KR20030013701A

KR20030013701A - 무정전 전원 공급 장치의 축전지에 의한 런타임 제어 방법

Info

Publication number: KR20030013701A
Application number: KR1020010047845A
Authority: KR
Inventors: 남궁억; 변창수
Original assignee: 주식회사 파워로직스
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2003-02-15

Abstract

본 발명은 UPS의 가동 시간을 축전지의 용량에 맞추어 제어하는 무정전 전원 공급 장치의 축전지에 의한 런타임 제어 방법에 관한 것이다.

본 발명은 무정전 전원 공급 장치에 사용되는 축전지의 잔존용량을 측정하는 단계와; 무정전 전원 공급 장치에 연결되는 전기 부하에 공급되는 전류를 측정하는 단계와; 상기 단계에서 측정된 전류량과 축전지의 공칭 용량을 이용하여 축전지의 전체 용량을 산출하는 단계와; 축전지의 잔존용량을 산출하는 단계와; 축전지의 잔존용량을 부하에 공급되는 전류량으로 나누어 런타임을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 공급 장치의 축전지에 의한 런타임 제어 방법을 제공한다.

Description

무정전 전원 공급 장치의 축전지에 의한 런타임 제어 방법{Runtime Control Method of battery for Uninterruptible Power Supply System}

본 발명은 무정전 전원 공급 장치의 축전지에 의한 런타임 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 UPS의 가동 시간을 축전지의 용량에 맞추어 제어하는 무정전 전원 공급 장치의 축전지에 의한 런타임 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, UPS(Uninterruptible Power Supply System)는 무정전 전원 공급장치로써 상용 전원의 정전(순간, 장시간), 또는 순간적인 전압 강하, 과전압 및 주파수 변동, 주변기기 등에 의해 발생 유입되는 각종 노이즈(Noise) 등의 전원 장애로부터 컴퓨터 등과 같은 전기 부하에 양질의 안정된 정전압, 정주파수, 무정전 전원을 공급하는 장치이다.

고도 정보화 사회의 발전과 동반하여 컴퓨터에 의한 데이터 처리의 온라인화와 각종 OA/FA 시스템 및 통신시스템의 입체적 운용까지 여러 종류의 정보 처리가 광범위한 분야에서 구사되고 기능도 더욱 더 고도화되고 있다.

이런 고정밀 기기의 근원이 되는 전원이 매우 안정되어야 하나 전원측의 전압 변동에 영향을 받아 한순간에 사회적으로 중대한 사태를 일으킬 수가 있다. 여기서, 전압 변동에는 통상 발생하는 정상적인 순간 전압 강하, 순간 정전 및 고주파에 의한 파형 왜곡 등이 있다.

순간의 전압 변동에 민감한 전력 기기나, 고도의 하이테크 기기, 컴퓨터와 같은 시시각각으로 데이터를 교신하는 온라인 시스템에서는 중대한 사태가 일어날 수 있음을 쉽게 상상할 수가 있다.

이러한 사항들을 잘 감당하여 신뢰성을 높여 주는 전원 설비가 필요한데, 이 설비를 무정전 전원장치(UPS : Uninterruptible Power System)라 한다.

상기와 같은 기능을 가지는 UPS의 기본 구성은 도 1에 나타낸 바와 같이, 교류 전원을 특정 전압을 가지는 직류로 변환시켜 주는 정류부(1), 상기 정류부에 의하여 직류로 전환된 전압을 충전하고 방전하는 축전지(2), 상기 축전지(2)의 직류 전원을 공급받아 교류 전원으로 변환시켜 전기 부하에게 공급해 주는 인버터(3)로 이루어진다.

상기와 같은 기본적인 구성으로 이루어지는 UPS는 사용 전원의 순간 정전,정전, 전압변동, 주파수변동, 전압 파형 일그러짐 등에 의한 컴퓨터 및 응용 기기의 오동작이나 정지사고를 방지하기 위하여 사용되는 전원 장치이다.

정상 운전 시 상용 전원은 정류부(1) 및 충전기부의 반도체소자에 의하여 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 축전지(2)에 부동 충전을 시키는 동시에 인버터(3)로 공급되고, 인버터(3)는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 부하에 공급한다.

그리고, 입력 전원의 정전 또는 전압 변동 시에는 상용 전원이 정상적으로 UPS의 입력 측에 전달되지 않으므로, 인버터(3)의 전원을 축전지(2) 방전 허용 시간 동안 축전지(3)로부터 공급을 받아 부하에 무순단으로 안정된 전압과 주파수를 공급하게 된다.

