리터리

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 태양광 에너지를 활용한 전기자전거 보관소 구축 – GIS 기술을 기반으로..

영문 : Construction of electric bicycle storage using solar power - based on GIS technology..

과제 팀명

리터리..

지도교수

이상철 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20**8900** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 20**8900** 김**

서울시립대학교 환경공학부·과 20**8900** 김**

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20**8900** 추**

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20**8900** 정**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 설계안은 지자체와 공유 전기자전거 업체인 일레클을 대상으로 하여 GIS 기술을 활용한 '태양광 에너지를 활용한 공유 전기자전거 보관소 구축 시스템'의 도입을 제안하고자 한다. 'Simulink' 시뮬레이션을 통해 온도 조건이 리튬이온배터리의 효율에 미치는 영향을 분석하여 적정 온도를 유지해야 할 필요성을 입증한다. 또한, QGIS 프로그램을 활용하여 유동 인구 분석을 통해 대상 지역 내 최적의 보관소 입지를 설정한다. 전기자전거 보관소는 태양광 발전을 통해 자가충전이 가능한 형태로 구축하고자 한다

개발 과제의 배경

◆ 국회 산업통상자원중소벤처위원회가 '전기생활용품안전법' 일부 개정안을 분석한 검토보고서(2022)에 따르면, 2030년 전기차 누적 보급대수 300만대로 추산

◆ 전기차 보급이 본격화되고 노후 전기차가 폐차 시장에 공급됨에 따라, 폐배터리 배출량 역시 2025년 전후 급증할 것으로 전망

◆ 환경부(2022)에 따르면 올해와 내년 전기차 폐배터리가 연간 1만9000개 가까이 나올 것으로 추산

◆ 에너지경제연구원(2022)에 따르면 국내 전기차 폐배터리는 2025년 8321개, 2029년 7만8981개로 늘어날 전망

개발 과제의 목표 및 내용

◆ 인구 분석을 통한 체계적인 위치 설정은 구축 공유 전기자전거 서비스를 사용하는 이용자의 편이성의 증진시킬 수 있다.

◆ 공유 전기자전거 서비스 제공 업체의 관리 측면에서, 반납 구역에 분산되어 있는 자전거를 일일이 수거해서 충전하는 현행 관리 체계의 비효율성을 개선함으로써 경제적 효과를 기대할 수 있다.

◆ 태양광 발전 기반의 보관소를 구축함으로써 지자체 및 일레클 기업의 친환경 브랜드 이미지를 제고시킬 수 있다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

1. GIS GIS는 지리적으로 참조 가능한 모든 형태의 정보를 효과적으로 수집, 저장, 갱신, 조정, 분석, 표현할 수 있도록 설계된 컴퓨터의 하드웨어와 소프트웨어 및 지리적 자료 그리고 인적자원의 통합체를 말하며, 지표면에 위치한 장소를 설명하는 자료를 모으고, 이를 이용할 수 있게 하는 컴퓨터시스템이라고 할 수 있다. GIS를 활용한 공간분석기법에 대한 선행연구를 확인한 결과, 2009, 조홍래·정종철의 연구에서는 실질적으로 대기측정망 위치선정 시 도시 특성에 맞는 최적의 위치를 선정하는 모델을 제시하였으며, 사용된 분석기법은 지역 경향면 모형, IDW, RBF, Kriging이다. 2012, 손동욱·이연수의 국토계획 연구에서는 GIS 기반 커피전문점의 최적 입지의 시각화 정보 개발 방법론에 대한 연구를 진행하였으며, 레스터 변환 기법을 활용하였다. 2013, 정원석의 학위논문에서는 도시대기측정망의 최적 수와 위치를 선정하기 위해 IDW와 Kriging 분석을 실시하였다.

１) IDW 보간법 (역거리 가중) IDW 보간법은 이미 알고 있는 값으로부터 알고자 하는 값을 보간하는 방법이다. 구체적으로, 특정 포인트가 사용자가 생성하고자 하는 포인트로부터 멀어질수록 해당 포인트가 다른 포인트에 미치는 영향이 상대적으로 낮아지도록 샘플 포인트에 가중치를 부여하는 형태로 보간을 진행한다. 가중 영향력이 새 포인트로부터의 거리가 증가할수록 얼마나 떨어지는지를 제어하는 가중치 계수(weighting coefficient)를 사용하여 샘플 포인트에 가중치를 부여한다. 가중치 계수가 증가할수록, 생성하고자 하는 포인트의 값이 최근접 관측 포인트의 값에 근접하게 된다. IDW를 사용하여 주어진 점 x에 대한 보간된 값 u를 결정하는 형태의 보간 함수는 다음과 같다.

N은 이미 알고 있는 값의 개수, w는 가중치의 값, u는 앞서 말한 계산되어 나온 보간된 값을 의미한다.

２) 퍼지 이론 퍼지이론은 흔히 주변에서 일어나는 복잡하고 대규모적인 대상이나 애매한 문제들의 불확실성을 내포한 현상들을 다루고 해결할 수 있는 개념과 기술로 사용되고 있다(임승현, 조기성, 2002). 1965년 미국 캘리포니아 버클리 대학의 자데(Zadeh, L. A.) 교수가 ‘Information and control’이라는 학술지에 퍼지집합이란 논문에서 처음 발표하였다. 퍼지집합은 소속함수의 값이 보통집합에서와 같이 0과 1뿐만 아니라, 0과 1사이의 임의의 값을 가질 수 있도록 하는 집합이며, 다음과 같이 표시될 수 있다.

