- 목 차 -

1. 축전지의 특성

2. 축전지 불량 셀을 찾을 수 있는 방법

3. 방전 시, 축전지에서 과열이 발생하는 원인

4. 축전지 점검에 대한 IEEE 권고기술

5. 축전지의 전기적인 등가회로

6. IEEE Std. 1188-1996에서 권고한 내부저항 측정방법

7. 내부저항과 충전용량과의 상관관계

8. 축전지 용량별 내부저항의 크기 (용량에 반비례)

9. 축전지 종류별 기대수명

10. 축전지 셀 감시시스템을 도입하여야 하는 이유

1. 축전지의 특성

● 납(Pb)과 황산(H2SO4)의 화학작용으로 전기를 충전 및 방전하는 축전지는 그 특성상 단자전압 측정으로는 축전지의 양부를 판정할 수 없습니다.

● 부동충전상태인 축전지에서는 발열이 되지 않지만, 방전중인 축전지는 발열이 되고, 상기는 방전중인 축전지를 적외선(Infrared) 카메라로 촬영한 사진입니다.

● 위 사진에서 #5셀의 온도가 다른 셀보다 크게 높은 것으로 확인되었습니다.

● 방전중인 축전지에서 과열이 발생하면 폭발할 수도 있고, 축전지의 모든 셀은 직렬로 연결되어 있어 상기 그림에서 만약 #5셀에서 폭발이 되면 전체 전압이 “0V전압”으로 떨어지게 되는 위험이 있습니다.

● 축전지는 정전 시를 대비하기 위하여 설치하였지만 방전상태가 되면 과열이 발생하고 특히 폭발하는 위험성이 있으므로 평상시에 점검을 잘하여야 합니다. 

● 일반적으로 부동충전 중인 축전지는 과열이 발생하지 않지만, 특정 셀에 계속 과전압이 인가되면 온도 폭증 (Thermal Runaway)가 발생되어 이로 인하여 특정 셀의 열화가 급격히 진행될 수 있습니다.

3. 방전 시, 축전지에서 과열이 발생하는 원인

   가. 평상 시 축전지 상태 (부동충전 상태)

축전지는 보통 1개월에 2∼3% 자연방전을 하므로 UPS의 인버터 회로에서는 축전지의 자체 기전력보다 조금 높은 전압을 인가하여 항시 100% 충전상태를 유지하도록 한다.  이를 부동(Floating) 충전상태라 한다.

축전지를 통과하는 부동충전전류의 크기는 5A이하로 적기 때문에 축전지에서 열이 발생하지 않습니다.

한전 전기가 정전되면, 축전지에서 부하의 모든 전류를 공급하므로 100A이상의 큰 전류가 축전지를 통과하여 흐르게 되므로 축전지에서 열이 발생하게 됩니다.   상기와 같이 내부저항(Resistance)이 큰 셀에서는 더 큰 열이 발생하게 됩니다.

방전 시 발열량 = 0.24 × I²(10,000A)× R (0.5Ω) × T (60sec)

               = 72,000 cal ==> 물 1,000g을 72℃까지 데울 수 있음.

(부동충전 시 발열량= 0.25×25×0.5×60= 180 cal => 0.18℃ 증가.

4. 축전지 점검에 대한 IEEE 권고기술

1996년 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers 미국전기전자학회)에서는 밀폐형 축전지에 대한 점검, 유지보수, 교체기준을 발표하였습니다.  다음이 핵심내용입니다.

● 모든 셀에 대한 전압, 온도, 내부저항의 분기점검을 권고.

● 셀의 고장을 사전에 감시할 수 있도록 “셀 전압과 셀의 온도”의 측정을 권고하였고, 성능이 저하된 셀을 식별할 수 있도록 “셀의 내부저항”의 측정을 권고하였습니다. 

● 특히, 내부저항으로 셀의 성능저하를 확인하는 방법은 신품 축전지의 내부저항의 크기와 비교하던지 또는 설치되어 있는 전체 셀의 내부저항을 기준으로 20% 초과 시 심각한(Significant) 상태이므로 별도 점검을 권고하였습니다.

