이 시리즈의 Paper A에서는 객차와 고속철도 차량 비상 시스템의 부하 프로필을 세웠습니다. 통로와 출입문 구역 조명, 도어 제어 및 비상 개방, 방송과 인터콤, 표시등, 그리고 현대 열차편성에서는 주전원 상실 후에도 유지해야 하는 비상 환기와 제어 전자장치입니다. Paper B는 이 프로필을 팩으로 전환합니다. 순서는 OEM 엔지니어가 실제로 밟는 단계와 같습니다. 비상 부하를 나열하고, 듀티 블록으로 묶고, 필요 자율시간의 에너지와 전류를 계산하고, 저온·수명말기·방전심도 계수를 적용하고, 셀 수와 보호를 선택하고, EN 50155 전기 프레임 안에서 충전과 절환을 설계합니다. 모든 값은 예시(illustrative)로 표시합니다. 실제 차량의 의무값은 계약 사양과 인증에 인용된 규격 판본이 결정합니다. Paper C는 설계를 확인하는 형식시험과 인증을 다룹니다.

핵심 사실 요약

핵심 사실 1. 선정은 정격전력에 시간을 곱하는 것이 아니라 듀티 블록의 에너지 합계에서 시작합니다. 연속 부하(비상 조명, 제어 전자장치)는 자율시간 내내 작동합니다. 도어 컨트롤러와 방송 앰프는 짧은 대전류 펄스가 있는 대기 부하입니다. 비상 환기는 간헐 작동일 수 있습니다. 각 블록을 개별로 적분하고 펄스 에너지를 합산한 결과가 어떤 계수도 적용하기 전에 모듈 정격전압에서 필요한 암페어시가 됩니다.

핵심 사실 2. 자율시간 목표는 조명 규정이 정합니다. UIC 555(개정 7:2013)는 통로에서 정상 조도의 50% 이상, 좌석 구역에서 30% 이상의 비상 조명을 최소 90분간 요구하고, EN 13272-1:2019(중철도)은 고속·장거리 차량에 정전 후 비상 모드로 들어가기 전 일반 조명을 최소 10분간 추가로 요구합니다. EN 13272-2:2019(도시궤도)는 피난 경로 중심선의 바닥 평균 5 lx 이상, 도어 개방 시 승하강 스텝에 40 lx를 규정합니다.

핵심 사실 3. 사용 가능 용량은 항상 정격 용량보다 낮습니다. 밀폐형 NiMH 셀은 온도 범위의 저온단에서 더 적게, 수명말기에 더 적게 내보내고, 설계가 방전심도를 제한하면 또 더 적게 사용합니다. 비상 팩 관행은 보통 다년 수명을 가정하고 첫날 값이 아니라 수명말기에도 여전히 사용 가능한 용량으로 선정합니다. 아래의 경감 체인은 이를 하나의 계수로 묶으며, 예시는 저온과 수명말기에 약 0.85의 보수적인 예시 계수를 사용합니다.

핵심 사실 4. 밀폐형 NiMH 셀은 정격 1.2V, 완충 말기 약 1.45–1.50V이며, 셀당 약 0.9–1.0V 아래로 방전해서는 안 됩니다. 팩 보호는 보통 셀당 0.85–0.9V에서 차단하여 셀 극성 반전을 막습니다. 3, 4, 5, 6, 8, 10셀 직렬은 정격 3.6, 4.8, 6.0, 7.2, 9.6, 12.0V를 주어 등기구·도어 컨트롤러·앰프의 저압 버스에 맞춥니다. 충전은 −ΔV, 온도 또는 ΔT/Δt로 종료하고 이후 약 0.05–0.1C의 작은 보충전류로 들어갑니다.

핵심 사실 5. 분산형 NiMH 모듈은 열차 주배터리가 아닙니다. 110V 버스의 큰 배터리는 전통적으로 IEC 62973 시리즈(IEC 62973-2 니켈카드뮴, IEC 62973-3:2024 납축전지)에 따른 유지보수형 NiCd 또는 납 배터리입니다. 본 글의 밀폐형 NiMH 모듈은 각 비상 기기 내부의 국소 배터리로, IEC 61951-2:2017+A1:2022, IEC 62133-1:2017(니켈계는 −1에 주의), IEC 63115-2:2021로 적합성 평가되고 UN 3496과 IATA A199 특별 규정으로 운송됩니다.

