[논문]리튬이온커패시터를 활용한 비상유도등 예비전원장치의 동작 특성 및 점검방법 개선에 관한 연구

정준채

doi:10.15683/kosdi.2020.06.30.392

초록
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연구목적: 본 연구는 비상시의 예비전원장치로 사용 가능한 리튬이온커패시터의 동작 특성을 분석하고, 충·방전시의 선형비례특성을 이용하여 전압을 측정하는 것으로도 예비전원장치의 동작 이상 유무를 판단 할 수 있는 실험근거의 제공을 목적으로 한다. 연구방법: 본 연구를 위한 방법으로 먼저 기존 예비전원장치와 리튬이온커패시터에 대한 동작원리 및 특성을 분석하고, 다음으로 실험에 사용한 유도등의 구성도와 시스템 블록도에 따라 리튬이온커패시터의 전압 측정을 통해 배터리의 보유 전력량을 확인하는 전압대역별 방전전력량 측정 값 테스트와 유도등을 이용한 동작 테스트 실험으로 진행한다. 연구결과: 리튬이온커패시터의 선형비례특성을 이용한 충전전압을 확인하는 것만으로도 정확하게 유도등 램프의 유효동작 시간을 추론 할 수 있는 근거를 제시하고 있다. 결론: 재난 상황 시 리튬이온커패시터를 비상유도등의 예비전원장치로 사용함으로써 비상유도등의 완전 방전을 미연에 방지하고, 예비전원장치의 정상 작동 수행의 문제가 발생하지 않게 하며, 간단한 전압측정만으로도 예비전원장치의 이상 유무를 확인 할 수 있게 하여 향후 피난설비 적용에 많은 활용도를 제시하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: This study analyzes the operating characteristics of a lithium ion capacitor that can be used as a standby power supply in an emergency, and determines whether the standby power supply is abnormal even by measuring the voltage using a linear proportionality characteristic during charging an...

Purpose: This study analyzes the operating characteristics of a lithium ion capacitor that can be used as a standby power supply in an emergency, and determines whether the standby power supply is abnormal even by measuring the voltage using a linear proportionality characteristic during charging and discharging. The aim is to provide an experimental basis that can be done. Method: As a method for this study, first, analyze the operation principle and characteristics of the existing backup power supply and lithium ion capacitor, and then measure the voltage of the lithium ion capacitor according to the configuration and system block diagram of the induction lamp used in the experiment. We proceed with the test of the measured value of discharge power for each voltage band to check the amount of power held by the battery and the operation test experiment using induction lamps. Results: Just by checking the charging voltage using the linear proportional characteristics of lithium ion capacitors, it provides a basis for accurately inferring the effective operating time of induction lamp lamps. Conclusion: In the event of a disaster, the lithium ion capacitor is used as a spare power supply for emergency induction lamps to prevent complete discharge of emergency induction lamps, to prevent the problem of performing normal operation of the standby power supply, and to use only a simple voltage measurement to reserve power. It was intended to suggest many uses for evacuation equipment application in the future by making it possible to check whether the device is abnormal.

Keyword

표/그림 (14)

표 Table 1. Characteristics of Li-ion capacitor
그림 Fig. 1. Principle of Li-ion capacitor
그림 Fig. 3. Quick charge test results of Li-ion capacitor
그림 Fig. 4. Capacity retention rate for lifetime of Li-ion capacitor
그림 Fig. 2. Principle of Li-ion Battery
그림 Fig. 5. Capacity retention rate of Li-ion capacitor by temperature
그림 Fig. 6. Relationships between voltage and power of Li-ion capacitor (Linear)
그림 Fig. 7. System block diagram and configuration of emergency luminaires
표 Table 2. Experimental terms
그림 Fig. 8. Relationship graph and test photos with Li-ion capacitor voltage and power
표 Table 3. Test value of value power behavior by voltage broadband
표 Table 4. Applying motion test using induction
표 Table 5. Activity tests using induction
그림 Fig. 9. Lithium ion capacitor discharge graph

