::::::: H-시리즈 신기술 배터리 관리 시스템 :::::::


 

UPS에서 가장 중요한 부분은 정전이 되었을 경우 얼마나 오랜 시간 동안 안정적으로 전기를 공급하여 주느냐에 달려 있습니다. 이 전기를 공급하는 원천은 바로 배터리입니다. 배터리는 평상시에 충전기에 의하여 충전이 되고 정전이나 비상 시에 배터리에서 방전을 통하여 전기를 발생 공급하게 됩니다. 이런 이유 때문에 UPS에서 가장 중요하게 생각되는 부분이 배터리입니다. 한 대의 UPS에는 다수개의 배터리가 직렬 또는 병렬로 연결되어 보다 장시간 전기를 공급하도록 되어 있습니다. 그런데 이 다수의 배터리 중에 하나만 문제가 있어도 전기를 공급하지 못하거나 매우 짧은 시간동안만 전기를 공급하고 꺼지는 불상사가 발생할 수 있습니다. 좋은 충전 기술을 통하여 충전을 하여 주면되지만 다수의 배터리는 각각이 가진 약간의 편차가 있고 이 편자는 시간이 지날수록 점점 더 벌어지게 됩니다. 그리고 그 불량에 대한 판단은 매우 어렵습니다. 배터리 관리 시스템은 다수의 배터리를 개별적인 관리를 통하여 모두 동일한 상태 즉, 최상의 충전과 방전이 되고 각 배터리간의 편차가 생기지 않도록 관리하고 유지하여 주는 역할을 수행하게 됩니다.  이로 인해 에측하지 못한 내부 배터리의 사전 관리 예방을 할 수 있으며 배터리의 사용 연한을 늘려주는 부수적인 효과도 얻을 수 있습니다. 아래의 보다 상세한 내용을 통하여 배터리 관리시스템에 대한 이해를 하시기 바랍니다.

 

 

 

최근 출시한 배터리 관리 시스템인 BACS에서는 통상 BMS라고 불리는 전통적인 배터리 관리 시스템에서는 볼 수 없었던 균등 분배(Equalizing)라는 특허 신기술을 가지고 있다. 본 제품에 대한 상세한 분석을 본 글을 통하여 하고자 한다. 배터리의 치료적 개념을 도입하여 장시간 연속하여 배터리를 사용하는 경우 예측할 수 없는 배터리의 불량을 미연에 방지할 뿐만 아니라 개별 배터리가 최적의 충전과 방전을 할 수 있도록 관리하여 배터리가 최대의 충전 용량과 수명 연장 그리고 안정성을 확보할 수 있도록 한다고 한다.
 

 

 

::::::: BACS의 개략적인 구성 분석 :::::::


 

 

 

자가 조정 

UPS를 비롯한 기기들은 다수의 배터리를 직렬 또는 병렬 구성하여 하나의 배터리 집합체를 형성한다. 배터리의 관리는 충전과 방전을 통하여 이뤄지며 전체 배터리가 통상 하나의 배터리처럼 동작한다. 그러나 각각의 배터리들은 고유한 특성과 편차를 가지고 있으며 배터리가 일을 하도록 하는 부하가 걸리면 방전이 되고 부하가 제거되면 다시 충전을 하여 대기 상태로 돌아간다. 이 충전과 방전을 할 때 각각의 배터리들은 그 편차가 심화되고 나중에는 극복할 수 없는 단계에 이르게 된다. 자가 조정 기능은 부하, 충전, 방전 때에 배터리 상태 상호 간에 편차없이 최적화를 유지하도록 각각의 배터리가 자동으로 최적 조정하여 전체적인 조화를 이루도록 한다.