1단계 — 비상 부하 목록과 듀티 블록 만들기

선정의 첫 문서는 등기구 라벨의 단일 수치가 아니라 차량 비상 기능 목록에서 나온 부하표입니다. 각 기능에 대해 정상 전력, 경감된 비상 전력, 급전 전압, 연속 또는 펄스 성격, 지속 시간과 펄스 빈도를 기록합니다. 비상 LED 등기구는 적은 에너지로 규정된 정상 조도 비율을 달성하기 위해 경감 모드로 작동합니다. 제어·감시 전자장치는 작은 연속 전류를 취합니다. 도어 컨트롤러는 대기 전류를 유지하고 잠금 해제나 개방 시 짧은 펄스를 취합니다. 방송 앰프는 작은 전류로 휴지하다가 기관사가 말할 때 피크를 냅니다. 측등·표시등은 연속 소전류 부하입니다. 비상 환기가 있다면 큰 회전 부하로, 에너지 절약을 위해 보통 간헐 작동합니다.

듀티 블록은 전력과 시간의 조합입니다. 연속 부하의 에너지는 비상 전력에 자율시간을 곱한 것이고, 펄스의 에너지는 전력에 펄스 수와 지속 시간을 곱한 것입니다. 블록을 합하면 모듈이 내보내야 할 총 에너지가 됩니다. 아래 표는 예시적인 단일 구역 모듈(등기구 묶음과 제어·도어 로직 일부)을 명확성을 위해 의도적으로 반올림한 값으로 보여줍니다. 실제 차량 표에는 수십 줄이 있고 이 값들은 계약값으로 대체됩니다.

예시 블록 합은 90분간 약 13.4 Wh입니다. 펄스는 에너지의 작은 부분이지만 셀, 접속, 보호의 펄스 전류 능력을 결정하므로 에너지가 작다고 생략해서는 안 됩니다. 총 에너지는 충분하지만 도어 개방 펄스를 낼 수 없는 팩 역시 피난 시퀀스를 완료하지 못합니다.

2단계 — 에너지를 용량으로 환산하고 모듈 전압 선택

에너지가 정해지면 모듈 정격전압은 기기 내 기존 버스에 따라 선택합니다. 비상 등기구와 소형 제어 모듈은 보통 3.6, 4.8, 6.0, 7.2V 직렬(3, 4, 5, 6셀 NiMH)을 사용하고, 도어 컨트롤러와 대출력 비상 앰프는 9.6 또는 12V(8 또는 10셀) 이상을 사용합니다. 해당 전압에서 필요한 용량은 에너지를 전압으로 나눈 것입니다. 예시 단일 구역 예에서 7.2V 모듈은 계수 적용 전 13.4Wh / 7.2V = 1.86Ah의 출력 용량을 필요로 합니다. 같은 에너지는 4.8V에서 2.79Ah, 9.6V에서 1.40Ah입니다. 따라서 전압 선택은 배선 세부사항이 아니라 셀 크기와 전류에 대한 결정입니다. 같은 전력에서 모듈 전압이 높을수록 전류가 낮아져 I²R 손실과 셀당 피크 전류가 줄어듭니다.

평균 비상 전류는 연속 전력을 평균 방전 전압으로 나눈 것이지만, 팩은 종지 전압까지 검증해야 합니다. NiMH 직렬은 끝까지 셀 1.2V를 유지하지 않습니다. 단자 전압은 부하에서 강하하고 방전이 진행되면서 내려갑니다. LED 드라이버나 DC/DC 컨버터는 차단 전 직렬의 최저 허용 전압까지 작동해야 합니다. 엔지니어는 부하 전자장치가 만충 직렬 전압(셀 약 1.45–1.5V, 즉 6셀 약 8.7–9.0V)에서 차단점(셀 약 0.9–1.0V, 즉 약 5.4–6.0V)까지 작동하는지 확인하고, 정격 7.2V가 아니라 그 창에 맞춰 하류 컨버터를 선정합니다.

