[논문]무정전 전원공급장치용 온라인 배터리 관리시스템 개발

남종하; 최진흥; 김승종; 김재웅

무정전 전원공급장치용 온라인 배터리 관리시스템 개발
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남종하 ((주) 파워로직스) , 최진흥 ((주) 파워로직스) , 김승종 ((주) 파워로직스) , 김재웅 ((주) 파워로직스)

UPS 시스템에서 정전시 안정적인 전력공급을 방해하는 요소의 대부분은 배터리의 불량이 차지하고 있다. 일반적으로 UPS 시스템에 적용되는 배터리는 일정시간이 경과되면 전체를 교체하는 관리시스템을 가지며, 주기적인 방전시험을 실시하지만 교체기준에 대한 명확한 방안이 마련되어 있지 않다. 일부에서는 배터리의 내부저항 혹은 임피던스를 측정하여 배터리의 교체여부를 판단하는 기준으로 삼고 있지만 배터리의 비선형적 특성으로 인하여 그 오차범위는 크다고 할 수 있다. 또한 배터리는 부동충전시에는 정상적인 특성을 보이지만 방전시 불량 특성이 나타나는 경우가 많고, 리튬-이온 배터리의 경우 내부저항은 수십$[m\Omega]$의 비교적 큰 값을 가지지만 UPS에 적용되는 납축전지의 경우 수$[m\Omega]$ 정도의 아주 낮은 내부저항을 가져 측정오차에 의해 불량 여부를 명확히 판단하지 못하는 경우가 있다. 본 논문에서는 이러한 문제점에 착안하여 평상시에는 배터리의 개별셀 전압, 온도, 전체전압 및 보관함의 온도, 충방전 전류, SOC(State of Charge)를 현장 및 원격지의 모니터링 PC로 전송하여 사용자에게 보여주며, 정전으로 인한 방전시에는 내부저항과 개별셀의 용량을 계산하고 이를 통해 교체시기를 결정할 수 있도록 구성되어 있으며, 실험을 통해 타당성을 확인하였다.

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문제 정의

또한 더 큰 문제점으로서는 사용 기간 중 발생되는 이상 셀을 발견하지 못해 정전 시 정상적인 전력공급에 차질이 생기는 경우가 종종 발생되었다. 본 논문에서는 이러한 점에 착안하여 무정전전원장치에 적용되는 밀폐형 납축전지의 교체 및 열화판 정을 위한 BMS를 개발하였다. 판정을 위한 방법으로서 는 정전 또는 주기적 방전시험 시 측정되는 내부저항을 이용하여 이상 셀을 판정하고, 방전 개시 후 30분 경과 시점 에서 셀 전압을 측정하여 용량으로 환산함으로써 정격용량대비 60[%]에서 교체를 하도록 구현하였다.