퍼지 집합의 소속함수는 원소 x의 집합 A에 대한 소속정도가 어떻게 결정되는가를 정의한다. 일반적으로 퍼지 집합의 소속함수는 자료의 특성에 따라 여러 가지 모양의 함수가 사용된다. 보통집합론에 근거한 정보의 단순화를 통해, 실제공간에 있어 명확하게 구분되거나 분류될 수 있는 공간정보의 종류는 극히 드물다. 이러한 전통적인 보통집합론에 의해 공간정보를 취급함으로서 발생하는 오류를 보완해 줄 수 있는 퍼지집합은 소속함수를 이용하여 모든 공간정보를 소속정도에 따라 분류하거나 분석할 수 있으므로 공간정보를 다루는 GIS 분야에서 아주 유용하다. 3) GIS 입지분석 모델링 계획 시각화는 크로스 플랙폼 자유-오픈 소스 데스크톱 지리정보 체계 응용 프로그램인 QGIS를 사용할 계획이다. 행정자치부에서 제공하는 2022년도 도로명주소 전자지도를 기반으로 하여 배경지도를 QGIS 상에 구축한다. 도시공간분석을 통해 도출된 입지선정을 위한 평가지표들을 만들고, 평가지표에 따라 평가 항목이 많이 중첩되는 곳을 전기자전거 보관·충전소 최적지로 선정한다. 활용할 평가 지표는 인구 특성, 접근·연계특성, 전기자전거 관련 데이터이며, 이를 입지선정 요인 데이터로 활용할 계획이다. 이를 바탕으로 입지선정 요인에 대해 각 그리드에 가중치를 부여하는 GIS 분석을 통해 데이터 그리드 밀도 분석을 진행하여 후보지를 선정한다.

2. 디지털 트윈 기술 - Simulink를 통한 리튬이온배터리 시뮬레이션 기술 디지털 트윈 기술은 현실 세계에 존재하는 사물, 시스템, 환경 등을 S/W 시스템의 가상 공간에 동일하게 모사(virtualization)하고, 실물 객체와 시스템의 동적 운동 특성 및 결과 변화를 S/W 시스템에서 모의(simulation)할 수 있도록 하고, 모의 결과에 따른 최적 상태를 실물 시스템에 적용하고, 실물 시스템의 변화가 다시 가상 시스템으로 전달되도록 함으로써 끊임없는 순환 적응 및 최적화 체계를 구현하는 기술이다.

◇ Matlab의 ‘Simulink’ 프로그램 소개 ‘Simulink’는 ‘Matlab’을 기반으로 한 프로그램으로 현실의 물체 혹은 상황과 유사하게 구현하여 시뮬레이션을 진행하는 프로그램이다. 이는 다양한 조건을 변수로 하여 가상의 공간에서 결과를 미리 도출해보는 시스템이며, 전력 전자, 무선 통신, 신호 처리, 디지털 트윈, 인공 지능 등 다양한 방면에서 활용된다. 즉, 모델의 설계를 기반으로 시뮬레이션과 조기 구동을 진행하여 물리적 모델 테스트(Hardware-in-the-Loop)를 미리 사용해 설계를 신속하게 검증한다. 더 나아가 시스템 예측 정비와 결함 분석을 수행하기도 한다. Matlab의 경우, 본 제품이 아닌 타사의 모델링 프로그램 툴을 포함한 라이브러리로 시스템 모델 시뮬레이션을 수행할 수 있다.

◇ ‘Simulink’ 활용 최근 ‘Simulink’를 통해 리튬이온 배터리의 조작 및 작동에 대한 시물레이션을 구현하는 것이 가능해졌다. 다음은 MathWorks에서 제공하는 리튬이온 배터리 모델링 파일이다.

위의 시뮬레이션을 작동시키면 실시간 변화하는 배터리의 전압, 전류, 저항, SoC를 확인할 수 있다. 충방전 상황의 passive balancing(충전량이 다른 배터리 셀간의 밸런스를 맞추는 것)을 확인할 수 있으며, 온도 관련 정보 또한 제공되는 것을 확인할 수 있었다. 특히 리튬이온 배터리의 경우 사용 기간이 길어질수록 내부 저항이 커지고 용량이 감소하는 문제점이 발생하게 된다. 해당 모델에서는 SoH(State of Health, 잔존수명)에 대해 Kalman filter(잡음이 포함되어 있는 측정치를 바탕으로 선형 역학계의 상태를 추정하는 재귀 필터이자 과거 수행한 측정값을 바탕으로 현재 상태 변수의 결합 분포를 추정하는 필터)를 통해 가상의 값을 제시한다. 본 조는 전기자전거 배터리의 실제 환경과 최대한 근접하게 설계 요소를 변경, 또는 관련 변수를 대입하며 모델링을 진행하고자 하며, 본 조에서 시뮬레이션 구현에서 중점을 둘 요소는 온도이다.

온도에 대한 시뮬레이션은 리튬이온배터리와 관련해 제공되는 BMS(Battery Management System)를 기반으로 구현할 수 있다. 여러 조건값(EX. 충방전, 외부의 충격을 받을 때 등등)을 가정하면 특정 상황에서의 온도 증감과 BMS의 오작동을 확인할 수 있을 것으로 판단된다. 이는 해당 설계가 목표하는 전기자전거 배터리의 폭발 사고를 예방하고 환경 요소 기반 열화 반응으로 인한 수명 단축을 관리하는 데에 활용 가능할 것이라는 시사점을 제공한다.