그림 1. 차량 분산형 비상 모듈의 선정 및 설계 순서(예시). 계수와 순서는 비상 배터리 일반 관행에 대응합니다. 의무값은 계약 사양과 인증에 인용된 규격 판본이 결정합니다.

3단계 — 경감 체인 적용: 저온, 노화, 방전심도

셀 정격 용량은 20℃에서 새 셀을 규정 방전 전류로 측정한 값으로, 정확히 겨울 실제 피난 시 배터리가 처하지 않는 상태입니다. 팩을 충분하다고 선언하기 전에 세 가지 경감을 적용합니다. 첫째는 온도입니다. EN 50155 동작 등급의 저온단(OT3 기기는 −25℃, OT2/OT4/OT6은 −40℃)에서는 가용 용량과 부하 전압이 모두 낮아지고, 설계는 실제 비상 전류에서의 제조사 저온 방전 곡선에서 저온 계수를 사용합니다. 둘째는 수명말기입니다. 비상 팩 관행은 다년 수명을 가정하고 90분 시험이 운용 마지막 해에도 통과해야 하므로 말기에도 사용 가능한 용량으로 선정합니다. 예시는 여기에 보수적으로 0.85를 사용합니다. 셋째는 방전심도입니다. 방전심도를 제한하면 열화가 줄고 약한 셀이 극성 반전되는 것을 막으며, 설계는 팩을 보호 임계값까지 비우지 않고 잔량 여유를 남깁니다.

이 계수들은 더하는 것이 아니라 곱합니다. 예시에서 7.2V 모듈은 1.86Ah를 내보내야 하고, 저온 계수 0.85, 수명말기 계수 0.85, 방전심도 할당 0.90에서 필요 정격 용량은 1.86 / (0.85 × 0.85 × 0.90) = 1.86 / 0.650 = 2.86Ah로, 표준 6셀 3.0Ah 팩으로 올림합니다. 같은 체인은 4.8V에서 약 4.3Ah, 9.6V에서 약 2.1Ah입니다. 이 값들은 예시이고 계수는 선정 셀의 실제 저온·노화 데이터로 교체해야 합니다. 그러나 '출력 총에너지를 전압으로 나누고, 곱해진 여유로 나누는' 방법은 모듈이 운용 마지막 해의 추운 겨울 밤에도 완전 자율시간에 도달함을 보장합니다.

4단계 — 셀 수, 부스바, 보호

용량과 전압을 정한 뒤 평균 전류와 펄스 전류를 모두 여유를 두고 내보낼 수 있는 셀 폼팩터를 선택합니다. 고출력 또는 산업용 밀폐형 NiMH 셀(A, Sub-C, C 사이즈 또는 용접된 버튼 셀 조립체)은 도어와 방송 펄스가 요구하는 방전 전류에 맞춰 선정할 수 있습니다. 용량이나 펄스 전류가 단일 셀을 초과하면 셀을 병렬로 추가하고 직렬로 전압을 정합니다. 접속은 펄스 전류와 EN 61373 진동 프로필에 맞춘 용접 부스바입니다. 점용접 부스바와 장력 완화 접속은 차체(카테고리 1, 카테고리 2 class B를 기본 기준으로)의 랜덤 진동·충격 시험을 견디는 반면, 주석 납땜이나 수동 압착 접속은 실패합니다.

보호는 해당 화학계에 맞춰 선정하고 리튬 설계에서 빌리지 않습니다. 밀폐형 NiMH에는 리튬식 밸런싱 BMS가 필요 없지만, 분산형 비상 팩에는 외부 단락과 충전 이상에 대한 열 스위치 또는 PTC, 심방전 시 극성 반전을 막기 위해 팩 종지 전압(셀 약 0.85–0.9V)에서 차단하는 직렬 FET 또는 계전기, 모듈 단자의 역극성 보호가 포함되고, 다셀 직렬에서는 긴 방전 말기에 가장 약한 셀이 나머지에 의해 반전되지 않도록 셀을 신중하게 매칭합니다. 보호 소자의 고장이 무경고로 비상 등기구를 꺼서는 안 되므로 소자는 페일세이프로 하고, 모듈은 차량 정기 시험 버튼으로 확인할 수 있게 설계합니다.

