[USABC] 정전류 방전 시험(Battery Tester, Cycler, Battery Test Equipment, Constant Current (CC) Discharge)

 

목차

 

 

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USABC 정전류 방전 시험

 

USABC(United States Advanced Battery Consortium)의 정전류 방전 시험(Procedure #2)은 전기차 배터리의 성능을 평가하는 가장 기본적이고 반복 가능한 표준화된 시험 절차입니다. 이 시험은 배터리의 유효 용량을 정밀하게 측정하고, 방전율이 용량에 미치는 영향을 특성화하는 것을 주된 목적으로 합니다. 특히 3시간율(C₃/3) 정전류 방전 시험은 모든 시험 대상 배터리의 정격 용량을 검증하기 위해 수행해야 하는 필수 핵심 성능 시험(Core Performance Test) 중 하나입니다.

 

시험 목적 (Purpose)

 

정전류 방전 시험의 주요 목적은 다음과 같습니다.

• 유효 용량 측정: 매우 반복적이고 표준화된 조건 하에서 배터리의 유효 용량(Ah)을 결정합니다.
   
• 용량 등급 검증: 3시간율(C₃/3) 방전을 통해 제조사가 제시한 배터리의 정격 용량이 정확한지 검증합니다.
   
• 방전율 영향 분석: C/3, C/2, C/1 등 다양한 전류 레벨로 시험을 수행하여 방전율의 변화가 배터리 용량에 미치는 영향을 특성화합니다.
   
• 안정성 확인: 연속적인 C₃/3 방전 시험 결과가 2% 이내로 일치할 때 배터리 용량이 안정화되었다고 판단하며, 이는 후속 시험을 위한 전제 조건이 됩니다.
   
• 타 시험의 기준점: 기준 성능 시험(RPT, Procedure #14C), 부분 방전 시험(Procedure #6), 스탠드 시험(Procedure #7) 등 다른 시험들에서 초기 기준 용량을 설정하거나 시험 후 성능 변화를 측정하는 기준으로 활용됩니다.
   
   
   

핵심 시험 절차 및 조건 (Key Test Procedure and Conditions)

 

정전류 방전 시험은 다음의 절차와 조건에 따라 수행됩니다.

1. 사전 준비 (Preparation):
   • 충전: 시험 계획서에 명시된 표준 충전 방법에 따라 배터리를 완전히 충전합니다. 만약 이 방법으로 안정적인 용량을 얻지 못하면, 충전 최적화 시험(Procedure #11)을 먼저 수행해야 할 수 있습니다.
   • 온도 안정화: 충전을 마친 배터리를 개방 회로(open circuit) 상태로 두고, 방전 시작 시점의 배터리 온도가 23∘C±2∘C (또는 시험 계획서에 명시된 다른 온도)에 도달할 때까지 안정화시킵니다.
      
2. 시험 순서 (Test Sequence):
   • 선호되는 시험 순서는 각기 다른 방전율로 구성된 그룹을 3회씩 반복하는 것입니다.
   • C₃/3 → C₂/2 → C₁/1 → C₃/3 순서로 시험을 진행합니다. 마지막에 C₃/3 시험을 다시 수행하여 이전 시험들이 배터리 성능에 영향을 주지 않았는지 확인합니다.
   • 배터리 용량의 안정성은 연속된 3회의 C₃/3 방전 시험 결과가 2% 이내로 일치할 때 확보된 것으로 간주합니다.
      
3. 방전 종료 조건 (Termination Condition):
   • 각 방전은 다음 두 가지 조건 중 하나가 먼저 도달했을 때 종료됩니다.
      
     1. 배터리의 정격 용량(Ah)에 도달했을 때
     2. 제조사가 명시한 최소 방전 전압(minimum discharge voltage)에 도달했을 때

 

주요 용어 정의 (Key Terminology)

• Ci​ (Ah): 정전류로 배터리를 방전하여 정확히 'i' 시간 만에 방전 종료 조건에 도달했을 때 얻어지는 암페어-시간(Ah) 단위의 용량입니다. 예를 들어, C₃는 3시간율 방전 용량을 의미합니다.
   
• 방전율 (Discharge Rate, Ci​/X): 배터리 방전 시 흐르는 전류를 의미하며, 보통 정격 용량 대비 시간으로 표현됩니다. 예를 들어, 3시간율(C3​)로 정격이 매겨진 450Ah 배터리의 3시간율 방전 전류는 450Ah / 3h = 150A 입니다.
   

데이터 수집 및 결과 보고 (Data Acquisition and Reporting)

• Peukert Plot: 다양한 방전율(C/3, C/2, C/1 등)로 전체 시험을 수행한 경우, 방전율과 방전 시간의 관계를 나타내는 Peukert Plot을 결과물로 제출해야 합니다.
   
• 용량 보고: 시험을 통해 측정된 유효 용량이 정격 용량보다 낮은 경우, 해당 방전율에서 3회 시험의 평균값을 보고해야 합니다.
   
• 결과 해석: 이 시험으로 측정된 용량은 배터리의 실제 최대 용량이 아닐 수 있음을 인지해야 합니다. 또한, 정격 용량이 특정 방전율에서의 가용 용량보다 낮게 설정된 경우, Peukert Plot이 큰 의미를 갖지 못할 수 있습니다.
   
   

USABC 정전류 방전 시험은 배터리의 가장 기본적인 용량 특성을 명확하고 신뢰성 있게 평가하는 절차입니다. 이 시험 결과는 배터리의 상태를 판단하고, 더 복잡한 동적 프로파일 시험이나 수명 시험의 성공적인 수행을 위한 중요한 기초 데이터로 활용됩니다.

 

 

 

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배터리 기술의 미래를 선도하는 기업들에게 가장 중요한 과제는 제품의 성능과 신뢰성을 국제 표준에 맞춰 정확하게 검증하는 것입니다. 세계적인 전기차 배터리 시험 표준인 USABC(미국 첨단 배터리 컨소시엄) 매뉴얼은 배터리 용량을 평가하기 위해 다양한 조건의 충방전 시험을 요구하고 있습니다.

 

• 정전류(Constant Current) 시험: C/3, C/2, C/1 등 다양한 방전율에서 배터리의 기본 용량을 정밀하게 측정합니다.
• 정전력(Constant Power) 시험: 전기차의 정속 주행과 같은 조건에서 배터리가 지속적으로 안정된 출력을 제공하는지 평가합니다.
• 가변 전력(Variable Power) 시험: 실제 주행 상황을 모사한 동적 스트레스 시험(DST)이나 연방 도심 주행 스케줄(FUDS)과 같은 복잡하고 동적인 프로파일을 통해 극한의 조건에서의 배터리 반응을 검증합니다.
   

이처럼 각각의 시험은 목적과 조건이 달라, 모든 시험을 하나의 장비로 완벽하게 수행하는 것은 쉽지 않은 기술적 과제입니다.

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