윤용호
(Yong-Ho Yoon)
†iD
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
Uninterruptible Power Supply, Lead-acid Battery, Battery Management System, Condition diagnosis, Monitoring
1. 서 론
리튬이온 배터리와 같은 이차전지의 발달로 인해 기존에 사용되던 납축전지(Lead-acid)의 소비가 줄어드는 추세이다. 그러나 내연기관 차량의 배터리,
무정전 전원 공급장치(UPS), 통신 장비 등 여러 분야에서는 여전히 납축전지가 사용된다. 리튬이온(Li-ion) 배터리는 높은 에너지 밀도를 제공하지만,
충전 및 방전 중에 과열, 과충전, 과방전 등에 의해 화재 및 인명피해를 입을 수 있다.
따라서 리튬이온 배터리의 상용화와 함께 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System) 기술이 급격히 발전하게 되었다[1]. 하지만 리튬이온 배터리와 비교하였을 때 납축전지는 비교적 안전하며 폭발 및 화재에 대한 위험이 낮으며 온도 변화에 대한 저항력이 강하기 때문에
리튬이온 배터리에 비해 배터리 관리 시스템(BMS)에 대한 필요성이 낮은 실정이다[2]. 하지만 납축전지의 충전 상태, 온도, 전압, 전류 등을 모니터링하고 관리할 수 있는 배터리 관리 시스템(BMS)을 납축전지에도 적용하면 배터리의
수명과 성능 및 안전성을 향상시킬 수 있다.
2023년 세계 납축전지 시장규모는 약 583억 달러로 추산되며, 2021년의 448억 달러와 비교하였을 때 상승하고 있다[3]. 이는 주로 전기자동차, 재생 에너지저장시스템, 데이터 센터와 같은 응용 분야에서 지속적인 사용의 원인으로 볼 수 있다. 또한 납축전지의 높은 신뢰성과
저비용으로 인한 관련 산업 분야에서의 중요한 역할로도 해석할 수 있다. 따라서 신흥국의 산업화와 도시화로 인해 납축전지의 수요는 계속해서 증가할 것으로
예상된다.
본 논문에서는 철도 역사(驛舍)에 정전 시 비상조명과 전기설비의 정상운영과 상시운전을 위해 사용되고 있는 무정전전원장치(UPS, Uninterruptible
Power Supply)에 적용할 수 있는 배터리 관리 시스템을 제작하였다. 이를 통하여 개별 납축전지의 상태진단 및 모니터링을 하여 수명 및 고장상태를
진단하고 화재 및 파열을 예방함으로써 무정전전원장치(UPS)의 안정성과 효율적 운전을 도모하고자 한다.
2. 철도 역사(驛舍)용 무정전전원장치(UPS)
비상전원을 공급하기 위해 역사(驛舍)에 설치된 무정전전원장치(UPS)는 국가철도공단 설계지침에 따라 비상시 원활한 전원공급을 위해 원격으로 상태진단
및 모니터링할 수 있어야 한다[4]. 이에 따라 본 논문에서는 무정전전원장치(UPS)의 상태를 모니터링하여 비상시 부하가 정상 동작할 수 있도록 무선통신을 활용한 모니터링 환경을 조성하였다.
또한 역사(驛舍) 내 무정전전원장치(UPS)의 사용전압인 110[V]에 맞춰 공칭전압 2[V]의 납축전지 55개를 직렬연결 구조로 적용하였다. 따라서
개별 납축전지의 상태진단과 모니터링을 통해 무정전전원장치(UPS)의 안전성을 향상시키고 효율적인 운전상태를 유지하고자 한다.
3. 납축전지 배터리 관리 시스템(BMS)
배터리 관리 시스템은 배터리의 상태를 실시간으로 모니터링하고 이를 제어하여 배터리의 최적 성능을 유지하도록 도와주는 기술이다. 충ㆍ방전 상태, 온도,
전압, 전류 등을 정확하게 파악하여 과전압, 과전류 등 특이 상태로부터 배터리의 이상 상태를 예방하고 이를 통해 납축전지의 효율성을 극대화하며 수명을
연장하고자 한다.