5단계 — EN 50155에 따른 충전, 보충전, 무중단 절환

분산형 비상 모듈은 거의 모든 시간을 대기로 보내므로 충전 전략이 설계를 지배합니다. 밀폐형 NiMH 충전기는 주충전을 −ΔV, 온도 상승률(ΔT/Δt) 또는 절대 온도 차단으로 종료하고, 이후 약 0.05–0.1C의 작은 보충전류 또는 펄스/세류 충전으로 들어가 플로트 수명을 단축하는 과충전 스트레스 없이 팩을 만충으로 유지합니다. 충전기는 EN 50155 적합성 평가를 받은 DC/DC 컨버터를 통해 차량 버스에서 급전되며, 정격전압 −30%에서 +25%까지의 전체 연속 범위에서 충전 창을 유지하고 과도·장기 과전압에 과충전 없이 견뎌야 합니다. 버스 5%의 잔류 리플이 셀 마이크로 사이클을 일으켜서는 안 됩니다.

절환 방식은 두 가지 서로 다른 문제를 풉니다. 아주 짧은 사건(EN 50155 절환 40% 강하 최장 100ms, 그리고 10ms(S2, 기본) 또는 20ms(S3)의 완전 중단)은 컨버터의 홀드업 커패시터가 커버하여 제어기가 재시작하지 않게 합니다. 이는 추가 홀드업 커패시터를 갖춘 철도 DC/DC 관행이 권장하는 바입니다. 긴 사건(전체 자율시간에 걸친 실제 정전)은 NiMH 팩이 인계하고, UIC 555 절환 임계값에 따라 보통 버스가 정격전압 약 0.6배 아래로 약 0.5초 넘게 떨어질 때 눈에 보이는 밝기 점프 없이 투입됩니다. 홀드업과 배터리 인계를 분리 설계하면 모든 짧은 강하에서 전자장치가 재시작하는 문제와, 커패시터가 흡수해야 할 밀리초 외란에서 배터리가 사이클하는 문제라는 두 가지 흔한 고장을 예방합니다.

그림 2. 저온·수명말기 90분 비상 방전 시 직렬의 예시 단자 전압, 차단점과 용량 여유 포함. 곡선은 정성적이며 비율대로가 아닙니다. 실제 프로필은 비상 전류에서 선정 셀의 공개 방전 곡선과 부하 컨버터 차단 전압에 따릅니다.

6단계 — 화학계를 솔직하게 선택: NiMH, NiCd, 납, 리튬

설계자는 때때로 열차 주배터리가 다른 화학계인데 왜 분산형 비상 모듈이 밀폐형 NiMH를 쓰는지 묻습니다. 네 시스템은 서로 다른 틈새를 차지합니다. 전통적인 열차 주배터리는 IEC 62973-2에 따른 유지보수형 니켈카드뮴 배터리로, 매우 높은 기계적·열적 내구성과 오랜 철도 검증 이력으로 높이 평가되지만 카드뮴을 포함하고 유지보수와 통기가 필요합니다. 밀폐형 납축전지(VRLA, IEC 62973-3:2024)는 저렴하지만 더 무겁고 저온에 약하며, 오랜 부분충전 상태 후 황화되어 소형 밀폐 모듈보다는 큰 블록에 더 적합합니다. 리튬계는 높은 에너지 밀도를 제공하지만 셀 감시, UN 38.3 시험 프로토콜, UN 3480/3481 출하 규칙이 추가됩니다. 밀폐형 NiMH는 그 중간입니다. 카드뮴이 없고, 긴 세류 충전과 이따금의 심방전을 견디고, 저온에서 사용 가능 용량을 보존하고, UN 3496과 IATA A199로 출하가 간단하며, 등기구와 컨트롤러의 소형 분산 팩에 잘 맞습니다. 에너지 밀도 때문이 아니라 가용성, 저온 거동, 플로트 수명, 더 단순한 규정 준수 물류 경로 때문에 선택합니다.

