KR100891896B1 - 무정전 전원공급장치에 사용되는 축전지의 교체시점판정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무정전 전원공급장치에 사용되는 축전지의 교체시점을 판정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 정상적인 축전지 표준시료를 사용하여 잔존용량과 전압의 관계식을 구하는 단계 1과; 직렬로 연결된 UPS의 축전지의 판정하고자 하는 셀의 전압과 지정된 측정시간동안의 평균방전전류를 측정하는 단계 2와; 단계 1의 관계식에 단계 2에서 측정한 전압을 대입하여 상기 판정하고자 하는 셀의 제 1 용량계산값을 계산하는 단계 3과; 정상적인 축전지 표준시료의 정격용량으로부터 단계 2에서의 지정된 측정시간 동안의 방전전류량을 제하여 셀의 제 2 용량계산값을 계산하는 단계 4와; 상기 제 1 용량계산값과 제 2 용량계산값에 의해 용량저하율을 결정하는 단계 5와; 상기 용량저하율의 값에 따라 교체시점을 결정하는 단계 6으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

방전시험, UPS, 교체주기

Description

무정전 전원공급장치에 사용되는 축전지의 교체시점 판정방법{METHOD OF DETERMINING REPAIR TIME FOR RECHARGEABLE BATTERY USING UPS}

도 1은 잔존용량과 전압의 관계를 나타낸 도.

도 2는 UPS의 개별 축전지 셀의 전압을 측정하는 형태를 나타낸 도.

본 발명은 무정전 전원공급장치(Uninterrupted Power Supply, 이하 'UPS'라 함.)에 사용되는 축전지의 교체시점을 판정하는 방법에 관한 것이다.

갑작스런 정전에 의한 손실을 방지하기 위하여 각종 전기기기에는 UPS를 부착하여 사용하는 경우가 많은데, UPS는 평상시에 공급되는 전원을 전기기기에 공급하면서 내부의 축전지를 충전해 두었다가 정전시에는 축전지로부터 전기기기에 전원을 공급하도록 하는 것이다.

UPS는 통상 내부에 직렬로 연결된 복수 개의 납 축전지를 사용하는데 이러한 납축전지의 교체시기를 정확하게 판정하지 못하면 갑작스런 정전시 축전지가 사용에 의해 완전히 방전되어 UPS가 제 기능을 다하지 못하는 경우가 발생하게 된다.

이러한 납 축전지의 교체시점을 판정하기 위해 내부저항 측정법, 용량측정법, 주기적 방전시험 등의 방법이 알려져 있다.

내부저항 측정법에 의해 교체시점을 판정하는 경우에는 IEEE(Institute of Electrical and Electronic Enginners) 규정에 밀폐형 납축전지 기술기준, 관리운영 및 유지보수 기준이 정해져 있다.

이 규정에 의하면 축전지 제조사에서 제시한 정격용량을 기준으로 용량 저하율이 80%인 시점인 수명종료시점에서 축전지를 교체토록 되어 있지만, 실제 용량을 측정하기 위해서는 충방전기가 필요하며, 그 측정시간이 오래 소요된다는 단점이 있다. 그래서, 이러한 시험상의 단점을 보안하기 위하여 임피던스 혹은 내부저항을 측정한 뒤 측정값이 정격치보다 120%를 상회하는 경우 용량이 80%로 저하되었다고 판단하여 교체토록 권고하고 있다.

그러나, 축전지는 충전이나 방전이 일어나지 않는 비활성 상태에서 고유의 특성이 잘 나타나지 않고, 충전 또는 방전이 일어나는 활성상태에서만 고유의 특성이 나타나는 경우가 많아서, 임피던스 또는 내부저항이 높게 나타난 배터리에서도 실지 용량은 정상적인 경우가 있고 이에 따라 필요없이 축전지를 교체하는 낭비요 인도 발생하게 된다.

상기와 같은 이유 때문에 축전지 제조사에서는 용량측정법에 의해 축전지의 교체주기를 설정하여 권고하는 경우가 많고, 교체시점은 UPS에 사용되는 축전지의 경우 약 3~5년 정도로 설정되며 이 시기가 되면 무조건 교체하는 낭비요인이 발생하게 된다.