또한, 입력 전원이 정상 복원 및 전압 안정 시에는 축전지(2)로부터 전력은 중단되고 상용 전원은 정류부(1)에 공급되어 방전된 축전지(2)를 재충전시키며 인버터(3)에 직류 전원을 공급하여 인버터(3)로부터 안정된 전압과 주파수를 정밀하게 공급하게 한다.

상기 UPS의 용량 표시는 피상전력이라는 VA로 표시하며, VA = A(전류) × V(전압), 유효전력은 W로 표시하며, W = VA(피상전력) × 역률, 따라서 VA = W / 역률(0.8)이다.

한편, 상기 UPS에 이용되는 축전지는 전기 부하의 전력 소모량과 최대 사용 시간, 그리고 축전지의 성능을 고려하여 그 용량을 결정해야 한다.

일반적인 축전지의 성능 또는 평가는 다음과 같은 항목을 기준으로 한다.

(1) 에너지 밀도(energy density; Wh/l) : 250 Wh/l, 300 Wh/l로 표시되는 용량 밀도는 얼마나 작게 만들 수 있는가를 결정하는 요소이다. 전지에 보면, 1200mAh, 1500mAh 등으로 표시되어 있는 것을 볼 수 있다. 이 것은 전류의 쏘스가 되는 전하량이다. 또한 전지에는 1.2V, 3.6V 등으로 전압이 표시되어 있다.

Wh = Ah 전하량) × V(전압)의 식에서 나온다. 예를 들어, 1000mAh에 3.6V 라고 하면 3.6Wh가 된다. 여기에 부피를 나누어주면 Wh/l의 에너지 밀도가 나온다.

(2) 스페시픽 에너지(specific energy ; Wh/Kg)는 얼마나 가벼운 전지를 만들 수 있는가에 대한 척도로 작용한다. 앞에서 구한 Wh를 전지의 무게로 나누며, 120Wh/Kg 등으로 표시된다.

(3) 사이클 라이프(cycle life) 축전지는 충방전을 계속하면서 용량이 줄어든다. 초기에는 1000mAh 이었던 용량이 몇백 번 충방전을 하면서, 700, 600, 500mAh로 줄어든다. 일반적으로, 사이클 라이프는 초기 용량의 60% 용량으로 용량이 줄어들었을 때까지의 충방전 회수로 정의한다. 예를 들어, 사이클 라이프가 500회라고 하면, 500번 충방전하면 용량이 줄어들어 전지를 교체해야 하는 것으로 알고 있는데 사실은 그렇지가 않다. 500회란 것은 100% D.O.D.에서 500회라는 것이다.

D.O.D.는 Depth Of Discharge의 약자로서, 용량이 1000mAh라고 하면, 1000mAh를 100% 다 소진하고, 충전했을 때에 사이클 라이프를 의미한다. 그러나, 실제는 70∼80% 사용하고 충전하는 것이 일반적이다. 80% D.O.D에서는 사이클 라이프는 2∼3배정도 증가된다. 이와 같이 사이클 라이프는 정의에 기초한 성능 항목이므로 해석 시 주의를 요한다.

(4) 레이트 퍼포먼스(Rate Performance) 보통 모터를 돌릴 때에는 고전류가 필요하다. 전지에 따라 고전류 방전에 강한 전지가 있고 그렇지 못한 전지가 있다. 이러한 성능 비교를 위하여 전지에서는 C-레이트(C-rate) 개념을 사용한다. C-레이트는 용량을 1시간만에 모두 방출할 때 흐르는 전류로 정의된다. 예를 들어, 1000mAh 용량의 전지에서, 1000mA의 전류로 방전하면 C-레이트 방전이다. 특히 리튬 이온(Li-ion) 전지의 경우는 레이티드 캐패시티(RC; Rated Capacity)란 용어를 사용한다. RC란, C/5(5시간동안 방전하여야 자기 용량을 다 소진할 때의 전류속도)로 방전했을 때의 용량을 100% 용량이라고 정의한다. C-레이트로 방전했을 때, 고전류에 의한 분극 현상 및 내부 저항 증가로 100% 의 용량을 방전하지 못한다. 예를 들어, "A" 라는 전지는 C-레이트에서 RC의 95%를 방전하고, "B" 라는 전지는 60%를 방전한다고 했을 때 "A" 가 "B" 보다 레이트 퍼포먼스가 좋다고 이야기할 수 있다. 레이트 퍼포먼스가 좋으면 상업화 가능성이 크다는 의미이며, 대부분의 차세대 전지의 공통적인 약점은 레이트 퍼포먼스이다.