5. 축전지의 전기적인 등가회로

● 상기는 미국 축전지 제조업체 (C&D Technology)에서 발표한 축전지의 전기적인 등가회로입니다.  

● 축전지의 구성 부분별 저항성분의 크기에 대한 것으로서 축전지 고장의 원인을 파악할 수 있는 것으로서, 축전지를 설치한 후 년도가 경과하면 극판이 부식되고, 극판이 부식이 되면 전해액에 녹물이 혼입되어 전류의 흐름을 방해하는 저항성분이 증가하게 됩니다.

[금속 저항] 극판 부식, 접합개소 부식

[전해액 저항] 전해액 부족, 전해액 불순물

6. IEEE Std. 1188-1996에서 권고한 내부저항 측정방법

● IEEE 기준에서는 부동충전중인 상태에서 축전지의 내부저항을 측정할 것을 권고 하였습니다.

● 축전지는 자체 DC 전압을 갖고 있으므로, 특정 주파수의 전류를 인하하고 동시에 특정주파수에 대한 전압을 측정하여 축전지에 대한 내부저항을 측정할 것을 권고 하였습니다.

● 예를 들어, 인가된 전류 0.1mA, 측정된 전압 0.3mV이면

              내부저항 = 전압÷전류 => 3Ω

상기는 축전지 감시센서의 입력전류, 측정된 전압에 대한 파형입니다.

● 부동충전 중인 UPS와 충전기에서 DC전압과 함께 AC리플전압파형도 인가되므로 감시센서에서 보내는 미약한 AC전류와 간섭을 받기 쉬워 입력된 전류파형에 대한 전압성분만 분리하여 측정하기 곤란합니다.

● (주)재신정보에서 공급하는 “감시센서”는 상기 그림과 같이 가변 펄스폭의 전류파형을 인가하고, 이런 파형의 전압을 분리하는 기술을 개발하여 축전지의 내부저항 측정에 대한 정확도를 높였습니다. (반복 측정 정확도: ±2% 이하임)

● 상기의 측정방법을 Impedance방식이라 하고, IEEE Std에서는 상기 방법외 Conductance, Resistance방법을 권고하였음.

7. 내부저항과 충전용량과의 상관관계

● 미국 축전지 제조업체 (C&D Technology)에서는 축전지 용량과 내부저항(임피던스)의 크기를 발표 하였습니다.

● 내부저항 크기가 20%증가된 시점은 용량이 급격히 저하되는 변곡점이고, 내부저항 크기가 30%증가된 시점은 축전지 용량이 80%되는 시점이므로 교체를 권고 하였습니다.

● 특히, IEEE Std.1188-1996 기준에서, 용량의 80% 시점은 DC부하 측면에서 충분한 크기이지만, 신뢰도가  급격히 저하되므로 교체를 권고 하였습니다.

8. 축전지 용량별 내부저항의 크기 (용량에 반비례)

● 셀 내부저항 측정값은 측정기에 따라 차이가 있으므로 측정값의 신뢰성을 유지할 수 있도록, IEEE Std.기준에서는 동일 측정기를 사용하도록 권고하였습니다.

9. 축전지 종류별 기대수명

● 다음은 축전지별 외관입니다.  축전지의 타입별로 가격도 차이가 있듯이 축전지 제조업체에서 권고하는 기대수명도 차이가 있습니다.

10. 축전지 셀 감시시스템을 도입하여야 하는 이유

● 극판이 부식되고 활물질의 결합력이 약화되어 용량이 80%로 감소되기 전까지 축전지를 사용할 수 있는 최대 사용할 수 있는 기간으로서,

● 축전지의 기대수명은 제품별로 차이가 있고, 동일 제품이라도 사용여건에 따라 기대수명이 차이가 발생하므로 축전지의 신뢰성을 높이고 정확한 교체시기를 확인하려면 셀 감시시스템을 운용하여야 합니다.

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