3) 온도가 리튬이온배터리에 미치는 영향을 분석할 수 있는 프로그램 활용 실제로 전기 자전거 배터리의 잔존 수명에 영향을 미치는 요소들은 매우 다양하다. 신호등 및 과속 방지턱의 개수, 도로 경사 및 노면 상태, 타이어 공기압, 탑승자 몸무게, 풍향, 풍속 등 정도는 다르지만 이와 같은 모든 요소들이 배터리 소모량, 나아가 배터리 잔존 수명에 영향을 미친다. 본 설계에서는 그러한 많은 요소들 중에서 리튬이온배터리의 안전한 사용과 직결된 요소인 온도에 초점을 맞춰 영향을 분석하고자 한다. 또한 다른 요소들과 비교했을 때, 온도가 배터리의 효율에 미치는 영향의 정도가 비교적 크기 때문에 온도를 배터리 관리의 핵심 변수로 간주하였다. 앞서 언급했듯이, Anylogic을 사용할 경우 직접 코딩으로 인한 배터리 모델링의 한계가 있으므로 Matlab의 Simulink를 통해 온도가 배터리의 전압, 전류, 저항, SoC에 미치는 영향을 시각적으로 파악하고자 한다. 이를 통해 저온 및 고온 상태에 따른 배터리 관리의 필요성을 제시하고, 추후 GIS 기술을 활용하여 공유 전기자전거 업체의 보관 체계를 구축하는 데 이론적 근거로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 특허명 : 인공지능 및 GIS에 기반한 전기차충전소 입지의 분석 방법 및 장치 ◇ 출원 번호 : 10-2022-0054429 ◇ 출원인 : 에쓰씨오소프트(주) ◇ 내용 : 일 실시예는 전기차충전소 입지 분석에 필요한 분석데이터를 수집하는 단계로서, 상기 분석데이터는 복수의 항목에 대한 데이터세트(data set)들을 포함하는, 상기 분석데이터를 수집하는 단계; 일 영역을 대상으로 일정한 크기를 가지는 격자를 생성하는 단계; 상기 격자에 상기 분석데이터를 매핑하여 격자별로 상기 분석데이터에 관한 정보를 포함하는 격자 내 분석데이터를 산출하는 단계; 기계학습을 통해 상기 격자 내 분석데이터를 분석모델에 학습시키는 단계; 상기 분석모델에 대한 학습이 완료되면, 상기 분석모델의 가중치를 결정하는 단계; 분석영역을포함하는 입력데이터를 입력받는 단계; 및 상기 격자 내 분석데이터에 상기 가중치를 적용하여 상기 분석영역의 격자에 대하여 전기차충전소 입지 분석 결과를 도출하는 단계를 포함하는 인공지능 및 GIS에 기반한 전기차충전소 입지의 분석 방법을 포함할 수 있다.

◇ 특허명 : 상권분석을 이용한 입지 추천 서비스 제공 시스템 ◇ 출원 번호 : 10-2021-0024488 ◇ 출원인 : 유준형 ◇ 내용 : 상권분석을 이용한 입지 추천 서비스 제공 시스템이 제공되며, 위치정보 서비스 제공에 동의하고, 복수의 카테고리 중 적어도 하나의 카테고리를 선택하며, GPS를 기준으로 노출된 적어도 하나의 상가 중 어느 하나의 상가를 선택하고, 어느 하나의 상가를 기준으로 적어도 하나의 카테고리별 점수 및 거리를 지도상에 오버레이하며, 적어도 하나의 카테고리별 점수를 합산하여 총점(Total Score)을 출력하는 사용자 단말 및 적어도 하나의 카테고리 및 적어도 하나의 카테고리의 하위 카테고리를 데이터베이스화하는 저장부, 복수의 카테고리 중 적어도 하나의 카테고리의 순위가 설정되는 경우, 순위별 점수 및 등급을 저장하는 점수환산부, 적어도 하나의 상가매물 데이터를 수집하여 위치 및 적어도 하나의 상가매물 데이터를 보유한 적어도 하나의 공인중개사 단말을 매핑하여 저장하는 매물관리부, 사용자 단말에서 적어도 하나의 카테고리 및 상가를 선택하는 경우, 선택된 상가를 기준으로 적어도 하나의 카테고리에 대한 점수를 추출하여 사용자 단말로 전송하는 전송부를 포함하는 추천 서비스 제공서버를 포함한다.

• 기술 로드맵

◇ 국내외 정책동향

- (국외) 공간정보 활용성 증대를 위한 데이터 개방 정책 및 CPS 구축·검증 추진(미국), 맞춤형 공공서비스 제공 및 공간데이터 개방 정책 추진(영국), CPS 구현을 통한 Stress-free 사회 실현을 목표로 플랫폼 개발 추진(일본) 등의 정책 활발

- (국내) 공간정보 관련 R&D 정책은 국토교통부, 미래창조과학부, 교육부 등의 순으로 많이 추진되었는데, 국토교통부는 공간정보 인프라 기술 개발에 중점이 있는 반면, 타부처는 공간정보 기반의 농업, 재난관리, 환경, 의료 등 활용 분야에 초점

◇ 국내외 시장동향

- (국토 가상화 분야) 고정밀 측위기술 발전, 고해상도 영상 수요 증가 등에 따라 향후 지속적으로 성장할 것으로 전망

- (실시간 공간정보 초연결 분야) 향후 IoT 및 빅데이터의 기술 발전과 O2O서비스시장 확대 등에 따라 규모가 꾸준히 증가할 것으로 예측

- (공간정보 지능화 분야) 공간정보 분석 시장, 인공지능 관련 시장 등과 밀접하며, 인공지능 기술의 급격한 발전과 함께 공간정보 지능화 분야 시장도 크게 성장할 전망

- (공간정보 활용지원 분야) 공간데이터 가공, 콘텐츠 시장 등을 포함하는 것으로, 다양한분야에서 공간정보 활용 수요가 증가하고 있어 향후 관련 시장도 확대될 것으로 기대

◇ 국내외 기술동향

- (국토 가상화 분야) 고정밀 3D 공간정보에 대한 수요가 증대됨에 따라 자동차, IT등 관련 글로벌 기업들이 다양한 글로벌 협업체계를 구축하여 기술개발 추진 중

- (실시간 공간정보 초연결 분야) 사물간 연결망을 기반으로 급격히 기술이 발전하고 있으며, 최근에는 스마트 홈, 스마트 시티 등 다양한 산업에서 부가가치를 창출

- (공간정보 지능화 분야) 각종 정보들을 수집·분석하여 다양한 상황을 자동적으로 인지하고 예측하는 인공지능 기술개발 추진

- (공간정보 활용지원 분야) 다양한 위치기반 서비스들이 증가하고 타 분야에서의 공간정보 활용이 활발해지면서 공간정보 공유를 위한 커넥티드 기술개발이 활발

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

◇ 민간 공유전기자전거 서비스(카카오모빌리티, 일레클 등)

1. 사업 분야 자동차나 지하철, 버스 등 대중교통 이용이 어려운 중단거리 이동 시 효과적인 이동수단으로서 전기자전거 공유 서비스를 제공한다. PAS 방식은 자전거로 분류돼 원동기 장치 면허 및 안전모 착용 의무 없이 이용 가능하므로 소비자에게 접근이 용이하다는 장점을 취하고 있다.