3.1 배터리 보호 기능
이차전지 배터리를 사용하면서 가장 흔하게 발생하는 사고 중의 하나가 배터리의 과충전, 과방전에 의한 파열, 파손이며 이는 주로 화재 및 인명피해로
이어지는 결과를 초래한다. 따라서 배터리 관리 시스템에서 개별 배터리의 전압, 전류를 측정하고 이를 토대로 차단 및 보호 범위를 설정하여 안전성을
높여주는 역할을 한다.
표 1은 본 논문에서 사용하는 납축전지의 전압범위를 토대로 충ㆍ방전에 사용되는 배터리 양방향 DC 전원 공급장치의 차단 및 복귀범위로 설정하였다[5].
표 1 BMS 사양
Table 1 BMS specifications
|
Parameter
|
Value
|
|
과충전 차단
|
2.20~2.25V±25mV per cell
|
|
과충전 복귀
|
2.10~2.20V±25mV per cell
|
|
과방전 차단
|
1.60~1.55V±25mV per cell
|
|
과방전 복귀
|
1.80~1.70V±25mV per cell
|
|
과온도 차단
|
45~50℃±1℃ per cell
|
|
과온도 복귀
|
40~45℃±1℃ per cell
|
3.2 상태진단 및 실시간 모니터링
그림 1은 무정전전원장치(UPS)에서 사용되고 있는 전체 납축전지(55개)의 상태진단 및 모니터링의 결과를 확인할 수 있는 GUI를 보여주고 있다. 납축전지
배터리 관리 시스템에서는 개별 및 전체 납축전지의 상태진단을 할 수 있도록 설계하였다. 전체 배터리에 대한 출력[kWh], 전압[V], 전류[A],
충방전율[C], SOH[%], SOC[%]에 대한 상태진단을 할 수 있다.
또한 선로의 누설전류[A], 절연저항[mΩ], 배터리 평균 내부저항[Ω]을 측정하여 납축전지의 수명 및 고장상태를 진단할 수 있도록 하였다. 추가로
납축전지의 화재 및 파열을 예방하기 위해 55개 개별 납축전지 중 온도에 대한 최대값[℃]과 최소값[℃], 이들 온도에 대한 온도편차[℃]에 대한
상태진단을 모니터링 할 수 있도록 구성하였다.
그림 1. 납축전지 상태진단 및 모니터링
Fig. 1. Lead acid battery condition diagnosis and monitoring
4. 납축전지 상태진단을 위한 설계
4.1 전체 납축전지 전압, 전류, 절연저항 측정
배터리 관리 시스템에서 모니터링하는 배터리 전체 전압, 전류, 출력, 누설전류, 절연저항 등은 개별 단위로 측정하기보다는 전체 회로 배선 상에서 측정하는
방식을 주로 사용된다. 따라서 전체 납축전지의 항목별(전압, 전류, 출력, 누설전류, 절연저항 등) 측정을 위해 결선된 회로도를 그림 2에서 보여주고 있다.
55개의 납축전지가 직렬로 연결된 선로에서 전류 및 누설전류센서를 사용하여 원격단말장치(RTU)에서 판독 및 각 측정값을 나타내었다. 또한 절연저항
측정장치(IMD)를 이용하여 선로의 절연저항값을 RS-485 통신을 통해 원격단말장치에 전달할 수 있도록 하였다.
그림 2. 전체 납축전지 전압, 전류, 절연저항 측정을 위한 구성도
Fig. 2. Configuration diagram for measuring overall lead acid battery voltage,
current, and insulation resistance
4.2 개별 납축전지의 전압, 온도 측정
사용한 55개의 납축전지에 대해 각각의 전압과 온도를 측정하기 위해 그림 3의 회로를 적용하여 납축전지의 상태를 진단할 수 있도록 설계하였다.
부하 적용을 통한 무정전전원장치(UPS)가 동작 시 납축전지의 출력전압 1.8~2.2V는 그림 3의 회로에 인가되어 3.3V의 전압으로 승압되어 무정전전원장치(UPS) 하드웨어의 공급전원으로 사용된다. 또한 회로를 거쳐 전압이 승압 되기 전 납축전지
개별 전압을 측정하여 모니터링의 결과로 보여주고 있다.