또한 주기적 방전시험이란, 사용자가 임의로 UPS의 입력전원을 차단하여 축전지를 통하여 전력을 공급시 완전방전에 이르는 시간을 측정하여 정상인지를 점검하는 방식인데, UPS의 용량에 따라 방전시간이 매우 오래 걸리는 경우가 많고, 불량판정이 되면 축전지의 전체를 교체하는 낭비요인이 발생하게 된다.

상기와 같은 교체시점 판정방법은 개개의 축전지의 교체시기를 파악하지 못하여 정상적인 축전지까지 교체하는 낭비요인이 있을 뿐만 아니라, 납 성분이 다량 함유된 폐축전지에 의해 환경이 오염될 우려도 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, UPS내의 각 축전지의 교체시기를 개별적으로 판단하도록 하여 수명종료시점에 달한 축전지만을 교체하도록 할 수 있는 축전지의 교체시점 판정방법을 제공하는 것을 목적으 로 한다.

본 발명의 UPS에 사용되는 축전지의 교체시점 판정방법은

정상적인 축전지 표준시료를 사용하여 잔존용량과 전압의 관계식을 구하는 단계 1과;

직렬로 연결된 UPS의 축전지의 판정하고자 하는 셀의 전압과 지정된 측정시간동안의 평균방전전류를 측정하는 단계 2와;

단계 1의 관계식에 단계 2에서 측정한 전압을 대입하여 상기 판정하고자 하는 셀의 제 1 용량계산값을 계산하는 단계 3과;

정상적인 축전지 표준시료의 정격용량으로부터 단계 2에서의 지정된 측정시간 동안의 방전전류량을 제하여 셀의 제 2 용량계산값을 계산하는 단계 4와;

상기 제 1 용량계산값과 제 2 용량계산값에 의해 용량저하율을 결정하는 단계 5와;

상기 용량저하율의 값에 따라 교체시점을 결정하는 단계 6으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 그 실시예에 따라 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 실시예는 16개가 직렬로 연결된 12볼트 200AH의 축전지이다.

상기 단계 1에서의 정상적인 축전지 표준시료를 사용하여 잔존용량(SOC, State of Charge)과 전압(V)의 관계를 구한 도 1을 표현하면, 시판중인 오리진(Origin)과 같은 데이터 분석프로그램에 의해 아래 식(1)과 같이 볼츠만 식(Boltzmann Equation)으로 표현될 수 있다.

여기서, A₁,A₂,x₀,dx는 볼츠만 식에서의 상수이다.

도 2에 표시한 바와 같이 각 배터리 셀에 릴레이를 설치하여 판정하고자 하는 셀의 전압(V_out)을 측정할 수 있으며, 또한 전류센서를 사용하여 UPS가 방전이 일어나는 동안의 전류를 측정하여, 지정된 측정시간(t_hr)동안 측정된 전류를 바탕으로 평균방전전류를 구할 수 있다.

판정하고자 하는 셀의 측정된 전압(V_out)을 식(1)의 V에 대입하고, 정상적인 축전지 표준시료의 정격용량 C_full을 곱하면 식(2)와 같이 제 1 용량계산값 C₁을 구할 수 있다. 제 1 용량계산값 C₁은 판정하고자 하는 셀의 전압에 따라 계산되는 것이므로, 판정하고자하는 셀의 실제 용량과 같은 것이다.

다음으로, 지정된 측정시간(t_hr) 동안 측정된 평균방전전류(I_avg)를 정상적인 축전지 표준시료의 정격용량 C_full 에서 제하면 제 2 용량계산값 C₂를 식 (3)과 같이 구할 수 있게 된다. 제 2 용량계산값 C₂는 정상적인 축전지 표준시료에서 실제 방전량(I_avg × t_hr)을 제한 값이므로, 정상적인 축전지 표준시료에서 방전량만큼 방전된 후 남게되는 용량과 같다.

