[논문]실시간 원격 배터리 점검 시스템의 개발

이종학; 김형원; 최우진

doi:10.6113/tkpe.2016.21.1.72

실시간 원격 배터리 점검 시스템의 개발
Development of the Real-Time Remote Battery Inspection System 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.21 no.1, 2016년, pp.72 - 79

이종학 (Department of Electrical Engineering, Soongsil University) , 김형원 (Department of Electrical Engineering, Soongsil University) , 최우진 (Dept. of Electrical Engineering, Soongsil University)

Abstract ▼ AI-Helper

Uninterruptible power supplies are extensively used as backup power in various applications such as telecommunication systems, Internet data centers, hospitals, and military technologies. Some of these applications require a considerable number of batteries, and the maintenance of such batteries is critical for the reliability of a system. However, batteries are chemical energy storage devices that deteriorate over time and frequently inspecting their performance and suitability is difficult. A real-time remote battery inspection system that applies electrochemical impedance spectroscopy is proposed and implemented in this study. The proposed system consists of a small inspection circuit and software for control. The former is developed to monitor the impedance variation of the battery and to diagnose its state. The validity and feasibility of the proposed system is proven by experimental results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

Digital Lock-in Amplifier의 가장 중요한 기능은 원하는 주파수의 신호만을 걸러내 출력함으로써 노이즈가 많은 환경에서도 특정 주파수 성분 신호의 크기와 위상을 측정하는 것이다. 따라서 본 논문에서는 DSP에 꾸며진 Digital Lock-in Amplifier를 이용하여 배터리의 AC 임피던스 스펙트럼을 측정하였다.
따라서 본 논문에서는 VRLA 배터리의 주파수 영역별 AC 임피던스를 측정하여 실수축에 근접한 지점의 R Ω값이 기준치로부터 일정 범위 이상 벗어날 경우 이를 감지하여 이상을 검출할 수 있는 실시간 원격 배터리 모니터링 장치를 개발하였다.
그러나 이러한 시험들은 육안검사, 농도 및 비중의 측정, 직접적인 충방전 시험과 같은 인력에 의한 검사를 포함하므로 많은 비용이 들고 번거로우며, 시험 중 사고 가능성이 있고 충방전 시험을 하는 동안에 발생하는 정전 시에는 비상전원의 가동이 불가능 해지는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 대용량 VRLA 배터리 모듈의 개별 VRLA 배터리를 개별적으로 모니터링하여 이상을 감지하고 사고를 사전에 차단할 수 있는 장비의 개발에 관해 서술한다. 개발된 시스템은 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여 측정된 VRLA 배터리의 전압, 온도 및 AC 임피던스를 측정하여 VRLA 배터리의 상태를 진단하고, 실시간 원격으로 이를 관리서버에 원격 전송한 후 통계 처리함으로써 VRLA 배터리의 고장을 사전에 감지할 수 있다.
일반적으로 이러한 경우 VRLA 배터리의 내부 임피던스 값이 기준치 대비 30%～50% 이상 초과되는 것으로 알려져 있어 이를 모니터링 할 경우 VRLA 배터리의 교체 시기를 알 수 있게 된다. 따라서 본 논문에서는 임피던스 값이 초기값보다 20% 상승 시 이상이 있는 것으로 판별하여 사고를 미연에 방지하는 시스템을 개발하였다.
본 논문에서는 VRLA 배터리의 이상을 점검할 수 있는 AC 임피던스 측정 회로와 대용량 VRLA 배터리 모듈의 실시간 원격 감시를 위한 하드웨어 및 관리 소프트웨어를 개발하였다. 개발된 장치를 통해 VRLA 배터리의 이상을 사전에 감지하여 시스템의 신뢰성을 향상 시킬 수 있으며, 성능이 저하된 셀만을 교체하여 시스템의 유지 및 관리 비용도 줄일 수 있다.