그림 4는 주변온도와 납축전지의 온도를 측정하기 위해 설계된 온도측정 회로를 보여주고 있다. 납축전지 양극(+, -)의 온도를 측정하여 원격단말장치(RTU)를
통하여 55개의 개별 납축전지의 온도 상태를 모니터링할 수 있다.
그림 3. 개별 납축전지 전압측정 및 전압승압 회로
Fig. 3. Individual lead acid battery voltage measurement and voltage boosting circuit
그림 4. 주변온도 및 납축전지 온도측정 회로
Fig. 4. Ambient temperature and lead acid battery temperature measurement circuit
4.3 개별 배터리 내부저항 측정
현재 배터리의 수명을 측정하는 방식은 충전상태(SOC, State of Charge)를 통한 방식과 배터리 내부저항을 토대로 배터리의 수명을 측정하는
방식이 존재한다[6]. 본 논문에서는 납축전지의 수명을 확인하여 효율적인 이용을 도모하고자 내부저항을 측정하기 위하여 내부저항 측정회로를 그림 5와 같이 설계하였다.
그림 5에서 납축전지의 내부저항을 측정하기 위해 전류소모용 1Ω 저항과 전류측정용 션트저항을 연결하여 TR 동작 시 전류 측정 IC를 통해 전류값(I)을
측정할 수 있다. 따라서 납축전지 내부저항(Ri)는 식 (1)로 정리할 수 있으며 전류소모용 1Ω 저항에 의해 발생하는 전압강하를 반영하여 식 (2)와 같이 납축전지의 전압값(Vi)을 정리할 수 있다. 이러한 내용을 기반으로 납축전지의 내부저항 값을 식 (3)으로 정리할 수 있다.
Ri : 납축전지 내부저항
Voc : 납축전지 무부하시 전압
VL : TR 동작하여 1Ω 저항 연결로 인한 전압강하 값
I : TR 동작하여 1Ω 저항 연결된 상태로 전류측정 IC에서 측정된 전류값
그림 5. 납축전지 내부저항 측정회로
Fig. 5. Lead acid battery internal resistance measurement circuit
4.4 개별 배터리 내부저항 측정 통신
개별 납축전지에 대한 상태진단 정보를 수집 및 모니터링 하기 위하여 그림 6과 같이 철도 역사(驛舍)용 무정전전원장치(UPS)의 통신환경을 구성하였다. 납축전지에 대한 상태진단 및 모니터링 정보를 사용자가 알기 위해 55개의
개별 납축전지 측정 하드웨어를 설치하여 원격단말장치(RTU)와 연동하였다. 이때 무선통신으로 개별 납축전지의 정보를 수집하고 이 정보는 유선 LAN
통신으로 원격단말장치(RTU)에 개별 납축전지의 정보를 송신하도록 하였다. 또한 4.1~4.3절에서 설명한 절연저항, 납축전지 전압, 누설전류센서,
전류센서를 통해 측정된 값들은 원격단말장치(RTU)와 유선통신으로 데이터들을 전송하여 모니터링 정보로 확인할 수 있다.
개별 납축전지 측정 하드웨어를 통해 전송된 정보와 각 센서들을 통해 측정된 정보들은 원격단말장치(RTU)에서 확인할 수 있지만 철도 역사(驛舍)용에
맞게 사용자가 통합모니터링(PC)을 통해 추가로 확인할 수 있도록 설계하였다.
5. 납축전지 상태진단 및 모니터링 실험결과
그림 6. 개별 납축전지의 상태진단 및 모니터링을 위한 통신환경
Fig. 6. Communication environment for diagnosing and monitoring the status of individual
lead acid batteries
그림 7. 납축전지 상태진단 및 모니터링
Fig. 7. Lead acid battery condition diagnosis and monitoring
무정전전원장치(UPS)의 상태를 모니터링하여 비상시 부하가 정상 동작할 수 있도록 납축전지를 위한 배터리 관리 시스템을 본 논문에서 설계 제작하였다.
