1. はじめ

ハイブリッドパルスパワー特性（HPPC）試験は、電池のパルス充放電性能を評価するために用いられる手法です。これは電池性能評価における重要な試験方法の一つであり、主にハイブリッド電気自動車（HEV）の電池システム、モジュール、および単セルに対する性能評価や電力システム管理を対象としています。

2. HPPCの試験原理

HPPC試験は、通常、専用の電池試験装置を用いて実施されます。その最終的な目的は、パルス電力能力、利用可能エネルギー、および利用可能電力の計算を検証し、HEV用途における電力放電能力を合理的に評価することにあります（現在、この方法は中国国内においてPEVにも拡張されています）。

HPPC試験の代表的なプロファイルは図1(a)に示されています。このプロファイルの目的は、さまざまな放電深度（DOD）における放電パルス電力能力および回生充電パルス電力能力を示すことです。HPPC試験手順は、本質的に図1(a)に示されるプロファイルを繰り返す形で構成されます。

試験は満充電状態から開始されます。まず電池を10% DODまで放電し、1時間の休止を経た後にパルスプロファイルを印加します。このサイクル（10% DOD放電 → 1時間休止 → パルスプロファイル印加）を電池が100% DODに到達するまで繰り返します。最終的に100% DODまで放電した後、さらに1時間の休止を行い試験を終了します（図1(b)参照）。この1時間の休止は、電池を電気化学的および熱的平衡状態に到達させるために極めて重要です。

各休止期間中の電圧は記録され、電池の開放電圧（OCV）曲線を求めるために用いられます。試験パルスには、2つのピーク電流レベルが使用されます。低電流（Imaxの25%）と高電流（Imaxの75%）です。Imaxとは、電池メーカーが規定する最大許容10秒パルス放電電流を指します。

図1

注：OCV電圧は休止期間中に測定されます。

基本的に、HPPCパルステストは高SOCから低SOCへと移行する過程で、10% DODごとに実施されます。システム設計の要件に応じて間隔をさらに小さく設定することも可能で、その場合、より密度の高いデータ表が得られます。重要なのは、各放電ステップの後に1時間の休止が設けられる点です。この待機時間により、電池電圧は静止状態に近づきます。しかし実際には、1時間では電池が完全な静的平衡状態に到達するには不十分なことが多いです。そのため、この休止終了時の電圧を用いてSOC-OCV曲線を描いた場合、得られるのはあくまで参考曲線であり、真の絶対平衡状態を示す曲線ではありません。

HPPC試験結果の分析項目

1.開放電圧（OCV）： 各HPPC休止期間終了時に測定された電圧であり、DODの関数としてプロットできます。

2.内部抵抗特性： 試験データに基づき、放電抵抗および回生充電抵抗が算出されます。これらの抵抗はDODに応じて変化します。

3.パルス電力能力： 電圧および抵抗特性から導かれ、DODの関数としてプロットできます。これには以下が含まれます。

放電能力

回生充電能力

4.利用可能エネルギー： 1C放電率で電池システムから得られるエネルギーと定義されます。各DODにおける電力と1C放電で得られるエネルギーとの関係を確立することで求められます。

5.利用可能電力： 利用可能エネルギーが特定の目標値に到達した際の最大放電電力能力です。

6.電力およびエネルギーの劣化（フェード）： システム寿命試験の過程で、利用可能電力および利用可能エネルギーが時間とともに変化することを指します。

3. HPPCのパラメータ設定

HPPC試験の実施方法

HPPC試験は、図2に示すNEWARE多チャンネル電池試験システムを用いて実施することができます。取得されたデータは、その後Originソフトウェアで処理され、結果が生成されます。

図2：NEWARE電池試験システム

(1) 充電モード：定電流（CC）、定電圧（CV）、定電流‐定電圧（CC-CV）、定電力（CP）充電に対応しています。停止条件には、電圧、電流、相対時間、容量、エネルギー、または -△V（電圧増分）が含まれます。

(2) 放電モード：定電流（CC）、定電圧（CV）、定電流‐定電圧（CC-CV）、定電力（CP）、定抵抗（CR）放電に対応しています。停止条件には、電圧、電流、相対時間、容量、またはエネルギーが含まれます。

(3) パルスモード：CCまたはCP充電パルス、ならびにCCまたはCP放電パルスに対応しています。最小パルス幅は500ミリ秒です。単一のパルスステップでは最大32種類のパルスをサポートし、1ステップ内で充電と放電を連続的に切り替えることができます。停止条件は電圧または相対時間です。