기계 통합, EMC, 화재, 유지보수

전기 선정은 필요하지만 충분하지 않습니다. 팩과 하우징은 EN 61373 장착 위치(차체 카테고리 1, 대차 카테고리 2, 축상 카테고리 3)에 맞춰 선정하고, 대응하는 랜덤 진동과 충격 스펙트럼을 견디는 용접 부스바, 커넥터, 내부 부품을 갖춥니다. EMC는 EN 50121-3-2로 설계하여 충전기와 보호 전자장치가 EFT/B ±2kV(5/50ns, 5kHz), 서지 선-접지 ±2kV·선-선 ±1kV(1.2/50µs), 80MHz까지의 공통모드 전도성 RF를 견딤을 의미합니다. 화재 거동은 팩 주변 플라스틱·라벨·절연·하우징에 대해 EN 45545-2, 화재 관리 수단에 대해 EN 45545-6에 적합하고, 보호 등급은 등기구나 함 환경에 대해 EN 60529에 따릅니다. 유지보수성(수동 시험 버튼, 상태 표시, 등기구 분해 없이 교환 가능한 모듈)은 운용자가 장기 가용성을 입증할 수 있게 합니다. EN 50155 수명 등급 L1–L4(5–20년, 기본 L4)가 예상 연수를 정합니다.

자주 묻는 질문

차량 비상 배터리 용량은 어떻게 계산합니까?

각 비상 부하와 경감된 전력을 나열하고, 각각을 듀티 블록(전력×시간, 펄스는 별도)으로 바꾸고, 필요 자율시간의 에너지를 합산하고, 모듈 정격전압으로 나누어 필요 출력 암페어시를 구하고, 곱해진 저온·수명말기·방전심도 계수로 나눕니다. 본 글의 예시 7.2V 모듈은 1.86Ah 출력과 약 2.86Ah 정격이 필요해 3.0Ah로 반올림합니다. 계수는 선정 셀의 실제 저온·노화 데이터로 교체해야 합니다.

비상 조명은 얼마나, 어떤 조도로 작동해야 합니까?

UIC 555는 통로에서 정상 조도 50% 이상, 좌석에서 30% 이상을 최소 90분간, 그리고 약 0.6배 정격전압에서 약 0.5초 초과 시 자동 절환을 요구합니다. EN 13272-1:2019는 고속·장거리 차량에 비상 모드 전 10분 일반 조명을 추가하고, EN 13272-2:2019는 도시 차량에 피난 축 평균 5 lx 이상, 스텝 40 lx를 규정합니다.

몇 셀이 7.2V 비상 모듈을 구성하고 전압 한계는?

6셀 직렬이 정격 7.2V입니다. 셀은 정격 1.2V, 만충 약 1.45–1.50V이고 약 0.9–1.0V 아래로 방전해서는 안 됩니다. 6셀 직렬의 부하 컨버터는 약 8.7–9.0V(만충)에서 5.4–6.0V(차단)까지 작동해야 하고, 보호는 극성 반전 방지를 위해 셀 약 0.85–0.9V에서 차단합니다.

밀폐형 NiMH 비상 팩은 대기 중에 어떻게 만충을 유지합니까?

주충전은 −ΔV, 온도 또는 ΔT/Δt로 종료하고, 이후 약 0.05–0.1C의 작은 보충전류 또는 펄스 세류 충전으로 들어갑니다. 충전기는 EN 50155 적합성 평가를 받은 DC/DC를 통해 차량 버스에서 급전되어 전체 버스 범위에서 충전 창을 유지합니다. 홀드업 커패시터가 10ms(S2) 또는 20ms(S3) 중단과 절환 강하를 커버하고, NiMH 팩이 실제 긴 정전을 인계합니다.

왜 납이나 열차 NiCd 주배터리 대신 밀폐형 NiMH입니까?