2. 사업 현황 및 성장 가능성 현재 본 설계에서 대상 지역으로 설정한 영등포구에서는 일레클이 운행되고 있다. 일레클의 경우 2022년 기준 연내 1만대 이상으로 운영 대수를 늘리고 전국 각지로 서비스를 확대 예정이라고 밝혔다. 이외 광교 등에서 운행되는 카카오모빌리티의 경우 서비스 지역을 지난해 10곳에서 올해 18곳으로 증가시켰다. 올해 2분기 카카오T 바이크의 일평균 운행 완료 수는 전년 같은 기간 대비 18.9%가량 증가하였다. 이처럼 공공 자전거 서비스가 없는 지역이나 대중교통 접근성이 떨어지는 지역, 택시 호출이 어려운 단거리 구간 등 기존 교통체계로부터 소외된 지역 중심으로 지자체와 협업 논의가 활발히 진행 중에 있으며, 앞으로 전기자전거 시장은 점점 성장할 것으로 예측된다.

3. 전기자전거 관리 체계 현황 전기자전거 배터리의 충전 및 정비는 모두 업체가 담당하고 있다. 지역별 전담 운영팀을 통해 충전이 필요한 전기자전거 배터리와 정비가 필요한 전기자전거를 직접 수거하여 일괄 충전·정비하는 방식으로 운영한다.

4. 서비스 보완 지점 공유전기자전거의 서비스 특성상 전기자전거가 길거리에 방치되는 경우가 대다수이다. 이는 공유전기자전거 차체에 대한 관리와 탑재된 배터리에 대한 관리를 어렵게 한다. 특히 온도가 중요한 운행 효율성을 좌우하는 중요한 조건이기에 전기자전거의 보관 및 충전을 관리하는 거점 지역의 필요성을 확인할 수 있다.

◇ 정부 운영 공공자전거 서비스 통계청 국가통계포털에 따르면 2021년 기준 전국에 공공자전거 약 5만5000대가 운영되었다. 현재 서울의 따릉이, 거창의 그린씽, 세종의 어울링, 창원의 누비자 등 약 14개의 지역에서 공공자전거 서비스가 바로 그 예이며 시민들이 쉽게 접근할 수 있어 수요가 높은 편이다. 그러나 동시에 낮은 수익성, 높은 유지 관리비, 수리비 등으로 인해 운영에 어려움을 겪고 있는 상황이다. 또한 민간공유전기자전거 서비스 업체의 등장으로 사용자 저감 현상이 나타나고 있다. 실제 창원시의‘누비자‘의 경우 2017년 547만7700회에서 2021년 412만9800회로 급감했으며 이는 코로나 19의 영향과 더불어 카카오T바이크 서비스의 유입이 큰 원인으로 고려되고 있다. 광주 공공자전거 ‘타랑께’ 이용 현황에 따르면 지난해 7월 도입 이후 꾸준히 상승하던 이용횟수는 올 5월 2,938건을 기록한 뒤 7월 1,861건으로 줄었다. 이는 카카오T바이크가 5월부터 광주에서 서비스 시작의 영향을 받은 것으로 보고 있다. 높은 적자와 이용자 저감에 따라 안산시, 고양시 등 지자체가 민간공유전기자전거 서비스와 협업하는 사례가 증가하고 있다. 경기도 안산시는 공공자전거 ‘페달로’를 운영하다 저자로 사업을 중단한 뒤 현재 카카오T바이크를 도입해 운영, 경기도 고양의 경우 공공자전거 ‘피프틴’ 운영을 중단하고 KT 모빌리티의 타조를 도입하였다. 이와 같이 정부, 지자체와 민간 전기자전거 서비스의 협업이 증가하고 있는 추세임을 알 수 있다.

• 마케팅 전략 제시

◇ SWOT 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ GIS기술을 기반한 유동인구와 지리적 특징을 이용하여 최적화된 위치에서 전기자전거 보관 및 충전이 가능하다.

◇ 온도에 영향을 받는 전동 모빌리티의 효율적인 보관으로 안전사고 방지 및 배터리 효율 감소를 방지할 수 있다.

◇ 본 설계에서 더 나아가, 배터리효율(SOC)에 영향을 미치는 다른 요소들을 고려한 배터리 관리 기술의 적용을 통해 퍼스널 모빌리티에 대해 더욱 체계적인 전기자전거 차체 및 배터리 관리 시스템을 구축할 것으로 기대할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 기존 배터리를 직접 교체했던 방식이 아닌, 충전소에서 충전을 하는 방식을 사용함으로 배터리 관리에 효율적인 금액사용이 가능하다.

◇ 전기자전거의 활성화로 그 시장이 넓어지는 추세에 맞추어, 배터리 관리의 필요성이 대두된다. 전기자전거 보관소를 통하여 체계적으로 전기자전거 관리가 가능하고, 시민들로 하여금 배터리의 효율적이고 안전한 관리에 대한 필요성을 인식하게 하는 기능을 한다

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

가. 온도 및 배터리 관계 분석

리튬이온 배터리의 수명과 효율에는 온도가 중요한 요소로 작용한다. 따라서 자전거에 활용되는 리튬이온 배터리의 경우 외부 온도에 대해 어떠한 영향 받는지 파악하고 디지털 트윈 기술을 활용해 증명해보는 설계를 구상했다. 이를 통해 전기자전거 배터리의 온도 관리에 대한 중요성을 재확인하고 전기자전거 보관소에 대한 본 설계의 배경을 설명하고자 한다. 디지털 트윈 프로그램 중 하나인 ‘시뮬 링크’를 통해 전기자전거 배터리 셀의 외부 온도에 따른 SOC(State of Charge: 충전 상태)를 파악하였다. 시뮬 링크에서 제공되는 기존 배터리 온도 모델을 기반으로 구성 요소를 바꾸었으며 변경한 모델에서는 배터리 A, B, C를 가정하였고 각각 25℃, 10℃, -5℃의 조건을 설정했다.

