배터리가 없으신가요? 그래도 테스트가 가능합니다. EV 테스트에서 배터리 에뮬레이터의 역할

실제 배터리를 사용하면 충전, 방전 및 테스트에 적합한 충전 상태 (State of Charge, SOC)를 만들기 위한 배터리 방치 같은 시간이 오래 걸리는 프로세스를 진행해야 합니다. 배터리 에뮬레이션을 사용하면 이러한 모든 준비 작업이 크게 줄어듭니다. 필요한 실제 배터리 특성을 배터리 에뮬레이터에서 즉각적으로 제공하며, 따라서 엔지니어는 배터리 동작의 미묘한 차이 대신 테스트에 집중할 수 있기 때문입니다.

​그림 1: 고격 결과에 따르면 실제 배터리를 NHR 배터리 에뮬레이터로 교체한 결과 총 테스트 시간이 70% 감소했습니다.

이점을 증명하기 위해 NH Research (NHR)에서는 실제 배터리를 이용해 9번의 테스트를 진행한 실제 시나리오의 데이터를 취합한 다음 NHR의 배터리 에뮬레이터를 사용한 동일한 테스트의 결과와 비교했습니다. 배터리 에뮬레이터에서는 테스트 시간이 70% 감소 (그림 1 참조)했고, 주로 공회전 및 방치 시간이 감소했습니다.

배터리는 장애가 발생하면 심대한 위험이 발생하는 고전압 고에너지 디바이스이며, 따라서 모든 관련 테스트는 정상적인 작동은 물론 안전 보장 여부도 확인해야 합니다. 위험한 가스, 부식성 물질, 화재 또는 폭발 같은 위험 때문에 EV 회사는 실제 배터리를 이용한 테스트를 언제 어떻게 진행해야 하는지를 명시한 안전 정책을 만들며, 대부분의 정책에서는 테스트 시간을 근무 시간으로 제한합니다. 배터리 에뮬레이터를 사용하면 이러한 위험이 발생하지 않아 상기 우려사항과 제한 없이 테스트를 빠르게 수행할 수 있습니다.

EV 배터리 테스트의 안전 고려사항에 대해 자세히 알아보기

마모된 배터리는 충전/방전 사이클이나 단순한 노화 때문에 동작이 어쩔 수 없이 달라지게 됩니다. 또한 배터리가 올바르게 작동하려면 냉각제 계통과 온도 변화 같은 중요한 환경관리가 동반되어야 합니다. 바로 이점 때문에 실제 배터리의 전력 출력으로는 다른 구성요소의 테스트를 온전히 수행하는 데 필요한 재현가능성을 얻을 수 없습니다. 현실적이면서도 재현 가능해야 한다는 조건을 충족하기 위해, 배터리 에뮬레이터는 실제 배터리를 직렬 저항의 양방향 전압 소스로 모델링합니다 (그림 2 참조). 이렇게 하면 임의 SOC에 있는 배터리를 어떤 것이든 시뮬레이션하여 재현 가능하고 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.

^{​그림 2: 배터리 등가 모델}

​배터리 에뮬레이터는 다음 등가 모델에 따라 배터리의 어떤 SOC도 정확하게 재현하는 출력을 생성하도록 설계해야 합니다. 이 “배터리 에뮬레이션 모드”에서는 에뮬레이터가 들어오고 나가는 전류를 측정하고, 이를 이용해 (실제 배터리가 하는 것처럼) 전류 흐름과 상관없이 터미널에서의 바람직한 출력을 지속적으로 유지하는 데 필요한 전압 (V_ocv)을 계산하여 터미널 전압 (V_batt)을 자동으로 조정합니다.

배터리 에뮬레이터를 선택할 때는 다음을 고려해야 합니다.