(4) 直流内部抵抗（DCIR）試験：DCIR計算のための測定点をカスタマイズして選択することが可能です。

(5) サイクル試験：サイクル範囲は1～65,535回で、単一サイクルあたりのステップ数は最大254です。

(6) ネストサイクル：入れ子ループ機能を備え、最大3階層のネストをサポートしています。詳細な試験機能については、NEWARE技術スタッフにお問い合わせください。

パラメータ設定（リチウムイオン電池の例）

HPPCの原理に基づき、以下の試験ステップ（作業ステップ）が設定されます。具体的な電圧および電流パラメータは、試験の実際の要件に応じて設定してください。

図3：具体的な試験ステップ設定

図では、放電容量を記録するための式を設定する例を示しています。充電容量を記録する場合は、充電ステップ内で対応する式を設定する必要があります。ステップ8およびステップ13の具体的な式は以下の図に示されています。

図4：ステップ8の試験式

図5：ステップ13の試験式

これらの式において、0.1は10%の容量劣化を、0.8は80%の容量劣化を表しています。

4. 適用シナリオ

1.ハイブリッド電気自動車（HEV）電池システムの性能評価

HPPC試験は、ハイブリッド電気自動車用電池システムの電力性能および耐久性を評価するために用いられ、実際の電池挙動の理解および最適化に役立ちます。

2.電池モジュールおよび単セルの評価

電池モジュールや単セルに対してHPPC試験を行うことで、さまざまな放電深度（DOD）における出力電力および充電効率を正確に測定できます。これは、電池設計および最適化において極めて重要です。

3.電池管理システム（BMS）設計の指針

HPPC試験で得られたデータは、BMSが電池状態をより効果的に監視・制御するために利用され、安全かつ経済的な運用を確保します。また、HPPC試験は多様な動作条件下での電池性能理解を深め、EV BMSにおける状態推定の精度向上を可能にします。正確なBMS状態推定には適切な電池モデルと正確なモデルパラメータが不可欠であり、HPPC試験はこれらの必要データを提供します。

4.電池状態推定

HPPC試験は、異なる動作条件下での電池性能を深く理解するためのデータを提供し、電気自動車の設計および最適化に不可欠な情報を供給します。

5.パワートレイン設計および電池寿命管理

HPPC試験結果は、電池の電力アシスト目標の設定や、各DODレベルにおける放電パルス電力能力および回生充電パルス電力能力の評価に用いられます。これは、電気自動車のパワートレイン設計および電池寿命管理において非常に重要です。

6.電池性能評価

さまざまなSOC状態でのパルス充放電プロセスをシミュレーションすることで、HPPC試験は電池の主要特性である電力性能、開放電圧（OCV）、直流内部抵抗（DCIR）を評価します。試験では、電池を満充電状態から完全放電状態までサイクルさせます。10% DODごとの放電後、電池は1時間休止し、その後パルステストを行います。このサイクルを100% DODに到達するまで繰り返し、最後に1時間の休止で試験を終了します。

7.電池状態の解析

試験中には、各SOCポイントにおける充放電方向の直流内部抵抗（DCIR）や電池の開放電圧（OCV）が測定されます。これらのデータは、異なる動作条件下での電池性能理解に不可欠であり、EV設計および最適化のための重要情報を提供します。

8.電池寿命予測

HPPC試験は、電池の電力アシスト目標設定や各DODレベルでの放電パルス電力能力および回生充電パルス電力能力の評価に役立ちます。これは、電気自動車のパワートレイン設計および電池寿命管理において極めて重要です。

これらの適用シナリオから、HPPC試験が電力電池技術研究および製品開発において欠かせない手法であることが明らかです。

5. 結論

まとめると、HPPC試験は重要な試験手法であり、電池性能の評価・最適化を支援するだけでなく、電気自動車設計およびBMS開発に必要なデータを提供します。本稿を通じて、標準試験ステップ下でのDCIR-Pのパラメータ設定および計算方法の修正について理解を深めていただけたと考えます。

今後の電気化学シリーズ記事では、NEWAREチームが入れ子サイクル試験、ステップ充電、定抵抗放電など、電池材料や設計に関連する電気化学試験について詳細な解説を提供する予定です。皆様のご注目、共有、そしてご支援をお願いいたします。

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