단, 온도에 대한 모델을 시뮬레이션하기 위해서는 제공되는 여러 모델들 가운데 선택해야했다. 삼성, LG, SONY 등 전기자전거에 주로 사용되는 배터리 셀인 18650 모델의 경우 정격 전압 3.7V와 완충 시 4.2V으로 충전 용량이 2000mAh~3500mAh에 이른다. 따라서 가장 유사한 조건인 3.6V 2.05Ah (LiCoO2)의 배터리 셀을 선택했다.

그 결과 위와 같은 그래프를 얻을 수 있었다. 이때 SOC(세번째 그래프)를 살펴보면 배터리를 동일시간 방전할때 25℃(노랑), 10℃(파랑), -5℃(빨강) 순으로 SOC가 낮게 나옴을 확인하였다. 즉, 동일 시간 방전되는 배터리가 상온에 비해 온도가 낮을 경우 높다는 것을 보여준다. 이는 겨울철 온도가 급격히 낮아지며 핸드폰 배터리, 이륜차 배터리, 전기차 배터리가 갑자기 방전되는 상황을 보여준다. 이처럼 배터리의 잦은 방전을 일으키는 저온 환경은 배터리의 충전 사이클을 늘리게 되며 이는 배터리 용량(capacity)를 줄여 리튬이온배터리 배터리의 수명(SOH)을 저하시키는 원인이 된다. 실제 한 연구에 따르면 리튬이온 배터리는 온도가 감소할수록 전지 내부저항이 급격하게 증가하여 리튬이온의 이동성이 현저하게 감소한다고 하였다. 전지 내부저항이 증가하는 것은 저온 뿐 아니라 고온 환경에서도 나타난다. 실제 Sony사의 18650셀을 통해 상온에서 55℃까지의 온도 변화를 살펴본 연구에서는 500회 충방전 실험을 실시했을 때 상온에서는 22.5% 용량이 감소했지만 55℃에서는 70.65%의 용량 감소를 보였다. 또한 고온 환경에서의 전지 사용은 연쇄 발열 반응으로 인한 열폭주 (thermal runaway) 현상을 일으켜 폭발 사고로 이어진다. 비록 전기자전거의 리튬이온 배터리팩 내부에는 BMS(Battery Mangement System)이라는 기기가 있어 과열을 방지함에도 외부 온도 와 과충전에 의해 해당 시스템에 오류가 일어나 폭발사고가 발생하기도 한다. 전기자전거 리튬이온전지의 사용 가능 온도는 0~60ºC으로 최적의 성능을 위해서는15~40ºC에서 가동을, 10~30ºC에서 보관을 권장하고 있다. 그러므로 전기자전거 보관소 구축에 대한 본 설계를 통해 위 문제점을 완화할 수 있을 것이다.

나. 보관소 모형 구축

전기자전거 보관소는 현재 실외에 존재하는 조립형 흡연 부스들의 모형을 참고하여 구상하였다. 세면의 외벽은 조립식 창문형으로 구성하여 여름철에는 문을 열어 환기, 환풍이 가능하게 하였다. 이를 통해 여름철 실내 온도를 낮추고자 하였고 반대로 겨울철에는 양 옆의 창문을 닫아 실내 온도를 유지하는 설계를 구상했다.

보관소는 전기자전거를 안전하게 여러 환경적 요소로부터 보관할 뿐 아니라 충전소의 역할도 겸비하고 있다. 충전기는 공유자전거 업체의 배터리에 맞춰 구성하며 이를 거치대 형태로 만들어 앞에 자리한 자전거와 연결하여 충전하도록 구상하였다.

전력 공급을 위해 보관소의 지붕 위에 태양광 셀을 설치하였다. 30제곱미터 이상의 면적에 설치 가능한 3kW 주택용 태양광 셀의 경우 평균 260kW를 공급하는 것으로 알려져 있다. 본 설계에서는 이보다 큰 용량의 5kW 태양광 셀을 설치하기로 하였다. 또한 독립형 ESS를 사용하여 태양광 발전을 통한 전기 공급을 구상하였다. 이는 되도록 모든 전력을 태양광을 통해 발전하되 충전이 부족하거나 자전거 차체에 문제가 생겼을 경우를 확인하기 위해 고용 인력이 주기적으로 보관소에 방문하여 관리하는 것을 전제하였다.

보관소를 운영하는 시스템으로는 벽면에 led 표지판을 설치해 각 거치대의 전기자전거 충전 상태를 표시, 사용자의 편리한 자전거 이용을 도와주고자 한다. 더불어 현재 많은 전동 킥보드 업체에서는 권장 주차구역에 주차 시 소비자에게 포인트를 지급하는 방법을 진행하고 있는데 동일하게 차용할 것을 제안한다. 즉, 소비자가 다른 외부 장소가 아닌 보관소에 배치하고 충전을 진행시키면 차후 사용할 수 있는 포인트 지급하는 시스템을 통해 소비자의 적극적인 전기자전거 보관소 이용을 독려하고자 하였다.

다. 보관소 위치 선정 앞서 개념설계 단계에서는 대상지역을 여의동으로 설정하였다.

◇ 입지 분석 여의동의 입지분석을 위해 2021년 8월 ~ 2022년 8월의 월별, 요일별, 일평균 유동인구에 대한 정보와 유동인구의 밀집 위치에 대한 지표로 카페를 선정, 카페 업소수의 추이를 조사하였다.

