UPS 배터리 성능관리 체계란?

 UPS는 평상시 양호한 전력을 공급받을 때 배터리에 충전해 두었다가  무중단 운영해야 하는 각종 장비들을 정전이 되거나 불안정한 전원이 공급되더라도 이것에 구애받지 않고 정상 운용하기 위한 장비입니다.

 장비는 관리를 잘 하면 수명이 다 할 때까지 문제 없이 사용가능하지만, 배터리는 주위 환경이나 각종 사용 방법에 따라 이 수명이 단축될 수 있고, 문제를 야기할 수 있습니다.

 아무리 좋은 UPS라도 배터리 CELL단위의 관리는 해주지 않으며, 이것을 CELL별로 관리하도록 해주는 장비를 배터리 성능관리 체계(Battery Management System 줄여 이하 BMS로 표기)라고 합니다.

 

 

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실제 업체 설치 사례  BMS는 국내외 다수 기업이 개발/생산하고 있으며, 실제 설치사진은 좌측과 같습니다.  수십~수백개의 배터리에 전압/온도/내부저항 측정장치를 주 제어부가 데이터를 차례로 읽어가는 형태입니다.   사진 출처: LEM코리아 http://cafe.naver.com/lemkorea

 

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제작한 BMS의 메인보드와 LCD, LED 표시, KEY PAD부

 이 BMS는 2V배터리 24개의 배터리의 전압과 온도를 측정할 수 있게 설계되어 있습니다.

 사실 이 메인보드는 2번의 큰 계획 변화가 있었습니다.

기본적으로 제어하는 CPU와 방법은 동일했지만, 배터리 전압을 측정하는 방법이 다 달랐던 것입니다.

 

 24개의 배터리의 전극에서 선을 하나씩 끌어와 메인보드에 연결하고, 입력된 전압은 전압분배를 거쳐 반전회로를 거쳐 MUX회로를 거쳐 1개만 선택되고 14bit 정밀 ADC를 이용해 측정하려고 했습니다.

 

 Ground전위로 배터리가 하나씩 측정될 때마다 배터리 수 만큼 전압이 누적되었는데,

1번째 배터리를 측정했다면 그 값을 그대로 사용하면 되었지만, 2번째 배터리를 측정했다면 1번째 배터리의 값을 빼서 차이값을 구하는 방식이었습니다.

24번째 배터리라면, 23번째 측정한 값을 빼야 24번째 배터리 전압이 나오는 원리였지요.

 

 하지만, 새롭게 제작한 방식은 실제 상용 제품처럼 배터리마다 1개의 개별 모듈이 들어가도록 설계했습니다.

 이렇게 하면 가격은 비싸지지만, 측정 결과값이 더 정확하고 더 신속하게 측정되어집니다.

 

 메인보드의 공간이 많이 남게 된 이유도 제작 도중에 ADC와 MUX회로, 기타 몇가지 회로를 삭제하면서 발생한 부분입니다.

 

 

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배터리에 부착되는 모듈

 위에서 설명한데로 배터리에 부착되는 모듈은 24개가 있습니다.

 모듈을 만들 때 24개의 똑같은 작업을 해야 하는것입니다.

 이것은 실제 UPS에 설치되서 수개월간 사용되었고, 철수후 가지고 나오는 과정에서 2번 채널용 하나를 잃어버려서 사진상에는 모듈이 23개입니다.

 

 

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배터리에 부착된 모듈  각각의 배터리에 실체 모듈이 부착된 모습입니다.  온도센서는 -극 주위에 부착하였고, 전압측정은 전극에 연결된 악어집게로 측정합니다.  1개의 LED가 내장되어 있는데, 이것이 상태에 따라 2가지 속도로 점멸하므로 관리자가 문제의 배터리를 쉽게 찾게 합니다.

 

 

 

 

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비인가자 사용을 막는 비밀번호 인증체계

 BMS는 배터리의 성능을 실시간으로 관리하고 문제가 있을 경우 관리자에게 통보해주어야 하는데, 임의로 장비를 조작하지 못하도록 비밀번호 인증체계를 갖고 있습니다.

 6자리 비밀번호를 입력해야 하는데, 비밀번호가 6번 이상 틀리면 해당 기능 진입이 취소됩니다.

 

비밀번호 인증은 다음의 경우에서 사용됩니다.