제안 방법

이 부분은 VRLA 배터리를 섭동시킨 후 섭동 전압및 전류를 측정하는 부분이다. VRLA 배터리의 전압은 차동 증폭회로를 통해 측정하였고 전류는 Shunt 저항을 사용하여 측정하였다. 그 외 DSP의 A/D 컨버터의 보호를 위한 다이오드 클램핑 회로를 추가하였으며, 필터는 디지털 록인 앰프의 우수한 성능으로 인해 사용할 필요가 없다.
그 외 DSP의 A/D 컨버터의 보호를 위한 다이오드 클램핑 회로를 추가하였으며, 필터는 디지털 록인 앰프의 우수한 성능으로 인해 사용할 필요가 없다. 개발된 시스템은 총 110개의 VRLA 배터리까지 하나의 CAN-to-Ethernet 카드를 통하여 관리가 가능하며 각 VRLA 배터리는 CAN 케이블을 통해 연결되어 있다. 주 프로그램의 주기적인 명령에 따라 각 VRLA 배터리의 모니터링 장치는 VRLA 배터리의 AC 임피던스를 측정하고 측정된 임피던스의 크기 및 위상 값과 온도, 전압 등의 정보를 주 프로그램이 설치된 컴퓨터로 전송한다.
그림 2에서 보듯이 VRLA 배터리의 AC 임피던스의 저항성분은 보통 수 mΩ 에서 수백 mΩ 정도의 범위에 분포하며, 측정 주파수가 1kHz를 넘어서면 인덕턴스 성분에 의한 저항성분이 커져서 측정된 임피던스의 의미가 적어진다. 따라서 개발된 장치의 측정 주파수 대역은 0.1Hz～1kHz로 하였으며, 섭동 전압의 크기는 상온에서의 열전압인 25mV 이하로 하였다. 섭동전류는 최대 5A로 설계하여 5mΩ 정도의 작은 저항을 가진 대용량 VRLA 배터리의 임피던스까지 측정이 가능하도록 하였 다.
이 상태에서 푸쉬풀 회로에 VRLA 배터리가 연결되어 있으면 VRLA 배터리에 과전류가 흐르게 된다. 따라서 푸쉬풀 회로와 VRLA 배터리 연결단 사이에 릴레이를 삽입하여 VRLA 배터리의 DC 전압을 검출하고 그에 상응하는 전압을 출력한 후에 VRLA 배터리를 섭동시킬 때 릴레이를 턴온 시킨다. 모든 측정 주파수에서 임피던스 측정이 끝나면 릴레이는 다시 턴오프 상태로 동작하여 푸쉬풀 회로와 VRLA 배터리를 분리시킨 다.
섭동전류는 최대 5A로 설계하여 5mΩ 정도의 작은 저항을 가진 대용량 VRLA 배터리의 임피던스까지 측정이 가능하도록 하였 다.
그림 10은 개발된 장치로부터 측정한 VRLA 배터리의 전압과 전류 파형을 나타낸 것이다. 실험은 고주파에서 저주파의 순서로 진행되며 출력 파형은 주파수가 1k～10Hz까지는 10주기 10～1Hz까지는 8주기, 1～0.1Hz까지는 4주기가 출력되도록 설정하였다. 배터리 응답의 불안정성에 의한 부정확한 측정을 방지하기 위하여 각 주파수 섭동의 첫 주기와 마지막 주기의 파형은 임피던스 계산에 적용하지 않았다.
주 프로그램에서 측정하고자 하는 VRLA 배터리의 ID와 함께 임피던스 측정 개시 명령을 보내게 되면, 각 보드는 주 프로그램에서 보낸 ID를 입력받게 되고 각 보드의 고유 ID와 동일한 ID의 보드가 동작하게 된다. 임피던스 측정 지령을 받은 보드에서는 임피던스를 측정하기 전, 먼저 VRLA 배터리의 DC 전압을 측정하여 DSP에 입력하고, 측정 주파수 및 샘플링 주파수, 섭동신호 등을 설정한다. VRLA 배터리의 DC 전압은 정확도를 높이기 위해 DSP A/D단에서 1초간 측정한 값을 평균한 후 사용한다.
이렇게 섭동된 VRLA 배터리의 AC전압과 AC전류는 온도 정보와 함께 DSP의 A/D단에 입력된다. 입력된 AC전압, AC전류의 데이터로부터 Digital Lock-in Amplifier를 이용하여 측정 주파수의 임피던스를 계산을 한 후, 다음 측정 주파수로 넘어가 임피던스를 반복하여 측정한다. 측정 주파수대역에서의 임피던스를 모두 측정 하면 CAN 통신을 통해 VRLA 배터리의 DC 전압, 임피던스 데이터(측정 주파수, 임피던스의 절대 값과 위상) 및 온도를 컴퓨터의 주 프로그램으로 전송한다.