적응성

​모든 배터리를 모델링하고 테스트 요구 사항에 맞게 조정하려면, 등가 배터리 모델의 전압 및 저항 값과 동작을 프로그래밍할 수 있어야 합니다. 예를 들어 원하는 전압 설정 기능에 느린 속도에서 전압을 슬루하는 기능이 더해지면 배터리 충전 또는 방전 시 예상되는 전압 변화를 에뮬레이션할 수 있습니다. 그림 3에서는 여러 방전 펄스에 적용되는 프로그래밍 가능한 직렬 저항의 효과를 확인할 수 있습니다. 전압 변화가 프로그래밍 가능한 직렬 저항 모델이 있는 전류와 비례하므로, 엔지니어는 신규 (낮은 저항) 또는 기존 (높은 전압) 배터리에 연결된 상태를 가정하여 디바이스를 테스트할 수 있습니다. 이러한 접근법은 더 빠르고 일관적이며 안전한 테스트를 선사합니다.

^{​그림 3: 직렬 저항 모델을 이용한 EV 배터리 시뮬레이션}

​낮은 전기 용량

저항의 프로그래밍 가능성도 중요하지만, 배터리 에뮬레이터는 전류가 충전될 때 저항의 영향을 정확하게 에뮬레이션할 수 있도록 출력 전기 용량이 낮아야 합니다. 이것은 일반적으로 고출력 전기 용량에서 노이즈를 줄이는 양방향 전원 공급 장치와의 핵심적인 차이입니다.

그림 4에서는 실제 배터리와 에뮬레이션한 배터리를 비교한 결과를 확인할 수 있습니다. 에뮬레이션한 배터리의 특징이 실제 배터리의 특징과 정확하게 일치하며, 그 이유 중 하나는 낮은 출력 전기 용량입니다.

^{​그림 4: 실제 배터리 (왼쪽)와 NHR의 배터리 에뮬레이터 (오른쪽)의 비교}

​소프트웨어를 통한 확장성

EV 테스트 엔지니어에게는 배터리 에뮬레이터의 낮은 전기 용량과 프로그래밍 가능성 이외에 배터리 에뮬레이션에 다음과 같은 특성이 필요합니다.

• ​EMF 효과를 안전하게 다시 처리하는 양방향 격리형 터미널
• ​전력을 강화하고 진화하는 테스트 요구 사항을 충족하기 위한 모듈화
• ​실제 조건을 에뮬레이션하고 테스트 시간을 줄이기 위한 빠른 응답 시간

​EV 파워트레인을 종합적으로 테스트하려면 개방형 연결성과 유연한 테스트 소프트웨어를 통해 다양한 테스트 스테이션을 관리하고, 측정 및 커뮤니케이션 채널을 추가하거나, 다른 테스트 장비와 통합할 수 있어야 합니다. NI의 포트폴리오에 속하는 NHR의 배터리 에뮬레이터는 VeriStand와 TestStand는 물론 SystemLink™ 소프트웨어 같은 데이터/자산 관리 도구까지 포함하는 NI의 테스트 소프트웨어와 완벽하게 통합됩니다. EV 테스트 엔지니어는 NI의 무손실 데이터 로깅, 자동 보고, 통합된 작업흐름 및 수명 주기 분석 기능을 이용할 수 있고, 이는 테스트 총 비용 감소, 제품 출시 시간 단축, 제품 성능 개선으로 이어집니다.

배터리 시뮬레이션을 위해 양방향 전원 공급 장치와 배터리 에뮬레이터 중 선택

배터리 시뮬레이션을 위해 양방향 전원 공급 장치와 배터리 에뮬레이터 중에서 선택할 때 중요한 고려사항이 있습니다. 잘못된 장비를 선택하면 프로젝트가 지연되고 안전 위험이 증가하며 생산성이 저하될 수 있습니다. 배터리 시뮬레이션에 양방향 DC 전원 공급 장치를 사용하면 배터리 시뮬레이션이 아닌 기존의 전원 공급 장치로 설계되었기 때문에 기능상 많은 제한이 있을 수 있습니다.