[차후 펌웨어 변경, 기능 변경시 변경될 수 있습니다.]

순서	비밀번호 인증 내용
1	전원 켜기
2	전원 끄기
3	로그기록 삭제
4	비밀번호 변경
5	PC 접속

 

5번에 PC접속이 나타내는것은 PC상에서도 같은 비밀번호를 입력해야만 로그인할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

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셀 전압/온도 그래프 표시(바탕화면)

 배터리 셀은 24개가 있고, 모든 셀에 대한 측정값을 실수로 표시한다면 LCD가 매우 커야 하거나 해상도가 높아야 할 것입니다.

 이번에 제작한 BMS에도 많은 정보를 보여주기 위해 CLCD 드라이버가 구동할 수 있는 최대 크기 40 * 2 사이즈에 드라이버를 하나 더 얹어 40 * 4 크기의 LCD를 구동하고 있습니다.

 좁은 공간에 억지로 많은 정보를 표출한다면 그것은 관리자 입장에서 정보를 받아들이기 힘들 것입니다.

 

 그래서 그래프로 표시하도록 하였는데, 전압, 온도 데이터를 그래프로 표시해주고 그래프의 크기를 보거나 그래프 대신 '?' 또는 'E'같은 다른 문자가 표시됨으로 문제가 있다는것을 쉽게 인지하도록 했습니다.

 

 LCD에 2번 채널이 '?'로 표시되어 있는데, 위에서 적은것처럼 2번 채널 모듈을 분실해서 연결하지 않았기 때문에 응답이 없어 '?'로 표시된것입니다.

 

 그래프 외에 LCD 1번째 줄에는 제품 상태(문제가 있을경우에만)를 표시하거나, 시간, 날짜, PC접속 등을 표시해 주며, 2번째 줄에에는 셀 전체 전압/평균전압을 교차 표시해주고, 실내 온도를 표시해줍니다.

 

 

 이 BMS는 정전 감지 기능을 갖고 있고, 정전시 내부 아날로그비교기 동작으로 정전순간의 시간값을 저장합니다.

 재부팅시 정전 정보를 표시해주고, 로그에 기록합니다.

 참고로, 전원 ON시 비밀번호 인증이 필요하지만, 비정상적인 종료(정전)로 인해 전원이 꺼진 경우 자동으로 암호 인증은 넘어가고 재 동작을 시작합니다.

 위 화면은 관리자가 확인하고 KEY를 누를때 까지 계속 깜빡이며, 경보음이 함께 울립니다.

 

 

 

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특정 셀 정보 조회

 위에서 설명한 그래프 보기 기능은 전압고 온도가 정상범위에 있는지 여부 정도만 파악할 수 있습니다.

 정확한 측정값이 필요한 경우, 셀 번호를 순차적으로 입력하면 해당 셀 전압과 온도가 실수로 표시됩니다.

 

 

물론 01~24 중에 선택해서 눌러야 하며, 범위 바깥 값을 넣거나, 모듈이 없는 경우, 측정중인 경우에 셀 값을 입력한 경우 아래와 같이 표시됩니다.

범위 바깥의 값을 넣은 경우 경고창.(00 또는 25같은 해당 없는 셀 번호 입력한 경우)

모듈이 연결되어 있지 않은 경우 경고창.(그래프 화면에서 위에서 설명한 2번 채널처럼 연결되지 않은 경우)

측정중인 경우 경고창.(바탕화면에 LCD에 MEASURING... 또는 DATA REQUESTING...이라고 표시되는 상태인 경우)

 

 

 PC상에서는 명령어만 입력하면 24개의 배터리 정보가 한번에 표시됩니다.

view volt라는 명령을 입력하면 전압 정보가, view temp라는 명령을 입력하면 온도 정보가.

 

 

 아래는 위와 더불어 셀 보정값 표시와 모듈 상태 표시기능...

 셀 보정에 대한 설명은 아래에 적겠습니다.

 

 

 

 

 

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관리자 메뉴

 이 BMS는 각종 기능설정메뉴가 있으며 바탕화면에서 KEY PAD의 *을 누르면 메뉴화면으로 진입합니다.

 설정 및 특수기능은 10가지를 제공하는데, KEY PAD중 0~9를 누르면 해당 기능을 실행합니다.

 물론 LCD 우측에 표시한 것처럼 *와 #을 눌러 화면전환을 통해 메뉴가 어떤것이 있는지 확인할 수 있습니다.