(5) 작동 온도 구간 : 전지 카다로그를 보면, 방전은 -20℃ ∼ +60℃, 충전은 0℃ ∼ 40℃ 등으로 적혀 있다. 전지는 근본적으로 온도가 올라갈 수록 용량은 증대되지만, 사이클 라이프는 급격히 떨어진다. 인간이 가장 살기 좋은 온도인 20℃를 기준으로 정한다. 20℃에서 용량을 100%라고 정의할 때 저온에서 몇%의 용량이 방전되는가를 표시하는 방법으로 전지의 온도에 대한 적응력을 평가한다. 저온 특성이 나쁘다고 하여 저온에서 전지가 작동되지 않는다는 의미는 아니다. -20℃에서 상온의 50% 용량을 방전한다고 하면, -20℃에서 상온에서의 1000mAh 용량을 방전하던 전지가 -20℃에서는 500mAh만 방전한다는 의미이다.

(6) 자가방전 : 전지는 내부에 화학 물질을 다량 함유하고 있다. 그러므로, 그냥 방치하고 있어도 화학 반응에 의하여 용량이 줄어든다. 이런 현상을 자가 방전(self-discharge)이라고 한다. 자가 방전에는 두가지를 점검해야 한다.

리텐션 캐패시티(retention capacity)와 리커버드 캐패시티(recovered capacity)가 평가 항목이다. Retention capacity(Capacity retention)이란 예를 들어 45℃에서 전지를 한달 간 방치하였을 때 한달 후에 어느 정도의 용량이 없어지고 어느 정도의 용량이 남아있는가를 표시하는 항목이다. 자가 방전이 된 전지를 충전을 하여 방전시켜 보았을 때 용량이 100% 방전되는 것은 아니다.

자가 방전된 전지를 재충전하여 방전했을 때 용량의 몇 % 용량이 방전되는가를 나타내는 것이 recovered capacity이다. 일부 전지에서는 자가 방전으로 전압이 0V 가까이 되면 recovery가 안 되는 경우가 있다. 또한 자가 방전은 1차 전지에서도 문제가 된다. 1차 전지는 창고에 저장되어 있는 기간에 비례하여 용량이 감소되므로 장기 보관 시 냉동 창고에 보관해야 한다. 자가 방전은 온도가 높을 수록 자가방전 속도가 급격히 증가한다.

상기와 같은 특성을 가지는 전지의 용량 표시는 mAh로 한다. 이것을 해석하면 시간당 방전할 수 있는 전류를 나타낸다. 만약 500mAh라고 하면 500mA로 1시간동안을 방전할 수 있다는 뜻이 된다(단, 기준 용량은 0.2C 기준임). 만약, 이 때 RC처럼 5분에 방전을 하면, 12C = 60/5가 되고 정격 방전 전류는 0.5A(500mA) ×12C = 6A가 된다. 물론 전류가 그런 것이지, 절대적 용량은 같다.

여기서, 정격 용량을 1시간 동안 방전하거나 충전하는 단위를 1C라고 부른다. 다시 말하면, 2차전지의 시간당 용량(Ah)에 해당하는 전류, 즉 1Ah의 용량을 갖는 전지에 1A의 전류를 사용할 때 이것을 1C rate라고 합니다. 또한 여기에서 10C의 전류를 사용했다하면 용량의 10배인 10A를 흘렸다는 의미이다.

한편, 현재 설치 운용 중인 UPS는 정전 시 시스템 전체를 운용할 수 있는 시간 즉, 런타임(run time)을 예측하지 못하고 주먹구구식으로 알려 주는 정도이다.

예를 들면, UPS 사양 설계 시 런타임을 1시간 혹은 30분 같이 특정한 시간을 지정하는 것이 보통이다.

그러나, 이러한 설계 상의 런타임은 밧데리 용량이 100%일 때 시스템을 운용할 수 있는 런타임이기 때문에 밧데리의 용량이 80%인 경우에는 런타임보다 단축된 시간으로 시스템을 운용해야 하기 때문에 사용자가 설계 상의 런타임으로 작업을 수행한다면 시스템을 안전하게 셧다운시킬 수 없는 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 무정전 전원 공급 장치에 사용되는 축전지의 잔존용량을 계산하여 무정전 전원 공급 장치의 런타임을 정확하게 계산하여 시스템을 보호할 수 있는 무정전 전원 공급 장치의 축전지에 의한 런타임 제어 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 UPS 원리를 설명하기 위한 블록도,

도 2는 본 발명에 따른 무정전 전원 공급 장치 제어 방법을 설명하기 위한 순서도.