대상 데이터

개발된 배터리 점검시스템과 5개의 VRLA 배터리를 대상으로 789Hz에서 얻은 R Ω 값과 표준편차는 표 1과 같다.
본 논문에서는 UPS용으로 많이 사용이 되는 아틀라스 BX사의 산업용 VRLA 배터리 ITX40을 이용하여 실험하였다. 공칭용량은 40Ah이고 공칭전압은 12V이며 총 5개의 VRLA 배터리를 사용하였다. 그림 10은 개발된 장치로부터 측정한 VRLA 배터리의 전압과 전류 파형을 나타낸 것이다.
본 논문에서는 UPS용으로 많이 사용이 되는 아틀라스 BX사의 산업용 VRLA 배터리 ITX40을 이용하여 실험하였다. 공칭용량은 40Ah이고 공칭전압은 12V이며 총 5개의 VRLA 배터리를 사용하였다.
섭동전류는 최대 5A로 설계하여 5mΩ 정도의 작은 저항을 가진 대용량 VRLA 배터리의 임피던스까지 측정이 가능하도록 하였 다. 임피던스 계산을 위해 소프트웨어로 구성된 Digital Lock-in Amplifier의 구현과 전체 시스템의 제어를 위해서 TI사의 32-Bit DSP인 TMS320F28335를 이용하였다.AC 임피던스 측정시스템은 임피던스 측정을 위해 섭동 신호를 발생하기 위한 푸쉬풀 타입의 증폭기, 안정한 증폭기의 동작을 위한 제어회로, VRLA 배터리의 전압 및 전류 검출부 그리고 통신회로로 이루어져 있다.

데이터처리

임피던스 측정 지령을 받은 보드에서는 임피던스를 측정하기 전, 먼저 VRLA 배터리의 DC 전압을 측정하여 DSP에 입력하고, 측정 주파수 및 샘플링 주파수, 섭동신호 등을 설정한다. VRLA 배터리의 DC 전압은 정확도를 높이기 위해 DSP A/D단에서 1초간 측정한 값을 평균한 후 사용한다. VRLA 배터리의 전압 값이 VRLA 배터리 사용전압범위인 10.

이론/모형

1Hz까지는 4주기가 출력되도록 설정하였다. 배터리 응답의 불안정성에 의한 부정확한 측정을 방지하기 위하여 각 주파수 섭동의 첫 주기와 마지막 주기의 파형은 임피던스 계산에 적용하지 않았다.

성능/효과

.4) AC Impedance 기술은 DC 임피던스를 이용하는 경우와 비교하여 더 정확하게 이상 감지가 가능한 장점이 있다.
1) VRLA 배터리의 충방전 없이 이상 유무를 감지할 수 있어 VRLA 배터리의 수명이 연장되고, 편리하며, 관리 비용 절감이 가능하다.
2) 원격제어를 통해 정확한 임피던스 데이터를 수집하고 통계 처리하므로, VRLA 배터리 상태의 온라인 검증이 가능하고 불량 VRLA 배터리 감지 시 교체 경보 발령이 가능하다.
3) 정기적인 VRLA 배터리의 전량 교체로 인한 과다비용 지출을 줄일 수 있으며, 중금속과 같은 환경 오염물질 양산을 최소화 할 수 있다
개발된 소프트웨어에는 모든 VRLA 배터리에 설치된 측정 장치가 동시에 동작하는 전체실행 모드와 사용자가 임의로 측정하고자 하는 VRLA 배터리만을 선택하여 AC 임피던스를 측정하게 할 수 있는 일반모드가 있으며, VRLA 배터리의 이상이 판단되면 사용자와 관리 자에게 동시에 메시지를 보내어 이상 셀을 교체 및 점검 할 수 있도록 하는 알람 기능도 구현하였다. 또한, 주 프로그램이 있는 PC에서 설정한 웹 주소만 알면 어디서나 원격으로 모니터링 및 제어가 가능하도록 원격 제어 및 모니터링이 가능하다.
따라서 본 논문에서는 대용량 VRLA 배터리 모듈의 개별 VRLA 배터리를 개별적으로 모니터링하여 이상을 감지하고 사고를 사전에 차단할 수 있는 장비의 개발에 관해 서술한다. 개발된 시스템은 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여 측정된 VRLA 배터리의 전압, 온도 및 AC 임피던스를 측정하여 VRLA 배터리의 상태를 진단하고, 실시간 원격으로 이를 관리서버에 원격 전송한 후 통계 처리함으로써 VRLA 배터리의 고장을 사전에 감지할 수 있다. 개발된 장치를 이용할 경우 시스템의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있으며, 성능이 저하된 셀만 교체하게 하여 시스템의 유지 및 관리 비용을 현저히 줄일 수 있다.
개발된 시스템은 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여 측정된 VRLA 배터리의 전압, 온도 및 AC 임피던스를 측정하여 VRLA 배터리의 상태를 진단하고, 실시간 원격으로 이를 관리서버에 원격 전송한 후 통계 처리함으로써 VRLA 배터리의 고장을 사전에 감지할 수 있다. 개발된 장치를 이용할 경우 시스템의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있으며, 성능이 저하된 셀만 교체하게 하여 시스템의 유지 및 관리 비용을 현저히 줄일 수 있다. 본 시스템의 사용상 이점은 다음과 같이 요약될 수 있다.
본 논문에서는 VRLA 배터리의 이상을 점검할 수 있는 AC 임피던스 측정 회로와 대용량 VRLA 배터리 모듈의 실시간 원격 감시를 위한 하드웨어 및 관리 소프트웨어를 개발하였다. 개발된 장치를 통해 VRLA 배터리의 이상을 사전에 감지하여 시스템의 신뢰성을 향상 시킬 수 있으며, 성능이 저하된 셀만을 교체하여 시스템의 유지 및 관리 비용도 줄일 수 있다. 특히, 제안된 시스템은 전기자동차나 스마트 그리드용 에너지 저장장치와 같은 다수의 배터리를 사용하는 시스템에도 유용하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
섭동전압은 푸쉬풀 증폭기의 출력 단에 연결되는 VRLA 배터리의 내부 임피던스 값에 때문에 기준전압을 추종하지 못하는 경우가 생길 수 있으므로 간단한 PI 회로를 이용하여 오차를 보상함으로써 정확성을 높였다.
VRLA 배터리의 용량은 초기에 증가하였다가 노화가 진행되면서 감소하게 되고, 임피던스는 증가하게 된다. 임피던스 값이 초기값보다 20% 상승하게 되면 그 이후 VRLA 배터리의 용량이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