◇ Geocoding Tool를 통한 buffer를 생성

Geocoding Tool을 여의도의 카페 분포도 분석과 인구 유동량 분석을 위해 필요한 buffer를 생성하는 데 활용한다. 본 조는 공공데이터 ‘소상공인시장진흥공단_상가(상권)정보_서울_202209’와 ‘SK텔레콤_전국 주요상권 유동량 조사 정보’ 를 기준으로 삼았다. 상가 정보 중 표준산업분류명을 ‘비알콜 음료점업’으로, 행정동명을 ‘여의동’으로 설정하여 여의도 내 카페에 대한 데이터만을 추출한다. 대상구역에서는 151개의 카페가 운영 중인 것으로 확인되었다. EPSG 코드가 명시되어 있는 TM중부로 좌표계를 설정한 후 지번주소를 기준으로 지오코딩을 실행한다.

◇ 좌표계 설정

CSV 파일을 QGIS에 업로드하면 다음과 같이 카페의 현황이 buffer 형태로 표시된다. 좌표계는 EPSG:5174로 설정해주었다.

◇ 유동인구 데이터 시각화

SKT의 지오비전에서 제공하는 유동인구 데이터를 활용하여 QGIS에서 유동인구 데이터를 위와 같은 방법으로 시각화하였고, 결과는 다음과 같다. 핸드폰이나 중계기에서 발생하는 전파는 기지국으로 전달되고, 이를 통해 Signal 데이터(단말기 Keep Alive 자동 등록, Background App, 자동 등록 등의 신호 정보)와 CDR 데이터(통화, 문자, 데이터 등의 Traffic 정보)를 확보할 수 있다. 이러한 데이터는 기지국에 pCell Raw Data 형태로 적재되고, 주간 체류지 정보, 야간 체류지 정보, 성/연령 정보 등 또한 적재된다.이를 바탕으로 50m 반경에 대한 pCell 통계 데이터를 생성하게 된다. pCell 데이터에는 유출인구, 거주인구, 상주인구, 활동인구, 성/연령별 유동인구, 시간대별 유동인구, 유입지별 유동인구, 유출지별 유동인구, 기/종점(O/D) 인구 이동량 등이 포함된다. 본 조는 이 pCell 데이터를 바탕으로 QGIS 상에서 유동인구에 대한 시각화를 진행하였다.

◇ 전기자전거 데이터

전기자전거 데이터가 존재하지 않아 공유 킥보드 업체인 지바이크에서 제공하는 데이터를 활용하였다. 보편적인 출근 시간인 07-09시와 퇴근 시간인 18시를 기준으로, 공유 킥보드 운행 관련 데이터를 취합하여, 공유 킥보드 주 운행 위치에 대한 SHP 데이터(지오코딩을 이용하여 액셀 데이터를 SHP 데이터로 변환하였다.)를 QGIS 상에서의 Heat map(열지도) 형태로 시각화하였다. Heat map의 적용 원리는 특정 위치에 존재하는 ‘포인트의 개수’를 기반으로 밀도를 계산하는 것이며, 군집 포인트의 개수가 많을수록 더 큰 값이 산출된다.

여의도 스타벅스 한양증권점을 중심으로 설정한 후, 이를 기준으로 반경 2000m에 대한 커널 밀도 추정을 진행하여 열지도 형태의 시각화를 진행하였다.

입지 분석에 따라 전기자전거 보관소를 설치하기에 최적화된 실제 좌표추출을 시도했으나, QGIS 상에서 다시 python으로 좌표추출의 어려움으로 인하여 임의로 그리드의 모서리 부분을 전기자전거 보관소의 설치 위치로 설정하였다.

위치는 다음과 같다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

1. 안정성 평가 ◇ 시스템 적용의 안정성 기존 전기자전거의 보관방법은 주로 대로변, 유동인구가 많은 지역에서 건물 옆 등등에 주차를 하고, 정해진 시간마다 배터리 교체 인원을 배치해 배터리 교체를 하고 있다. 지정된 주차 구역으로 어플을 통해 안내는 하고 있으나 이를 무시하고 임의대로 방치를 하는 경우도 많이 있다. 자동차 주차구역, 혹은 대교의 갓길, 고속도로 입구 등등 타인으로 하여금 불편을 주거나, 관리가 어려운 상황에서 전기자전거의 배터리의 상태를 보존할 수 없다는 단점이 있다. 전기자전거의 경우 개인 이동수단으로 분류되어 배터리의 안정성에 대한 관리가 더욱 체계화되었다. 리튬이온 배터리의 특성상 온도에 영향을 많이 받는다. 온도가 너무 높거나 낮을 때에 배터리 효율의 문제와 폭발 위험성이 높아진다. 이 때 자전거 보관소를 이용하여 전기자전거를 보관, 배터리의 관리를 한다면 이런 단점이 해결될 수 있을 것이다. 계절별, 날씨별로 크게 달라지는 환경이 아닌, 배터리 효율에 영향을 적게 미치는 환경을 만들어줌으로써 배터리의 상태변화를 최소화하여 배터리의 안정적인 관리가 이루어지는 것을 예상할 수 있다.

2. 효율성 평가

◇ 체계성 공유전기자전거 민간서비스의 경우 현재 자유롭게 주차하고 이후 해당 업체 직원들에 의해 수거 및 재충전, 재배치를 하는 시스템이다. 전기자전거 보관소를 구축한다면 전기자전거를 일일이 수거하는 수고와 비용을 줄일 수 있게 된다. 더불어 보관소에서 저속으로 충전을 진행하는 시스템을 통해 각 자전거의 충전상태에 따라 회수 여부를 결정하게 된다. 이를 통해 추가 충전이 필요하거나 차체 손상 등 관리가 필요한 자전거에 대해 회수 후 집중 관리할 수 있는 체계적 시스템이 구축될 것이라 예상된다.