지능적인 충전 분배

동일한 유형과 용량을 가지고 같은 회사에서 생산된 배터리들이라 하더라도 일단 충전이 시작되면 배터리 간의 편차가 서서히 발생하게 되고 충,방전이 반복될수록 그 차이는 늘어나게 된다. 결국 나중에는 특성이 좋지 못한 배터리로 인하여 전체적인 방전 용량이 줄어들게 되거나 동작 불능 상태에 빠지게 된다. 이런 문제를 해결하기 위하여 개발된 것이 바로 지능적인 충전 분배 기능이다. 이것은 배터리 간의 지능적인 충전 상태 조정을 통하여 각각의 배터리들이 과다 충전이나 부족 충전이 되는 현상을 막고 모든 배터리가 거의 균등한 상태로 안전하게 충전되도록 한다. 충전 분배는 전체 시스템 동작 불능의 원인이 되는 약한 결합( Weak link in the chain) 현상을 막아주고 자가 조정 기능 그리고 안티 에이징 기능과 결합하여 UPS 제조업체에서 언급한 배터리 용량보다 20% 이상이 증가하는 결과를 가지게 된다.
 


측정과 분석

배터리의 상태가 좋은지 나쁜지는 배터리의 전류, 내부 저항, 충/방전에 따른 온도 그리고 충전 주기를 측정하면 알 수 있고 배터리 상태를 가장 정확하게 예측할 수 있다. 이 데이터를 통하여 각각의 배터리를 정밀 조정하고 제어할 수 있으며 배터리의 노후화 정도를 분석할 수 있다. 분석된 데이터를 바탕으로 불량 징후가 보이는 정상적이지 않는 배터리를 경고를 통하여 관리자에게 알려주고 사전에 미리 교체할 수 있도록 한다. 측정과 분석을 통하여 불량 배터리로 인하여 실 부하가 걸릴 때 발생하는 전체 시스템 불능 상태를 거의 완벽하게 예방할 수 있다.
 


온도 모니터링

충전이나 방전 동작 중에 배터리 온도가 높아지면 성능이 급격히 저하된다. 이런 문제를 극복하기 위하여 각각의 배터리의 온도 데이터를 수집하고 분석할 필요가 있다. 온도가 오르면 전류를 감소시키거나 온도를 낮춰 줄 보조 도구를 연계하여 동작시킬 수도 있다. 수집 분석된 온도 데이터는 상위의 제어 기기와 연동되어 배터리의 온도가 상승되지 않도록 온도와 충전 전류가 조정되고 최적의 충전 과정이 유지되도록 한다.
 


정밀한 내부 저항 측정으로 배터리 부식 감소

배터리는 충,방전 횟수가 많아지고 사용 기간이 늘어날수록 전극판이 설페이션화되어 극판의 활물질이 부도체 물질인 백색 황산납으로 침전되고 극판을 부식시키는데 이 현상이 심해지면 충전을 하여도 더 이상 충전이 되지 않는 폐배터리가 된다. 통상 이 문제를 해결하기 위하여 펄스 방식의 고가의 설페이션 제거 기기를 사용하거나 방전을 유도하는 방법 등을 사용하는데 BACS는 배터리 내부 저항의 정밀 측정을 통한 제어 방법으로 부식 현상을 감소시킨다.
 

배터리 용량과 백업 시간의 정확한 분석

정확한 배터리 내부 저항 정보와 정밀한 부하 소비량을 측정하면 실질적인 시험 부하를 통한 확인을 하지 않고도 완벽하게 배터리의 백업 용량을 분석하여 계산해 낼 수 있다. 측정을 통한 분석은 실 부하 테스트를 수행하면서 발생할 수 있는 각종 위험 부담을 줄일 수 있는 장점이 있다.
 


최적의 조정을 위한 변수 프로파일

BACS는 배터리의 유형과 제조업체가 다른 상황에서도 최적의 조정과 제어가 가능한 유연한 시스템이다. 각각의 배터리들은 각자가 지닌 변수 프로파일과 퍼포먼스 타임 커브를 통하여 설정될 수 있다.
 

