현합니다. 1초 미만의 빠른 응답 속도와 프로그램된 전력 값을 정확히 추종하는 능력, 그리고 시험 내내 전압, 전류, 온도 등의 데이터를 1초 이하의 간격으로 빠짐없이 기록하는 데이터 로깅 기능 까지, 신뢰성 높은 배터리 평가에 필요한 모든 것을 지원합니다.

 

하지만 이처럼 극한의 성능을 시험하는 과정에서는 예측 불가능한 위험이 따를 수 있습니다. 특히 배터리 기술 개발 초기 단계나 과충전, 단락(Short-Circuit)과 같은 안전 및 남용 시험(Safety and Abuse Testing) 에서는 열 폭주(Thermal Runaway), 가스 발생, 나아가 화재 및 폭발의 가능성을 결코 배제할 수 없습니다. 연구원의 안전과 고가의 시험 자산을 보호하는 것은 그 무엇보다 중요한 일입니다.

 

 

이것이 팜테크의 방폭(Explosion-Proof) 챔버가 반드시 필요한 이유입니다. 저희 방폭 챔버는 단순한 온도 조절 장치를 넘어, 만일의 사태 발생 시 폭발 압력을 견디고 화염과 파편을 완벽하게 차단하도록 특수 설계되었습니다. 또한, 가스 감지 센서, 강제 환기 시스템, 자동 소화 설비 등을 탑재하여 이상 징후 발생 시 즉각적으로 대응하고 2차 피해를 방지함으로써 가장 안전한 시험 환경을 구축합니다.

결론적으로, 팜테크는 고정밀 충방전기를 통해 배터리 본연의 성능을 한계까지 정확하게 측정하고, 견고한 방폭 챔버로 그 과정의 안전을 완벽하게 책임지는 '토털 배터리 테스트 솔루션'을 제공합니다. 팜테크와 함께라면, 가장 까다로운 조건에서도 안심하고 미래 기술 개발에만 집중하실 수 있습니다. 저희는 고객 여러분의 혁신을 위한 가장 신뢰할 수 있는 파트너가 되겠습니다.

 

 

 

해당 내용과 관련해서 팜테크에서 시스템 솔루션을 제공하고 있습니다.  관심 있으시면 아래 홈페이지 또는 연락처를 통해 문의 주시면 됩니다. :)

 

https://famtech.co.kr/sub04/01_01.php

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