◇ 접근성 본 설계는 GIS기술을 활용하여 공유전기자전거의 최적의 입지선정을 제안하였다. 기존의 전기자전거 및 전동킥보드의 경우 지정된 주차구역에 주차를 하도록 안내되어있으나 실제로는 이용자들의 편의에 맞는 위치에 주차하는 경우가 많다. 자전서 보관소의 경우 유동인구의 수와, 전기 모빌리티의 운행위치 데이터를 기반으로 보관소 위치를 선정하여 주된 이용자인 직장인의 접근성을 향상시키고, 보관소 구축으로 이동자들의 무분별한 주차로 인해 발생되는 불편함을 방지할 수 있다.

3. 경제성 평가 본 설계는 전기자전거와 같은 소형리튬이온배터리의 별도 관리체계가 없는 상황에서 소비자의 안전 및 편의에 포커싱하여 Matlab-Simulink를 통해 온도에 따른 배터리 상태를 시뮬레이션하고 그 결과를 바탕으로 관리에 적절한 형태의 친환경적인 보관·충전소를 설계지역에 구축하며, 각 위치는 QGIS 프로그램을 통하여 유동인구 데이터 시각화 및 최적입지 분석을 통하여 선정하는 것이다. 현재 전기자전거의 배터리 관리를 목적으로 하는 사업이 거의 존재하지 않으며, 설계 목적상 직접적인 편익보다는 온도 관리를 통한 폭발 사고 예방 및 보관소 사용을 적극 장려함으로써 경각심을 증진시키고 이후 전기차 배터리와 같이 체계적이고 효율적인 관리로 발전하는 것을 최종 목표로 하기 때문에 보관소 구축에 따른 부수적인 효과에 대한 금액적인 분석에 다소 어려움이 있다. 따라서 정확한 금액 산정이 어려운 요소에 대해서는 별도로 기술하였다.

- 태양광 보관소의 경우 태양광 전기차 충전소 설치 기업인 아이솔라에너지㈜에서 비용을 참고하였으며, 전기자전거 충전소 사업도 계획중에 있다고 하였다. 문의 결과 KW당 130만원으로 보관소 1개당 5KW의 태양광 설비를 설치 한다면 한달 평균 500KW 전력 생산이 가능하다. 일레클 업체의 전기자전거 배터리 스펙이 리튬이온 36V 14Ah(504Wh) 이므로 배터리 용량이 대략 1.5KW이며 하루 10대 완충 소요 전력은 15KW로 한달에 450KW가 필요하며 이는 500KW 전력 생산으로 감당이 가능하다. 따라서 130만원/kw x 5kw = 6500000원으로 산정된다.

- Led 광고판의 경우 시중 제품 가격인 약 90만원으로 산정하였다.

- 순수 태양광 전력으로만 운영하기 위하여 독립형 인버터 및 ESS를 사용하였으며 ESS의 경우, 10대 완충 소요전력인 15kw 이상 스펙인 인버터 포함 올인원 ESS 20KW 제품으로 1750만원으로 산정하였다.

- 보관소 관리 인력 비용의 경우 1인 기준으로 9급 공무원 1호봉 월급으로 계산하였으며 월 1686500원의 비용으로 책정하였다.

- 광고 편익의 경우 버스정류장 벽면 광고 형태의 비용을 참고하였다. 버스정류장은 지역, 등급, 벽면 위치, 광고사 별로 광고비용이 상이하나 약 30~300만원의 금액대가 형성되어 있으며, 설계 지역인 여의도의 경우 유동인구가 많고 직장인이 많은 지역으로 높은 금액대가 책정되어 있기 때문에 월 300만원으로 가정하였다.

- 충전 편익의 경우 한달 10대 충전시 450kw가 필요하므로 보관소 9개 구축시 4050kw가 필요하며, 서울시 양천구 전기자전거 충전소 충전요금 kw당 252원을 기준으로 월 1020600원으로 산정하였다.

- 인력 비용 절감의 경우 일레클 업체에서 여기저기 흩어진 전기자전거를 수거 및 관리할 때 2인1조의 체계로 운영중이며, 설계 지역내 적절한 위치에 여러 개의 보관소 구축시 이에 대한 인력이 필요하지 않아 일레클 업체와 협력시 이에 대한 비용을 편익으로 환산할 수 있다. 카카오 t바이크 업체의 경우 전기자전거 수거 및 재배치 인력비용을 인당(일평균 45대 전후) 프리랜서 계약으로 월 370만원으로 산정하였으며, 이를 참고하여 환산이 가능하나 본 설계에서는 일레클과 협력하지 않은 상태로 추후 일레클업체와 협력이 되면 이에 대한 비용이 편익으로 책정될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 일레클 기업의 ESG경영 트렌드에 맞는 브랜드 가치 상승 효과를 기대할 수 있다.

- 사고 보상비용 감소분의 경우, ‘비용편익 분석을 통한 안전보건대장의 경제적 효과성 분석, 임세종, 2021’ 논문에서 안전관련 사업 진행 시 편익을 사업 도입 전,후 예상되는 안전사고 사례 감소수를 바탕으로 산업재해보상보험법에 따른 보상비용 감소분으로 환산하여 책정하는 것을 참고하였다. 본 설계의 경우 설계지역을 여의도에서 전국 범위로 확장시켜 적용시 제조물책임법의 제조업자배상책임에 따라 전기자전거 폭발시 들어가는 자전거업체의 보상비용 감소분을 편익으로 환산할 수 있을 것으로 기대된다. 소방청 화재통계에 따르면 지난 5년간(2022기준) 전기자전거 화재로 인하여 생긴 재산피해 규모가 약 1억 4천만원이며 온도 관리 목적의 보관소를 구축함에 따라 사고 발생률의 감소 효과가 기대되지만 직접적인 실험 및 분석을 진행한 것이 아니므로 본 설계에서는 금액적 계산에서 제외하였다.