실험에 사용된 ROKET ESG 150-2 55개의 납축전지를 공칭전압 110V, 공칭용량 150Ah의 사양으로 결선하여 개별 납축전지의 상태진단
및 모니터링의 대한 결과를
그림 7에서 보여주고 있다.
그림 7(a)는 55개의 납축전지 중 14번, 52번 납축전지의 개별 측정 하드웨어와 원격단말장치(RTU) 간의 통신 실패로 인한 모니터링 실험결과를 보여주고
있다. 따라서 무정전전원장치(UPS) 에 사용되고 있는 55개의 개별 납축전지에 대한 상태정보에 대해 실시간으로 통신상태 유무를 통해 확인할 수
있다. 이때 통신상태에 따른 납축전지의 id로 표시한 번호의 색이 빨간색으로 표기되어 개별 납축전지의 측정 하드웨어와 원격단말장치(RTU) 간의 통신상태에
문제가 발생함을 사용자에게 알려주고 있다.
그림 8. 납축전지 충방전 실험 및 원격단말장치(RTU)를 통한 상태진단 실험결과
Fig. 8. Results of lead acid battery charging and discharging experiments and status
diagnosis through remote terminal unit (RTU)
반면에 그림 7(b)는 55개의 개별 납축전지의 측정 하드웨어와원격단말장치(RTU) 간의 정상적인 통신상태 시 모니터링 결과를 보여주고 있다. 개별 납축전지에 대한 전압상태(vol),
온도상태(Te), 내부저항(IR)의 상태를 실시간으로 확인하여 각 납축전지의 온도에 따른 화재 및 파열, 내부저항에 따른 수명 및 이상유무, 전압상태에
따른 효율적 운전 등을 점검할 수 있다.
무정전전원장치(UPS)의 상태에 대한 시스템 차원에서의 상태진단 및 모니터링에 대한 정보들에 대해 그림 7에서 보여주고 있는 항목별 상태진단을 다음의 내용으로 설명할 수 있다.
• 배터리 출력(kWh) : 측정된 전압과 전류의 곱으로 계산
• 배터리 전압(Vdc) : BMS와 결선되는 배터리 양단의 전압을 측정
• 충ㆍ방전 전류(±A) : 전류 CT(Current Transformer)를 통하여 측정 충전 시(+), 방전 시(-)로 부호를 통한 방향 표시
• 충ㆍ방전율(C-rate) : $\dfrac{충\bullet 방전전류({A})}{배터리의정격용량({Ah})}$
• 잔존량(%) : 전류적산법과 OCV를 통해 잔존량(SOC, States of Charge)을 계산
• 수명(%) : 내부저항을 측정하여 남은 수명(SOH, States of Health)을 계산
• MAXㆍMIN BATT(Vdc) : PCB 기판을 활용하여 측정한 전압을 토대로 최대ㆍ최소 전압값 표기
• MAXㆍMIN Volt(ID) : PCB 기판을 활용하여 측정한 전압을 토대로 최대ㆍ최소 개별 번호 표기
• 최대ㆍ최소온도(℃) : PCB 기판을 활용하여 배터리 주변온 도를 측정하여 최대ㆍ최소온도 표기
• 최대 온도편차(℃/ID) : 개별 배터리에 2개의 온도 센서를 통해 온도를 측정하고 온도의 편차가 가장 큰 배터리의 온도와 위치를 표기
• 누설전류(mA) : 누설전류 측정센서를 통하여 누설전류를 측정
• 절연저항(kΩ) : 절연저항 감시장치(IMD)를 통하여 절연저항을 측정
• 평균 배터리 내부저항(mΩ) : PCB 기판을 활용하여 내부저항을 측정
그림 8(a)~그림 8(b)은 철도 역사(驛舍)용 무정전전원장치(UPS)의 성능을 확인하기 위해 사용된 55개의 납축전지에 대한 충방전 실험결과를 보여주고 있다.
그림 8(a)는 공칭전압 2.2V를 가지고 있는 55개 직렬구조의 납축전지에 대한 충전 실험결과로 충전전류 15A, 충전종지전류 3A의 실험조건으로 수행하였다.