입력, 디스플레이 그리고 관리

충전 전압, 내부 저항, 온도와 같은 각종 값들의 입력. 측정된 값들의 디스플레이, 최소, 최대값을 벗어난 경우의 경고. 상호 통신과 네트워크를 통한 관리를 할 수 있다.
  

 

 

 

::::::: BACS를 통산 배터리 관리의 장접 :::::::


 

높은 신뢰성

각각의 배터리가 관리되고 통제되지 않고 전체 배터리에 대한 충전, 방전만이 존재할 경우에는 배터리 불량이 발생한 이후에나 엔지니어의 유지 보수 점검을 통하여 문제를 확인할 수 있고 이런 경우는 이미 시스템 불능으로 인하여 상당히 치명적인 손상이 발생한 후라고 볼 수 있다. BACS에 의한 관리가 이뤄지는 경우 문제 발생 전에 미리 불량 배터리의 징후에 대한 분석과 발생 전에 미리 교체하므로서 전체 시시템에 대한 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.

[ 그림 1.  BACS C1 모듈이 12V 9Ah 배터리에 설치된 모습 ]

 

 

 


배터리 용량의 최대화

BACS는 각각의 배터리에 대한 자기 조정이 이뤄지는 독특한 구조이며 이로 인해 각각의 배터리들은 최대의 충전이 균등하게 이뤄지게 되는 효과를 거두게 된다. 전통적인 충전 방식과 비교하면 최소 18.2% 이상의 배터리 용량 증가 효과를 볼 수 있다. UPS 제품 수명 또한 BACS를 사용하기 시작한지 며칠만 지나도 제조업체 사양 이상으로 늘어나게 된다.
 


배터리의 수명 연장

균등 분배와 안티 설페이션 기능 등을 통하여 배터리의 충전 상태가 최적화되고 내부 저항 정밀 측정에 따른 노후화 방지 기능으로 배터리의 수명이 30% 이상 늘어나는 효과를 거둘 수 있다. BACS는 기존의 BMS보다 가격이 저렴하고 경제적이므로 수명 연장은 그 효과가 배가된다고 볼 수 있다.
 


제적 비용  절감

BACS는 모든 배터리가 불량이나 오동작이 발생하지 않도록 관리하고 관리 제어 장치에 의하여 교체 시기가 되면 통보되도록 하므로 최대한 배터리의 수명을 연장시켜 준다. 전통적인 BMS의 경우 BACS와는 달리 치료적 개념의 기술이 없으므로 예고없이 갑작스런 배터리 노후화나 불량이 발생하여 교체하여야 할 상황이 발생하기도 하고 전체적인 균등 분배 기능이 없으므로 각각의 배터리의 상태 변화를 사전에 방지할 수 있는 기능이 약하다. 그리고 수명 연장이나 배터리 용량의 극대화를 할 수도 없다. BMS조차 없는 일반 충전 방식은 말할 필요도 없다. 일반 충전 방식은 매 2~3년 주기로 배터리를 상태의 좋고 나쁘고 할 것없이 전체를 다 교체해 주어야 한다. 이런 비교를 하여 본다면 BACS를 도입한 경우 실질적인 경제적 비용 절감을 상당히 할 수 있게 된다.

 

 

[ 그림 2  32개의 BACS C1 모듈이 설치된 20 KVA UPS ]

 

 

 

::::::: 기존의 BMS 시스템과의 비교 :::::::


 

최소 크기의 데이터 모듈

배터리에 용이하게 장착할 수 있도록 표면 실장 기술을 통하여 크기를 최소화하였다. UPS의 배터리함이나 내부에 들어가더라도 문제가 없을 정도로 그 크기가 작아서 관리와 운영이 편리하다.