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 비상구를 안내하는 비상유도등에 사용되는 예비전원장치에 관한 것으로서, 리튬이온 이차전지와 같은 화학전지를 대신하여 급속충전이 가능하고 반영구적이며 배터리 보유전력량 확인이 가능한 리튬이온커패시터를 비상시의 예비전원장치로 사용하고, 리튬이온커패시터의 선형비례특성을 이용하여 전압을 측정 하는 것으로도 예비전원장치의 동작 이상 유무를 판단할 수 있는, 리튬이온커패시터를 활용한 비상유도등 예비전원장치의 동작 특성 및 점검방법 개선에 관한 연구이다.

제안 방법

, 2017). 이러한 단점을 보완하기 위해 Table 1과 같이 슈퍼커패시터와 리튬이온 이차전지의 특성을 결합한 리튬이온커패시터를 비상유도등의 예비전원장치로 제시 하고자 하였다.
본 연구를 위한 방법으로 먼저 기존 예비전원장치와 리튬이온커패시터에 대한 동작원리 및 특성을 설명하고, 다음으로 실험에 사용한 유도등의 구성도와 시스템 블록도에 따라 리튬이온커패시터의 전압 측정을 통해 배터리의 보유 전력량을 확인하는 전압대역별 방전전력량 측정 값 테스트와 유도등을 이용한 동작 테스트 실험을 진행하였다.

대상 데이터

6처럼 매우 일정한 선형비례 특성을 가지고 있어, 이 특성을 이용할 경우 리튬이온커패시터가 보유하고 있는 전력량을 전압의 간단한 측정만으로도 확인할 수 있는 이점이 있다. 선형비례 특성을 기반으로 Table 3처럼 리튬이온커패시터의 전압대역별 방전전력량을 계산하여, 이를 실제 측정한 전력량과 비교 검증 작업을 병행하고, 비상 유도등 예비전원장치의 점등 기준을 종지전압²⁾ 대신에 법정시간 동안 점등하는데 필요한 전력량을 보유하는 전압으로 실험하였다. Table 2의 실험적용조건을 적용한 전압대역별 방전전력량은 식 (1), (2)를 통하여 구 할 수 있다.

성능/효과

본 연구는 비상유도등의 예비전원장치인 리튬이온커패시터의 동작 특성을 검토하고, 리튬이온커패시터의 유효 동작시간 체크를 위하여 상용 교류전원을 차단하지 않은 상태에서 리튬이온 커패시터의 충전전압을 2~3초 정도의 매우 짧은 시간의 전압 검사만으로도 예비전원장치의 이상 유무와 유효 동작시간을 판단할 수 있었다. 리튬이온커패시터의 이상 발생 시점을 인지하는 전압대역을 2.
본 연구는 비상유도등의 예비전원장치인 리튬이온커패시터의 동작 특성을 검토하고, 리튬이온커패시터의 유효 동작시간 체크를 위하여 상용 교류전원을 차단하지 않은 상태에서 리튬이온 커패시터의 충전전압을 2~3초 정도의 매우 짧은 시간의 전압 검사만으로도 예비전원장치의 이상 유무와 유효 동작시간을 판단할 수 있었다. 리튬이온커패시터의 이상 발생 시점을 인지하는 전압대역을 2.65 V로 설정하면 예비전원 상태 점검을 위해 비상유도등의 예비전원이 완전히 방전되는 일이 발생하지 않으며, 예비전원 상태 점검 중이나 직후에 정전이 발생하더라도 비상유도등을 유효시간 이상 점등시킬 수 있었다.