 

 

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시간 설정

 이 BMS는 내부 시간값을 기준으로 각종 로그를 기록하는데 참조하거나 정기점검일 알람 등 다양한 곳에 시간값이 사용됩니다.

 때문에 올바른 시간값을 입려하기 위해 시간 설정기능을 지원합니다.

 설정 메뉴에서는 LCD 1번째 줄이 설정메뉴 정보, LCD 2번째 줄은 설정중인 값 정보, 3번째 줄이 실제 설정값들이 나열된 곳이며, 4번째 줄은 상황에 맞는 버튼 조작법을 제공합니다.

 

 

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정기점검일자 설정

  이 BMS는 정기적으로 축전지 점검하는것을 잊지 않도록 알람 기능을 내장하고 있습니다.

 물론, 점검 주기는 다양하게 설정할 수 있는데, 아래의 4가지가 준비되어 있습니다.

순	주기
1	매년 1회
2	매월 1회
3	매주 1회
4	매일 1회
5	해제

 

 아래 화면은 정기점검일이 된 경우 표시되는 화면입니다.

 작은 메시지가 깜빡이고, 경보음을 냅니다.

 

 

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로그 기록/조회/삭제 기능

 이 BMS는 로그 기록(저장) 및 조회(보기)기능을 갖고 있어 어떤 상황이 발생하거나 중요 조작을 하면 시간과 함께 종류를 저장합니다.

 이 화면은 11:40에 알람정지를 했다는 내용과 11:42에 02 채널과 통신두절이 확인되었다라는 표시를 해주고 있습니다.

 우측 상단에는 RUN HISTORY라고 해서 장비의 동작시간을 기록해서 보여줍니다

 위 화면에서 LCD 4번째 줄이 설명하는것 처럼 5를 누르면 삭제 메뉴에 진입하는데, 여기서 DELETE ALL을 선택하여 0을 누르면 전체삭제, DELETE ONE을 선택해 5를 누르면 선택된 1개의 로그만 삭제됩니다.

 

 

 

 참고로 하이퍼터미널 상에서도 아래처럼 로그보기가 가능합니다.

 

 아래는 로그표시와 함께 사용된 장비 동작시간도 확인할 수 있습니다.

 

 

 

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비밀번호 변경

 앞서 설명했던 비밀번호 인증체계 사용 중 비밀번호 변경을 원할 경우 사용되는 기능입니다.

 

 아래처럼 역시 PC상에서 변경 가능합니다.

 

 

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측정값 오류 보정 기능

 이 BMS는 전용의 ADC보다 비교적으로 덜 정밀한 ATtiny13V 24개의 CPU가 각각의 배터리에 부착되어 전압/온도를 측정하는데, 각각의 가지고 있는 고유의 오차 때문에 서로 다른 오차가 있고 이것을 보정해주기 위한 기능입니다.

 

셀을 선택하고, 기존 전압과 관리자가 알고 있는(정밀 테스터기로 측정한) 전압을 빼서 나온 차이값을 입력하면 보정 완료입니다.

마지막에 DONE이라고 표시되어 깜빡이는 화면은 DONE을 선택하면 저장 후 빠져나가고, MORE은 저장후 처음으로 넘어가 다른 셀도 조정할 수 잇게 해줍니다.

 

 

지원 명령어를 모른다면?

 이 BMS는 위에서 설명한 것처럼 하이퍼터미널을 이용해 다양한 기능을 지원합니다.

 지원 명령어를 모르면 다른 장비들처럼 '?'를 입력하면 됩니다.

 명령어 종류와 설명이 나열되어 메뉴얼이 없어도 명령어에 대한 도움을 받을 수 있습니다.

 

 

 

동작 동영상

 BMS 소개 형식으로 동영상을 만들어 보았습니다. 원래 버튼을 누르거나 경보시 각종 음이 들리지만 동영상에는 함께 녹음되지 않았습니다.

 

 

회로도와 프로그램  회로도는 OrCAD로 작성해 pdf파일로 저장했으며, 프로그램은 어셈블리어로 작성했습니다.  만약에 이것을 직접 제작하게 된다면 회로도 중 마지막장에 있는 Slave Module회로는 24개를 만들어서 각 채널값을 지정한 프로그램을 다운로드 해야 합니다.  다운로드는 첨부파일을 참조하세요.