온도 변화에 따른 배터리 성능을 검증하는 Thermal Performance Test(USABC)

 

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Thermal Performance Test는 주변 온도의 변화가 배터리 성능에 미치는 영향을 평가하는 시험이다. 배터리는 동일한 충전 상태와 시험 조건에서도 저온이나 고온 환경에 따라 방전 용량, 출력 특성 및 충전 성능이 달라질 수 있다. USABC 전기차 배터리 시험 절차에서는 이 시험을 통해 배터리에 열관리 시스템이 필요한지 판단하고, 배터리가 정상적으로 작동할 수 있는 허용 온도 범위를 확인하도록 규정하고 있다. 특히 기본 절차는 별도의 열관리 시스템이 없는 배터리의 주변 온도 영향을 평가하는 데 적합하다.

 

Thermal Performance Test 배터리 시험 절차, 팜테크

 

온도별 배터리 성능시험 조건

각 온도별 시험 종류, 배터리팩, 팜테크

 

시험을 수행하기 위해서는 충·방전 시험기, 배터리 충전기, 환경 챔버 및 데이터 수집 시스템이 필요하다. 환경 챔버는 시험 계획에서 지정한 온도까지 배터리를 가열하거나 냉각할 수 있어야 하며, 시험 전에는 배터리의 내부 온도가 설정 온도에서 안정화될 때까지 충분히 소킹해야 한다. 시험 계획에는 적용할 충전 및 방전 절차, 충·방전 온도, 배터리의 제한 조건, 안전 대책과 취급 방법이 사전에 정의되어야 한다.

 

USABC의 기본 시험은 약 23℃의 상온에서 기준 성능을 먼저 측정한 후, 저온과 고온에서 동일한 시험을 반복하는 방식으로 진행된다. 상온에서는 C/3 정전류 방전시험, 100% DOD까지의 DST 방전시험, Peak Power Test를 순서대로 수행한다. 이후 일반적으로 -30℃, 0℃, 65℃에서 같은 시험을 반복하며, 각 온도에서의 방전이 끝난 배터리는 별도 지시가 없다면 상온으로 복귀시킨 후 재충전한다. 시험 종료 후에는 다시 약 23℃에서 기준 성능시험을 수행해 비정상 온도 노출로 인해 상온 성능이 변했는지 확인한다.

 

 

온도에 따른 용량·출력 변화 분석

출력 변화 예시, 팜테

 

저온에서는 배터리의 내부 반응이 제한되면서 사용할 수 있는 용량이나 출력이 감소할 수 있고, 고온에서는 전기적 성능뿐 아니라 배터리의 온도 상승과 운전 제한 조건을 함께 확인해야 한다. USABC 절차에서는 최초 상온시험과 마지막 상온시험 사이에서 배터리 용량 또는 피크 출력 성능이 5%를 초과해 변화한 경우, 상온 기준 성능시험을 두 차례 더 수행하거나 안정적인 용량이 다시 확인될 때까지 시험을 반복하도록 규정한다. 이를 통해 일시적인 온도 영향과 시험 후에도 남아 있는 성능 변화를 구분할 수 있다.

 

시험 중에는 각 방전시험에서 요구되는 전압, 전류, 용량 및 출력 데이터와 함께 배터리 온도를 시간에 따라 측정해야 한다. 배터리에 부착된 온도 센서는 주변 공기의 영향을 줄이도록 단열해 실제 배터리 구성품의 온도를 측정해야 하며, 열관리 시스템이 적용된 경우에는 충전, 방전 및 대기 상태에서 시스템이 소비하는 전력도 기록한다. 최종 결과에는 온도별 방전 성능, 시간에 따른 배터리 온도, 열관리 시스템의 소비전력과 시험 절차에서 변경된 조건을 함께 정리한다. Thermal Performance Test는 배터리의 저온 시동 성능, 고온 운전 안정성, 적정 작동 온도 및 열관리 시스템 설계의 필요성을 판단하는 핵심 시험이다.

 

 

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