제안 방법

본 논문에서는 주기적 방전시험을 통해 셀 용량을 측정하는 방식을 채택하였으며, 시험 시간은 30분을 적용하여 최소화하였다. 따라서 기존의 방전시험에서의 완전 방전시험으로 인한 시간적 손실을 최소화하도록 구현하였다. 식 4는 방전 개시 30분 시점에서 축전지 정격용량에서 방전량을 계산하고 남아 있는 잔존용량을 계산하는 식이다.
UPS의 경우 방전전류의 크기는 부하의 사 용유무에 따라 다양하게 변화할 수 있다. 따라서 방전전류와 관계없이 일정한 내부저항을 계산하기 위해 식 1과 같이 방전 개시 후 1000[msec] 시점에서 내부저항을 계산하고, 표준시료의 방전전류별 내부저항 그래프로부터 식 2와 같이 근사화 수식을 유도하며, 식 3의 비례식을 통해 최대 전류에서 의 내부저 항으로 계산되도록 구현하였다. 그림 3은 내부저항 측정 알고리즘을 Matlab을 통해 계산되 어진 결과를 보여주고 있다.
또한 가장 큰 문제점으로서는 교체 시기 내에 발 생된 불량배터리를 검출할 수 있는 방안이 현재는 전무한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 물리적으로 측정 가능한 축전지의 전압, 온도, 전류를 측정하고 이를 이용하여 잔존용량, 부하율 등을 평상시 현장의 시스템 및 원격지의 PC에 항상 표시하고, 이상이 발생 시 팝업 (Pop-up) 창을 통해 관리자에게 경고를 보내며, 정전 혹은 주기적 방전시험 시 이 상셀 및 교체 시기를 판단할 수 있도록 내 부저항 측정 및 셀 용량 측정기능이 구현된 축전지 관리 시스템(Batter邳 Management System)을 개발하였다.
기존의 UPS 사용처에서는 일정 기간마다 주기적 방전 시험을 통해 보상 시간이 일정 시간 이하 시 전체 축전지를 교체함으로써 아직 사용 기간이 남은 축전지까지 교체됨으로써 많은 비용소모는 물론 폐축전지로 인한 환경오염이 발생하였다. 본 논문에서는 주기적 방전시험을 통해 셀 용량을 측정하는 방식을 채택하였으며, 시험 시간은 30분을 적용하여 최소화하였다. 따라서 기존의 방전시험에서의 완전 방전시험으로 인한 시간적 손실을 최소화하도록 구현하였다.
DC 측정법의 경우 AC 측정법에 비해 정확성이 다소 떨어지지만 시스템이 간소해지는 장점을 가진다. 본 시스템에서는 그림 1과 같이 부동 충전상태에서 정전으로 인한 방전이 진행 시 배터리의 내부저항에 의한 전압강하 (Voltage Drop)와 전류와의 관계를 통해 계산하는 DC 측정법을 사용하였다. 내부저항 계산 시점은 내부저항에 의한 전압강하와 분극 현상에 의한 전압강하와의 관계에서 내부저항만을 고려하기 위해 방전 개시 후 1000[msec] 시점에서 계산되었다.
이처럼 축전지의 열화 판정에 있어서 각각 다른 규정을 적용하고 있다. 본 시스템에서는 방전 시 DC 측정법에 의해 내부저항을 측정하고 특정 기준치 이상 시 이상 셀로 판정하며, 방전 개시 후 30분경 과시 점에서 예측된 용량을 기준으로 축전지의 교체를 실 시하도록 하였다.
(c) 는 제안된 축전지 관리시스템으로서 현장의 축 전지함에 설치된 외관이다. 본 시스템은 크게 Main Unit, Sensing Unit, Display Unit의 3부분으로 구성되며, 현장에서는 LCD 및 LED로 구성된 Display Unit을 통해 사용자에게 축전지 정보를 나타내고 하나의 Sensing Unite 축전지 8개당 하나가 적용되며, 축전지의 수가 늘어나게 되더라도 Sensing Unit만 증설하면 되도 록 구성되었다. 잔존용량, 내부저항, 셀 용량 등의 정밀도는 전압 정밀도와 밀접하게 연관되므로 정밀도를 높게 구현하였다.
실험은 사용 기간이 2년 경과된 납축전지를 16개 직렬로 연결하여 U頂S에 적용하였다. 본 시스템에서는 내부저 항의 경우 일반적으로 4~8[mQ]의 값을 가지며, 이 상셀 판정은 약 2.
본 시스템은 크게 Main Unit, Sensing Unit, Display Unit의 3부분으로 구성되며, 현장에서는 LCD 및 LED로 구성된 Display Unit을 통해 사용자에게 축전지 정보를 나타내고 하나의 Sensing Unite 축전지 8개당 하나가 적용되며, 축전지의 수가 늘어나게 되더라도 Sensing Unit만 증설하면 되도 록 구성되었다. 잔존용량, 내부저항, 셀 용량 등의 정밀도는 전압 정밀도와 밀접하게 연관되므로 정밀도를 높게 구현하였다.
본 논문에서는 이러한 점에 착안하여 무정전전원장치에 적용되는 밀폐형 납축전지의 교체 및 열화판 정을 위한 BMS를 개발하였다. 판정을 위한 방법으로서 는 정전 또는 주기적 방전시험 시 측정되는 내부저항을 이용하여 이상 셀을 판정하고, 방전 개시 후 30분 경과 시점 에서 셀 전압을 측정하여 용량으로 환산함으로써 정격용량대비 60[%]에서 교체를 하도록 구현하였다. 제안된 축 전지 관리시스템은 현장은 물론 원격지의 PC에서 실시간으로 축전지 정보의 모니터링이 가능하며, 이상 발생 시 Pop-up 창을 통해 사용자에게 알려줌으로써 모니터링 효율을 증대하였다.

대상 데이터

무정전전원장치에서 정전 시 부하에 안정적인 전력공급을 위해 에너지 저장요소로서 납축전지를 사용하였다. 하지만 UPS 및 축전지 제조사에서는 축전지의 교체기준이 마련되지 않았거나 적용 방법이 불분명하여 사실상 적 용처에서는 일정 기간이 경과하면 축전지 전체를 교체함으로써 비용적인 손실이 발생되었다.
본 논문에 적용된 납축전지는 12[V], 200[AH], 16개가 직렬로 구성되어 사용되었다. 일반적으로 배터리의 성능에 영향을 미치는 요소로서는 온도, 방전율' 중, 방전 사 이클 등 많은 변수들이 존재하게 된다.

성능/효과

5배인 20[mQ] 이상에서 이상 셀로 판정하며, 교체 시점은 정격용량에서 40[%] 감소된 6아:%]에서 실시하는 것을 기준으로 적용하였다. 시험 결과에서 내부 저항값은 5.0~5.9[mQ] 으로서 이상 셀이 존재하지 않음을 알 수 있으며, 용량의 경우 정격용량에서 약 15~20[%] 정도 감소된 상태임을 알 수 있다. 앞서 실시한 용량시험 및 시뮬레이션에 사용된 #13~16의 결과와 실험결과를 비교를 그림 5에 나타내었으며, 각 항목별 값의 최대 오차는 약 3[%] 이내임을 알 수 있다.
판정을 위한 방법으로서 는 정전 또는 주기적 방전시험 시 측정되는 내부저항을 이용하여 이상 셀을 판정하고, 방전 개시 후 30분 경과 시점 에서 셀 전압을 측정하여 용량으로 환산함으로써 정격용량대비 60[%]에서 교체를 하도록 구현하였다. 제안된 축 전지 관리시스템은 현장은 물론 원격지의 PC에서 실시간으로 축전지 정보의 모니터링이 가능하며, 이상 발생 시 Pop-up 창을 통해 사용자에게 알려줌으로써 모니터링 효율을 증대하였다.

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