C₂ = C_full - (I_avg × t_hr) ............(3)

판정하고자 하는 셀이 열화되었다면, 전압(Vout)이 작게 측정되며 이에 따라 실제 용량인 제1용량계산값 C1이 정상적인 축전지 표준시료에서의 남은 용량인 제2용량계산값 C2보다 작게 계산될 것이며, 측정중 잔존용량이 감소하고 전압(Vout) 역시 감소하므로, 측정종료시점에서의 전압을 사용하여야 보다 정확한 결과를 얻을수 있음은 당연하다 할 것이다.
따라서, 상기 식(2)와 식(3)에서 구한 제 1 용량계산값(C1)과 제 2 용량계산값(C2)를 사용하여 다음 식(4)와 같이 용량저하율 C를 구할 수 있게 된다.

C(%) = C₁ / C₂ × 100 .............(4)

상기와 같이 구하여진 용량저하율 C가 60~80%이하가 되면 해당 축전지 셀은 교체시점이 된 것으로 판단할 수 있게 된다.

상기와 같이 교체시기를 판단하게 되면, UPS가 완전방전될 때까지 소요되는 시간만큼 시험을 하지 않고도, 지정된 측정시간(t_hr)만큼만 측정하여도 교체시기를 판단할 수 있기 때문에 방전시험의 시간을 단축할 수 있게 된다.

또한 지정된 측정시간(t_hr)을 얼마만큼 지정하는가에 따라 식(4)에서 얻어진 용량저하율은 변경될 수 있는데, 이때는 이를 보완할 수 있는 각 지정된 측정시간(t_hr)이 10,20,30,40분 정도로 시험한 값과 완전방전시까지의 값을 비교하여 결정되는 시간보상상수(T_con)를 더 고려하여 식 (5)와 같이 사용하는 것도 바람직하다.

C(%) = C₁ / C₂ × T_con × 100 .............(5)

본 발명에 의하면, 주기적 방전시험에 있어서 UPS가 완전방전에 이르기까지 계속 방전할 필요없이 일정시간만 방전하여도 해당 축전지 셀의 용량저하율을 판단할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 정상적인 축전지 표준시료를 사용하여 잔존용량(SOC)과 전압(V)의 관계를 구하며, 구해진 잔존용량과 전압의 관계로부터, 전압을 독립변수로 하며 잔존용량을 종속변수로 하는 관계식을 구하는 단계 1과;

   직렬로 연결된 UPS의 축전지의 판정하고자 하는 셀의 전압(V_out)과 지정된 측정시간(T_hr) 동안의 평균방전전류(I_avg)를 측정하는 단계 2와;

   단계 1의 관계식에 단계 2에서 측정한 전압(V_out)을 대입하여 계산한 판정하고자 하는 셀의 잔존용량과 정상적인 축전지 표준시료의 정격용량(C_full)을 곱하여 얻어지는 상기 판정하고자 하는 셀의 제 1 용량계산값(C₁)을 계산하는 단계 3과;

   정상적인 축전지 표준시료의 정격용량(C_full)으로부터 단계 2에서의 지정된 측정시간(T_hr) 동안의 방전전류량(T_hr× I_avg)을 제하여 구해지는 판정하고자 하는 셀의 제 2 용량계산값(C₂)을 계산하는 단계 4와;

   상기 제 1 용량계산값(C₁)의 제 2 용량계산값(C₂)에 대한 비율에 따라 판정하고자 하는 셀의 용량저하율(C)을 결정하는 단계 5와;

   상기 용량저하율의 값에 따라 판정하고자 하는 셀의 교체시점을 결정하는 단계 6으로 이루어진 것을 특징으로 하는 UPS에 사용되는 축전지의 교체시점 판정방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 단계 1의 잔존용량(SOC)과 전압(V)의 관계식은

   

   (여기서, A₁,A₂,x₀,dx는 상수)

   로 표현되며,

   상기 제 1 용량계산값(C₁)은, 판정하고자 하는 셀의 측정된 전압(V_out)을 상기 식(1)에 대입하고 정상적인 축전지 표준시료의 정격용량(C_full )을 곱하여,

   

   상기 식(2)와 같이 구하는 것을 특징으로 하는 UPS에 사용되는 축전지의 교체시점 판정방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   단계 5의 제 1 용량계산값(C1)과 제 2 용량계산값(C2)에 의해 용량저하율(C)을 결정하는 식은

   C(%) = C₁ / C₂ × 100

   인 것을 특징으로 하는 UPS에 사용되는 축전지의 교체시점 판정방법.

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