후속연구

재난 상황 시에도 급속충전이 가능하고 반영구적인 특성을 가진 리튬이온커패시터를 비상유도등의 예비전원장치로 사용함으로써 비상유도등의 완전 방전을 미연에 방지하여 예비전원의 정상 작동 수행의 문제가 발생하지 않게 하고, 다른 피난시설에도 사용 가능한 리튬이온커패시터의 특성과 점검근거를 제시하여 향후 많은 활용도를 제시하고자 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비상유도등의 예비전원장치로 어떤 배터리가 사용되고 있는가?	종래의 비상유도등의 예비전원장치로는 알카리계, 리튬계 배터리가 사용 중인데 알카리계인 니켈카드뮴(Ni-Cd)배터리가 보편적으로 사용되고 있으며, 최근 리튬이온배터리 계열의 리튬인산철(LiFePO4)을 적용한 제품이 등장하는 등 리튬이온배터리의 적용 확대가 예상되고 있다(Electric Safety Test Institute, Korea Electric Safety Corporation, 1999). 그러나 리튬이온배터리와 같은 화학전지는 2~3년이라는 짧은 교체시기와 배터리의 충전 상태를 확인하기가 곤란하고, 배터리 폭발에 대한 우려 등 화학전지라는 태생적 제약에서 자유롭지 못하며, 최근에 부각되고 있는 슈퍼커패시터는 수명시간 측면에서는 장점을 가지고 있지만 에너지 밀도가 낮아 에너지 저장매체로서 큰 체적이 요구되고 가격이 높은 단점을 가지고 있다(Lee et al.
	예비전원장치의 점검 버튼을 눌러 점검하는 방법은 어떤 문제점이 있는가?	점검 버튼을 누르면, 상용 교류전원이 차단되면서 자동으로 예비전원장치가 동작하는지 여부를 점검하게 된다. 이러한 점검 방식은 점검버튼을 누르고 있는 시간 동안 예비전원장치가 전기를 방전하는 지만을 확인할 수 있는 점검 방법이기 때문에 비록 점검 당시 정상적으로 동작한다고 판단되더라도 이 배터리가 기준 시간 동안 유도등의 점등을 유지할 전원을 가지고 있는 것인지, 아니면 곧 방전될 것인지 여부를 파악할 수 없다는 것이다.
	리튬이온배터리와 같은 화학전지는 어떤 단점을 가지고 있는가?	종래의 비상유도등의 예비전원장치로는 알카리계, 리튬계 배터리가 사용 중인데 알카리계인 니켈카드뮴(Ni-Cd)배터리가 보편적으로 사용되고 있으며, 최근 리튬이온배터리 계열의 리튬인산철(LiFePO4)을 적용한 제품이 등장하는 등 리튬이온배터리의 적용 확대가 예상되고 있다(Electric Safety Test Institute, Korea Electric Safety Corporation, 1999). 그러나 리튬이온배터리와 같은 화학전지는 2~3년이라는 짧은 교체시기와 배터리의 충전 상태를 확인하기가 곤란하고, 배터리 폭발에 대한 우려 등 화학전지라는 태생적 제약에서 자유롭지 못하며, 최근에 부각되고 있는 슈퍼커패시터는 수명시간 측면에서는 장점을 가지고 있지만 에너지 밀도가 낮아 에너지 저장매체로서 큰 체적이 요구되고 가격이 높은 단점을 가지고 있다(Lee et al., 2017).

참고문헌 (5)

Choi, S.-G. (2007). A Study on the Change of Urban Railroad Safety Management Policy. Master of Engineering, Seoul National University.
Electric Safety Test Institute, Korea Electric Safety Corporation (1999). Electrical Safety Guidelines (ESG -6001) (ESG -6001), which is used for emergency contingency facilities, is an Electrical Safety. Korean Electric Safety Test Scientist, Gyeonggi Province.
Lee, B.-J., Choi, J.-H., Lee, S.-H. (2017). "Study on the explosion and fire of radium ion and radium polymer batteries." The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, Vol. 42, No. 4, pp. 855-863.

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Lee, H.-S., Kim, S.-G. (2016). "Experimental study on the explosion and humidity of the phone battery." Fire Science and Engineering, Vol. 30, No. 4, pp. 111-120.
Maeng, J.-C., Yoon, J.-R. (2015). "Behavior characteristics of a hybrid supercapacitor module above LED emergency induction." Journal of the Korean institute of electronic material engineers, Vol. 28, No. 7, pp. 473-479.

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