개발된 장치를 통해 VRLA 배터리의 이상을 사전에 감지하여 시스템의 신뢰성을 향상 시킬 수 있으며, 성능이 저하된 셀만을 교체하여 시스템의 유지 및 관리 비용도 줄일 수 있다. 특히, 제안된 시스템은 전기자동차나 스마트 그리드용 에너지 저장장치와 같은 다수의 배터리를 사용하는 시스템에도 유용하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	VRLA 배터리 성능에 영향을 미치는 요소들은 무엇인가?	일반적으로 VRLA 배터리 성능에 영향을 미치는 요소들은 온도, 충방전율, 충방전 사이클 등 다수의 변수 들이 있으며, 이러한 변수들에 의해 변화된 VRLA 배터리의 성능은 궁극적으로 VRLA 배터리의 내부 임피던스로 표현되게 된다. 따라서, 이러한 내부 임피던스를 이용하면 VRLA 배터리의 성능을 파악할 수 있으며, 이를 통해 VRLA 배터리의 이상이나 잔여 수명 등을 예측할 수 있다 [4-6] .
	VRLA 배터리 모듈 전체를 교체 하여 고장을 사전에 방지하는 방법의 문제점에 대한 대책은 무엇인가?	따라서 교통시스템, 통신시스템, 방송시스템과 의료시스템 같은 신뢰성이 매우 중요한 장비들은 일정한 사용시간이 경과 후 부분별 성능 저하 여부에 관계없이 VRLA 배터리 모듈 전체를 교체 하여 고장을 사전에 방지하는 방법을 사용하므로 시스템의 유지 관리 비용을 증가시키게 된다. 이러한 문제점에 대한 대책으로 IEEE Std. 1188 및 450등과 같은 표준에서는 밀폐형 및 개방형 VRLA 배터리의 전압, 온도, 내부저항 값을 주기적으로 모니터링하여 성능이 저하된 셀이나 열 폭주 가능성이 있는 과열된 셀 또는 열화에 의해 내부저항이 증가된 셀 등을 사전에 감지하도록 권고하고 있다 [2-3] . 그러나 이러한 시험들은 육안검사, 농도 및 비중의 측정, 직접적인 충방전 시험과 같은 인력에 의한 검사를 포함하므로 많은 비용이 들고 번거로우며, 시험 중 사고 가능성이 있고 충방전 시험을 하는 동안에 발생하는 정전 시에는 비상전원의 가동이 불가능 해지는 단점이 있다.
	VRLA 배터리의 단점은?	이러한 경우를 대비하여 UPS와 같은 비상전원이 널리 사용되고 있으며, 이러한 비상전원의 에너지 저장장치로서 VRLA (Valve Regulated Lead-Acid) 배터리가 널리 사용되고 있다. 그러나, VRLA 배터리는 그 성질의 비선형성으로 인해 그 건전성을 정확히 예측하기 어려우며, 단일 셀의 불량만으로도 전체 시스템의 성능 저하 및 서비스 중단을 초래할 수 있어 함께 사용되는 설비의 신뢰성을 크게 저해할 가능성이 상존한다. 특히, VRLA 배터리는 제조업체에 따라 27% ~ 86%의 고장이 발생하는 것으로 미국전력연구원 (EPRI, the Electric Power Research Institute)의 보고서에서 집계되고 있다 [1] .

참고문헌 (22)

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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