( 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 )

1 : 정류부2 : 축전지

3 : 인버터

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 무정전 전원 공급 장치에 사용되는 축전지의 잔존용량을 측정하는 단계와; 무정전 전원 공급 장치에 연결되는 전기 부하에 공급되는 전류를 측정하는 단계와; 상기 단계에서 측정된 전류량과 축전지의 공칭 용량을 이용하여 축전지의 전체 용량을 산출하는 단계와; 축전지의 잔존용량을 산출하는 단계와; 축전지의 잔존용량을 부하에 공급되는 전류량으로 나누어 런타임을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 공급 장치 제어 방법을 제공한다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 무정전 전원 공급 장치에 사용되는 축전지의 잔존용량을 측정하여 런타임을 정확하게 예측함으로써 시스템을 보호해 준다.

(실시예)

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부 도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

첨부한 도면, 도 2는 본 발명에 따른 무정전 전원 공급 장치 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

보통, 무정전 전원 공급 장치를 이용하여 시스템을 구동시키는 도중에 정전되어 상용 전원의 공급이 차단된 상태에서 UPS를 통하여 축전지에 의하여 전원이 공급될 때에 축전지의 잔존용량을 정확하게 산출하여 현재 시각 이후로의 런타임을 정확하게 계산할 필요가 있다.

이는 대부분의 시스템들이 동작 중에 갑자기 전원 공급이 차단되면 현재 운용 중인 데이터가 손실되기 때문에 안정적인 전원이 공급되는 동안에 충분한 절차를 거쳐서 셧다운할 필요가 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같이 UPS의 정확한 런타임을 산출하여 보다 안정적으로 시스템을 운용하기 위한 것이다.

일반적으로, 축전지의 용량은 축전지에 걸리는 전기 부하량에 따라 달라지 기 때문에 축전지의 동일한 잔존용량(SOC)이 있어도 부하량(LOAD)에 따라 런타임은 변한다.

즉, 런타임(hour) = f(SOC, LOAD)

정확한 런타임을 산출하기 위해서는 축전지의 현재 잔존용량(SOC)과 전기 부하에 공급되는 전류량(I_average)으로 전기 부하량을 측정한다(S 11, S 12).

그리고, 현재 전류에서 축전지의 공칭 용량을 참조하여(S 131) 실제 전체 용량(Ca)을 계산한다(S 13).

축전지는 부하에 따라 전체 용량 자체가 변하기 때문에 부하에 따른 축전지의 전체 용량 데이터 실험으로 구하던지 Peukert 식을 이용해서 구한다.

즉, Ca[Ah] = f(LOAD)

그리고, 현재 축전지의 잔존용량(SOC)에서 현재 축전지의 전체 용량을 곱해서 현재 남아 있는 잔존용량의 절대값[Ah]을 구할 수 있다(S 14).

즉, C_available[Ah] = Ca[Ah] ×SOC[%]/100

따라서, 무정전 전원 공급 장치의 런타임은 다음과 같다(S 15).

런타임[h] = C_available[Ah] / I_average[A]

끝으로, 정전 상태에서 무정전 전원 공급 장치를 계속 가동할 때에는 주기적으로 잔존용량을 확인하여 런타임을 산출한다(S 16).

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명은 무정전 전원 공급 장치에 사용되는 축전지의 잔존용량을 측정하여 런타임을 정확하게 예측함으로써 무정전 전원 공급 장치에 연결되어 있는 시스템을 안정적으로 운용할 수 있는 효과를 제공한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims

무정전 전원 공급 장치에 사용되는 축전지의 잔존용량을 측정하는 단계와;

무정전 전원 공급 장치에 연결되는 전기 부하에 공급되는 전류를 측정하는 단계와;

상기 단계에서 측정된 전류량과 축전지의 공칭 용량을 이용하여 축전지의 전체 용량을 산출하는 단계와;

축전지의 잔존용량을 산출하는 단계와;

축전지의 잔존용량을 부하에 공급되는 전류량으로 나누어 런타임을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 공급 장치의 축전지에 의한 런타임 제어 방법.