4. 확장성 평가 전기자전거의 확장성은 여러 방면에서 가능하다. 1) 전기자전거에서 나아가 다른 모빌리티로의 확장성을 평가한다. 본 설계물의 안정성, 효율성 및 확장성을 분석한 결과에 따라 보관소 구축을 통해 배터리의 효율적이고 안전한 보관이 이루어질 수 있다. 전기자전거 뿐만이 아닌 전동킥보드의 경우 가까운 거리를 가는데 더욱 손쉽게 찾을 수 있는 모빌리티로서, 전기자전거와 배터리 사용형태가 크게 다르지 않아 보관소를 통한 배터리 효율관리가 동일하게 이루어질 수 있다.

2) GIS의 특성을 통하여 지역의 유동인구를 고려한 최적의 입지선정이 다른 지역에서도 또한 적용될 수 있다. 하지만, 사업 확장을 고려했을 때에 몇 가지 제약사항이 있을 수 있다. 보관소의 경우 부지에 대한 사용 허가가 필수적이다. 공공 자전거의 경우 지자체에서 자체 허가를 하고, 보관소를 구축하고 있으나, 전기자전거의 경우 공공사업의 형태가 아니기 때문에 이에 대한 보완이 필요하다. 최근 수원, 화성 등 전기자전거 보관소를 지자체에서 계획하고 진행하는 곳이 나타나고, 일본의 경우에서도 국가에서 주차장을 마련하는 등 이용에 대한 지원 사업이 이루어지고 있다. 또한 수원시-LG전자-현대모터그룹의 협력으로 '스마트 충전스테이션' 31개소 시범 설치 예정이다. 전기자전거도 마찬가지로 지자체, 기업과 연계하여 보관소 구축이 진행된다면 발전 가능성은 더욱 올라갈 것이다.

3) 배터리에 영향을 미치는 요소로는 온도 외 배터리에 가해지는 충격량, 배터리의 충-방전 횟수 등등 다양하게 고려해볼 수 있다. 전기자동차의 경우 현재 제조사 및 전기차 충전소와의 협업을 통해 데이터를 제공받아 전기자동차 개인의 차체의 배터리 효율을 관리하는 시스템을 제시하고 있다. 해당 설계에서는 기술 및 이해의 한계로 디지털 트윈 기술을 SOC에 대한 온도 영향을 살펴보는 데에만 활용하였다. 그러나 훗날 전기자전거 서비스 업체, 제조업체가 디지털 트윈 등 신기술의 적용을 통해 퍼스널 모빌리티에 대해 더욱 체계적인 전기자전거 차체 및 배터리 관리 시스템을 구축할 것으로 생각된다. 이때에 보관소 및 충전소의 역할은 더욱 증대될 것으로 예상한다.

향후계획

◇ 본 설계에서는 기존의 전동 모빌리티 보관의 한계점 및 배터리의 안전사고에 대한 대응의 한계를 극복하고 대상 지역의 모빌리티 이용자에 맞춘 최적 입지조건을 선정하기 위해 GIS기술을 도입하였다. 설계의 적용 대상을 전기자전거로 지정하였고, 다양한 지표(안정성, 효율성, 경제성, 확장성)를 통해 평가한 결과, 향후 ‘타 지역 및 모빌리티에 대한 확장 가능성이 높다.’는 평가 결과가 도출되었다. 이에 따라 안전한 모빌리티 보관 및 관리의 달성을 기대할 수 있다.

◇ 최근 전기차 폐배터리에 대한 관심과 지원이 확대됨에 따라 관련 사업이 활발하게 이루어지고 있다. 전기자전거 보관이라는 가시화된 체계를 통해 전기차 뿐만이 아닌 전기 자전거 배터리의 안전하고, 효율적인 관리방법에 대한 관심이 확대되어 체계적인 배터리 관리가 가능해질 것이라 사료된다.

◇ GIS기술의 발전동향

GIS기술은 도시계획에서 농업사회, 자연환경에서의 산사태 위험지역 분석, 공항 활주로 및 탑승구 관리 등 그 활용 범위가 넓은 편이다. 유동인구의 이동과 관련해서 도시 설계 및 관리, 도시의 지리적 특징 파악 및 문제점 해결 등의 기능을 하고 있다. 교통 분야에서도 이용이 활발한데, 웹기반 GIS 보행위험지역 진단 지도 및 예측지도 구축 등에 사용되고 있다. 본 조가 제시하는 바 각종 중소형 모빌리티, 대중교통의 데이터와 유동인구에 대한 데이터를 이용하여 지역별 맞춤 모빌리티 및 최적 입지 선정에 효과를 얻을 수 있을 것이다.

◇ 전기 자전거 관련 정책 동향 최근 고유가와 글로벌 경기 침체로 녹색성장, Green Energy 산업 육성에 따라 친환경 운송 수단이 큰 관심을 받으면서 전기자전거, 전기 스쿠터, 전기 자동차 등의 시장이 급격하게 성장하고 있다. 국내에서도 창원시를 비롯하여 공공 전기 모빌리티를 적용하고자 하는 지방자치단체들이 증가하고 있으며, 정부차원에서도 세계 3대 자전거 생산국 진입을 목표로 자전거 산업을 육성하고 있어 향후 자전거 시장은 성장할 것이다. 그에 맞춰 사용하게 될 전기자전거의 구동 전원인 리튬이차전지 배터리의 수요가 늘어날 것이고, 그에 따른 관리의 필요성이 대두가 될 텐데, 본 조에서 제시한 보관소를 지역 인구와 지리적 특성에 맞게 적용한다면 배터리 안정적인 관리가 이루어질 것이다.

유의해야 할 사항은, 보관소의 입지 선정에 있어서 공간의 확보이다. 최근 수원시-LG전자-현대모터그룹의 협력으로 '스마트 충전스테이션'을 구축했던 사례를 바탕으로 하여 기업과 지자체의 협력으로 이를 보완하고, 사업을 확장시킬 수 있을 것이다.

특허 출원 내용

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