NI의 중전압 및 고전압 DC 배터리 팩 사이클러 및 에뮬레이터와 같은 고급 배터리 에뮬레이터를 사용하면 배터리 팩 직렬 저항 (RINT)을 모델링하여 배터리 특성을 마치 실제처럼 시뮬레이션할 수 있습니다. RINT 모델은 내부 연결, 접촉기 및 안전 구성요소에 의해 생성된 추가적인 팩 저항과 함께 배터리의 내부 내화학성을 시뮬레이션합니다. RINT 모델은 진정한 양방향 전원 공급과 프로그램 가능한 직렬 저항으로 구현할 수 있습니다.

실제 배터리에서처럼 NI의 배터리 에뮬레이터는 전류 흐름의 방향과 진폭에 따라 출력 전압을 조정합니다. 출력 전압의 자동 조정은 특히 일반적인 DC 버스 및 소스/로드 시뮬레이션 시스템과 비교할 때 실제 배터리 팩 특성을 더 정밀하게 시뮬레이션합니다.

NI의 배터리 에뮬레이터는 기존의 양방향 전원 공급 장치에 비해 다음과 같은 이점을 제공합니다.

• 직렬 저항—배터리 시뮬레이션의 주요 특징은 커패시턴스가 낮은 프로그램 가능한 직렬 저항이 내장되어 있다는 것입니다. NI 배터리 에뮬레이터는 실제 조건을 정확하게 테스트할 수 있도록 소프트웨어만이 아니라 하드웨어에도 프로그램 가능한 직렬 저항이 내장되어 있습니다. 실제 배터리에서처럼 NI의 배터리 에뮬레이터는 전류 흐름의 방향과 진폭에 따라 출력 전압을 조정합니다.
• 낮은 출력 커패시턴스—출력 커패시턴스가 낮은 배터리 에뮬레이터는 직렬 저항 효과를 정확하게 시뮬레이션하여 출력 전압을 전류 변화에 비례하여 조정할 수 있도록 합니다. 이에 비해 노이즈 출력을 줄이기 위해 출력 커패시턴스가 높은 재생 전원 공급 장치가 많습니다. 하지만 높은 출력 커패시턴스는 직렬 저항 기능을 무효화하고 응답 속도가 느려질 뿐만 아니라 부정확한 배터리 시뮬레이션을 초래할 수 있습니다. NI 배터리 에뮬레이터는 실제 조건을 정확하게 에뮬레이션하기 위해 셋포인트를 빠르게 변경할 수 있도록 출력 커패시턴스가 낮게 설계되었습니다.
• 안전—전원 공급 장치에는 일반적으로 안전 컨택터용 애드온이 필요하며 인터록, 비상 정지 등과 같은 추가적인 안전 기능이 없습니다. 이러한 구성요소 추가는 시간 집약적이며 테스트 설정을 크게 복잡하게 만들어 지연 시간 증가와 인건비 상승으로 이어집니다. NI 배터리 에뮬레이터에는 이러한 모든 특징과 여러 계층의 안전 기능이 내장되어 있습니다.
• 설정 정확도―전원 공급 장치는 일반적으로 로드/라인 레귤레이션(다양한 라인/로드 조건에서 출력이 변할 수 있는 정도)만을 지정하고 설정 정확도 또는 요청된 출력은 고려하지 않습니다. NI는 로드/라인 및 요청한 값의 오차를 포함한 모든 조건에 대한 경험적 제어 정확도를 명확하게 문서화합니다.
• 측정 정확도—전원 공급 장치는 범용 제품이며, Ahr 또는 kWhr와 같은 배터리 관련 측정값은 일반적으로 사용자의 소프트웨어에서 추적하고 확인하는 경우가 많습니다. NI 배터리 에뮬레이터는 하드웨어에서 직접 정밀 배터리 테스트 측정을 수행하므로 프로그래밍이 보다 간단하고 효과적입니다.
• 설정한 방법 및 제어—전원 공급 장치를 테스트하려면 상당한 소프트웨어 프로그램 개발 과정이 필요합니다. NI 배터리 에뮬레이터에는 배터리 에뮬레이션을 지원하도록 설계된 작동 모드가 있으며, NI의 소프트웨어 솔루션은 즉시 사용 가능한 제어 솔루션을 제공하므로 통합을 위한 시간과 노력이 필요하지 않습니다. 

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