최초 충전된 전압 113V에서 15A의 정전류(CC) 모드로 충전진행 후 121V 충전 시 정전압(CV) 모드로 변경되는 과정을 볼수 있다. 또한
정전압(CV) 모드과정에서 설정한 충전종지전류 3A에 도달 시 충전종료와 함께 55개의 납축전지의 충전전압이 117.4V로 동작하고 있음을 보여주고
있다[7].
그림 8(a)를 통해 충전된 납축전지를 이용하여 방전전류 40A, 방전종지전압 93.5V(1.7V×55개) 방전실험조건에 대한 실험결과를 그림 8(b)에서 보여주고 있다. 방전 시작과 동시에 납축전지의 충전전압 117V는 106.7V로 방전이 진행되면서 이후 설정한 방전종지전압 93.5V까지 방전전류
40A의 정전류(CC) 모드로 방전이 진행되고 있음을 알 수 있다. 이후 방전종료와 함께 납전압이 105V의 전압으로 상승하면서 납축전지의 과방전
보호가 이루어지고 있음을 알 수 있다.
그림 8(b)를 통해 납축전지의 방전 시 원격단말장치(RTU)를 통해 실시간 상태진단 및 모니터링에 대한 결과를 그림 8(c)에서 보여주고 있다. 항목별 상태진단에 대한 세부결과 들이 납축전지 방전과 함께 모니터링을 통해 고장유무, 동작상태들의 결과들을 확인할 수 있다.
6. 결 론
본 논문에서는 철도 역사(驛舍)에 정전 시 비상조명과 전기설비의 정상운영과 상시운전을 위해 사용되고 있는 무정전전원장치(UPS, Uninterruptible
Power Supply)에 적용할 수 있는 배터리 관리 시스템을 연구하였다. 이를 통하여 개별 납축전지의 상태진단 및 모니터링을 하여 수명 및 고장상태를
진단하고 화재 및 파열을 예방할 수 있다. 따라서 역사(驛舍)에서 정전 및 비상시 무정전전원장치(UPS)의 신속한 사용과 안전성을 향상함으로써 효율적
운전 상태를 유지할 수 있다.
Acknowledgements
이 연구는 2024년도 광주대학교 대학 연구비의 지원을 받아 수행되었음.
본 과제(결과물)는 2024년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업의 결과입니다.(2021RIS-002)
References
Tan, X., “Real-Time State-of-Health Estimation of Lithium- Ion Batteries Based on
the Equivalent Internal Resistance,” IEEE Access, vol. 8, pp. 56811~56822, 2020.
Lyu, C., “A Lead-Acid Battery's Remaining Useful Life Prediction by using Electrochemical
Model in the Particle Filtering Framework,” Energy, vol. 120, pp. 975~984, 2017.
Fortune Business insights, “Market Report 2024, Lead Acid Battery Market Size,” 2024.
Korea National Railway, “Railway Design Guidelines and Handbook (KR Code, Information
and Communication Edition) Revised, KR I-07010 Power Equipment (221227, Rev6),” pp.
1~2, 2022.
S. C. Bang, and Y. H Yoon, “Performance and Reliability Analysis using Test Facilities
for Secondary Lithium-ion Batteries,” Trans. on KIEE, vol.72, no. 12, pp. 1789~1794,
2023.
J. B. Jung, M. G. Lim, N. H. Kim, H. J. Kim, and D. S. Rho, “A Study on Assessment
of Internal Resistance for Repurposing using Middle & Large sized Batteries,” Trans.
on KIEE, vol. 72, no. 6, pp. 717~723, 2023.
Y. H. Yoon, “Characteristics of Lead Acid Batteries through a Battery-Specific Bidirectional
DC Power Supply,” Trans. on KIEE, vol. 73, no. 4, pp. 749~755, 2024.
저자소개
received the Ph.D. degree in Mechatronics Engineering from Sungkyunkwan University,
Korea, in 2007. From 2007 to 2011, he was with Technical Research Institute of Samsung
Thales Company, Korea, as a senior researcher. Currently, he has been with Gwangju
University, where he is a professor in the School of Electrical & Electronic Engineering.
His research interests are in the areas of analysis and control of SRM and BLDC motor
and renewable of PV inverter.