 

개별적 배터리 온도 측정

배터리의 온도는 배터리 성능의 매우 중요한 척도이다. 전통적인 BMS 시스템은 하나의 배터리의 온도를 측정하여 분석하는데 이는 다른 배터리에서 간혹 발생할 수 있는 치명적인 문제를 감지할 수 없게 되어 결과적으로 손실을 입게 된다.

 

간결한 시스템 구조

BACS는 기본적으로 각각의 배터리를 위한 데이터 모듈과 중앙 처리 모듈, 즉 두 개 부분만으로 구성되는 매우 간결한 시스템 구조이다. 비교가 되는 다른 BMS 시스템의 경우 추가적인 스트링 모듈이나 션트 저항들이 추가적으로 필요하다.

 

 간단하고 빠른 설치

배터리에 모듈을 설치하고 각 모듈을 데이터 케이블로 연결하면 완료 되므로 추가적으로 다양한 배선과 모듈을 부수적으로 장착 하여야 하는 BMS에 비하여 빠르고 간단하게 설치를 완료할 수 있다.

 

확실히 낮은 가격

확실히 낮은 가격 배터리 관리 시스템의 가격은 그 효과에 비하여 상당히 부담스러운 부분이 있었다. 물론 검증되지 않는, 그 성능이나 효과를 신뢰할 수 없는 저가의 BMS도 물론 있으나 배제하도록 하겠다. BACS는 모든 배터리마다 각각 한 개씩의 모듈(BACS C1, C2, C3 또는 C4)을 설치하는 방식으로 확실히 낮은 가격으로 보다 더 고도의 성능을 발휘할 수 있도록 개발되었다.

 

 

 

::::::: 그래프에 의한 배터리 관리 시스템 효과 분석 :::::::


 

 

BACS에 의하여 관리되는 DC 충전 그래프 분석

 

처음에는 각각의 배터리들이 서로 다른 레벨에서 시작하지만 충전이 시작된 후에 차이가 점점 줄어들다 8000초 지점에서 충전 전압이 일치하는 것을 볼 수 있다. 각각의 배터리 상태를 파악하고 상호 간의 충전 레벨을 조절하여 줌으로써 전체적인 충전이 최대화가 되도록 하는 것을 볼 수 있다.

 



 


제어되지 않은 배터리 팩의 그래프 분석

 

처음에는 각각의 배터리들이 같은 레벨에서 시작하지만 충전이 시작된 후에 차이가 발생하기 시작한다. 그 이유는 개별적인 배터리의 충전에 대한 고려 없이 전체 배터리의 충전만이 이뤄지기 때문이다. 몇몇의 배터리들은 충전이 넘치거나 부족해지는 현상이 발생하고 전체적으로는 배터리 팩이 도달하고자 하는 전압에 이르지 못하는 현상이 발생한다. 방전이 발생한 경우에 배터리의 안전한 재충전을 위한 하한선인 붉은 라인을 한참 아래로 떨어지는 현상을 볼 수 있다. 이런 경우 배터리는 회복 불가능한 상태에 이를 수 있다. 다시 재충전하는 과정에서도 역시 각각의 충전 간에 차이가 많이 난다. 전체적인 충전이 이뤄지고 개별적인 관리가 되고 있지 않아 방전 용량이 갈수록 줄어드는 현상이 발생한다.

 

 

 


제어되고 있는 배터리 팩의 그래프


충전 단계에서 시간이 지날수록 충전 편차가 줄어들고 일정 시간이 흐른 지점에서 거의 균등한 충전 상태에 이른 것을 확인할 수 있다.  또한 방전이 이뤄져도 배터리의 하한선 이하로 떨어지지 않고 기준 라인 이상에서 된다. 방전이 이뤄지는 상황에서도 동일한 방전량을 유지하고 방전이 완료된 후 재충전이 될 경우도 일치된 상태에서 충전이 이뤄지는 것을 볼 수 있다. 이런 경우 배터리 간의 편차가 줄어들어 최대의 방전 용량과 배터리의 수명을 연장할 수 있게 된다.