밀폐형 NiMH는 카드뮴이 없고, 저온에서 사용 가능 용량을 보존하고, 긴 세류 충전과 이따금의 심방전을 견디고, UN 3496과 IATA A199로 운송되어 리튬의 UN 38.3과 UN 3480/3481 규칙을 피합니다. 납은 더 무겁고 부분충전 상태에서 황화되며, 유지보수형 NiCd는 IEC 62973-2의 열차 주배터리이고 카드뮴을 포함합니다. NiMH는 소형 분산 국소 모듈에 선택하며 열차 주배터리 대체용은 아닙니다.

형식시험 전에 설계를 확인하는 규격은?

셀은 IEC 61951-2:2017+A1:2022(성능), IEC 62133-1:2017(니켈계 셀 안전), IEC 63115-2:2021(산업용 NiMH), IEC 61959로 문서화합니다. 모듈은 전기 프레임과 온도 등급에 대해 EN 50155, 진동·충격에 대해 EN 61373, EMC에 대해 EN 50121-3-2, 화재에 대해 EN 45545-2/-6에 적합하고, 운송은 UN 3496 / IATA A199입니다. Paper C가 이들을 형식시험과 인증으로 진행합니다.

출처와 규격

선정 의무와 자율시간: UIC 555(객차 전기 조명, 개정 7:2013), 통로 50%·좌석 30% 비상 조도, 최소 90분, 절환 임계값; EN 13272-1:2019(중철도, 고속·장거리 정전 후 10분 일반 조명)와 EN 13272-2:2019(도시궤도, 피난 축 바닥 5 lx 이상, 스텝 40 lx); 규정 (EU) No 1302/2014(LOC & PAS TSI); 중국 TB/T 3414(동차조 비상 조명), TB/T 3582-2023(비상 환기). 전기 프레임: EN 50155:2017(2021 통합판)의 DC 정격전압, 연속·과도 범위, 전원 절환, S1/S2/S3 중단 등급, OT1–OT6 온도 등급, L1–L4 수명 등급; EN 50163; S2 10ms, S3 20ms를 커버하는 홀드업 커패시터 철도 DC/DC 관행.

셀·보호·운송 참조: IEC 61951-2:2017+A1:2022(밀폐 NiMH 셀 성능), IEC 62133-1:2017(밀폐 니켈계 셀 안전, −1부), IEC 63115-2:2021(산업용 NiMH), IEC 61959(기계적 동작); 차량 보조 배터리의 IEC 62973 시리즈(IEC 62973-2 NiCd, IEC 62973-3:2024 납)와 차상 장비 일반 조건 GB/T 21413.1; EN 61373 충격·진동, EN 50121-3-2 장비 EMC, EN 45545-2/-6 화재 거동, EN 60529 보호 등급; 운송의 UN 3496과 IATA A199 특별 규정. 전압·보충전류·차단값은 밀폐형 NiMH 일반 관행과 대표적 사양을 반영합니다. 저온·수명말기·방전심도 계수와 모든 전력·용량·블록 시간은 예시적 공학 예입니다. 차량 계약 사양과 인용 규격 판본의 값이 우선합니다.

Weijiang Power

Weijiang Power는 OEM 차량 비상 전원 모듈을 위한 밀폐형 NiMH 팩을 공급합니다. 비상 LED 등기구, 도어 컨트롤러, 방송·인터콤 유닛, 비상 제어 전자장치를 90분 자율시간에 맞춰 저온·수명말기·방전심도 계수를 내장하여 선정하고, 용접 부스바와 페일세이프 보호, EN 61373 진동 프로필, EN 50121-3-2, EN 45545-2 적합, IEC 61951-2 / IEC 62133-1 / IEC 63115-2 셀 문서와 함께 제공합니다. 팩은 카드뮴이 없고 UN 3496 / IATA A199로 운송됩니다. 버스 정격전압, 비상 부하 목록, 필요 자율시간, 저온단 온도 등급, 충전 방식을 보내주시면 셀 수·용량·충전 선정을 수행하고 형식시험 전 저온 자율시간과 플로트 수명 입증을 지원하겠습니다. 표준 팩 폼팩터는 Weijiang NiMH 제품 라인을 참고하거나, 차량 사양과 부하 목록을 첨부해 OEM 팀에 문의하십시오.