배달의먼지

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 이륜자동차 폐배터리 수명 예측 스테이션

영문 : Two-Wheeled vehicle waste battery life prefiction station

과제 팀명

배달의 먼지(5조)

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 박*홍(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 강*만

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 김*림

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 최*성

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

최근 전기 이륜차 전환 사업으로 전기이륜차 보급과 지원금 제도, 층전소 인프라 확대 방안이 시행되고 있다. 특히 배터리 교환형 충전소, BSS(Bater Swapping Station)는 전기이륜차의 긴 충전시간을 해결할 수 있는 방안으로 꼽힌다. 서울시는 2025년까지 전업 배달용 오토바이 3만 5000대를 전기오토바이로 교체할 계획이며 기존에 설치된 전화 부스를 활용하여 150개소의 BSS를 설치할 예정이다. 그러나 전기이륜차 배터리의 회수, 수거, 재활용에 대한 시스템과 제도적인 방안이 마련되지 않은 상태이다. 이에 본 과제에서 배터리가 충전함 내에서 일련번호가 부착된 배터리를 인식하여 충전 횟수, 남은 배터리 잔량 등을 확인하는 시스템을 구축하고자 한다. 이러한 시스템 구축을 통해 수명이 다한 폐배터리를 판별하고 회수, 수거를 용이하게 하는 것을 목표로 한다.

개발 과제의 배경

 2050 탄소중립 목표를 달성하기 위해 다양한 부문에서 높은 수준의 온실가스 저감 노력이 요구된다. 수송 부문은 18년도 기준 탄소 배출량이 98.1 백만 톤으로 산업, 전환 부문에 이어 3위를 차지하고 있다. 최근 수송 부문에서 탄소중립을 위한 핵심 방안은 전기차 보급 확대라고 할 수 있다. 내연기관을 사용하지 않는 전기차는 탄소중립 수송 분야에서 거스를 수 없는 대세로 자리 잡았고, 우리나라 역시 전기차 보조금을 지원하고 보급 확대를 위해 관련법을 개정하고 있다. 
 특히 코로나19와 1인 가구 증가 등으로 인해 배달 업계가 유례없는 호황을 맞이하면서 이륜자동차 분야에 대한 관심도 높아지고 있다. 서울시는 2022년 전기이륜차를 7천대 보급한다고 밝혔으며 2025년까지 전업 배달용 이륜차는 100% 전기이륜차로 교체할 계획이라고 밝혔다. 하지만 전기이륜차는 긴 충전시간으로 인해 사용하는데 불편함이 따랐다. 이에 따라 등장한 것이 바로 BSS이다. 해당 스테이션에서 방전된 배터리를 완충 배터리로 교체하는데 1분도 걸리지 않는다.

개발 과제의 목표 및 내용

1) 과제 목표

 본 과제는 현재 설치된 BSS의 수거, 회수 시스템의 한계를 인식하고, 전기 이륜차 배터리의 수명을 판단하는 시스템 구축을 목표로 한다. 또한 전기이륜차 폐배터리만의 특성을 고려해 수거, 회수 후의 재활용 방안도 제시하고자 한다.

2) 과제 내용

 배터리의 수명은 주행거리뿐 아니라 운전자의 습관, 속력, 방전 횟수, 사용 시간 등 많은 요인이 영향을 미치기 때문에 정확한 판별이 어렵고, 전기차와 달리 전기이륜차의 경우 계속해서 배터리가 교환되기 때문에 계속해서 배터리를 추적하며 성능을 판단하기 어렵다.
 하지만 배터리가 충전되기 위해 충전소로 반납될 때 충전함 내에서 일련번호가 부착된 배터리를 rfid방식으로 인식하여 충전횟수, 남은 배터리(%) 등을 확인해 배터리의 잔존가치를 추정한다. 또한 충전완료 된 배터리는 초록색, 충전 중인 배터리는 노란색, 폐배터리는 빨간색, 폐배터리가 아닌 것은 파란색으로 표시하여 사용자들의 배터리 교환을 용이하게 하고 폐배터리를 수거, 회수하는 데에 있어 1차적인 방안으로 활용한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전기이륜차의 끊김 없는 사용을 위해 안정적인 배터리 공급은 필수이며, 배터리의 종류, 규격, BMS(Battery Management System) 등 배터리의 기본적인 스펙에 대한 이해와 배터리의 수요를 예측하고 수요량 이상의 배터리를 미리 충전하여 준비하는 배터리 교환 충전소의 역할이 중요하다.

1) 리튬이온전지

- 기존에 사용되던 납산 전지보다 부피가 작고 가벼우며, 긴 수명을 갖고 있다. 또한 고밀도의 에너지 저장과 고전압이 가능하다.
- 하지만 다른 전지에 비해 안정성이 떨어져 과방전 시 용량 감소가 크고, 과충전 시 폭발 위험이 존재한다.

2) BMS

- 배터리 전압, 온도, 전류, 잔존용량(SoC, State of Charge)을 계측하며, 이러한 정보들을 운영 소프트웨어인 EMS(Energy Management System)로 데이터를 송, 수신하여 에너지의 효율적인 관리를 돕는다.
- 폐배터리 분해 시 BMS를 통한 방전이 필요한데, 배터리 제조사마다 다른 BMS는 기밀 사항으로 폐기 시 어려움이 있다. 따라서 국가적인 BMS의 표준화 또한 필요한 상황이다.

3) BSS

 현재 운영되고 있는 대부분의 BSS는 월 구독형 서비스로 이용된다. 이 때, 차량이 등록되고 지역별로 차량의 대수를 추정해, 필요한 공급량을 산정한다. [그림 1]의 젠트로피 BSS 사례를 살펴보면, 중앙 제어부를 중심으로 BSS와 이용자의 이륜차가 통신한다. 이륜차의 배터리 잔량이 기준 이하가 되어 배터리 교체 시기가 도래하면, 이 정보를 송신 받은 중앙 제어부에서 주변 스테이션에 자동으로 예약하고 예약된 정보를 전기이륜차에 표시하여 사용자에게 알려주는 예약시스템이 구축되어 있다. 효율적인 공급을 위해서는 배터리의 충전 속도도 중요한데, 1, 2, 3호 차량의 배터리 교체 정보를 송신 받았을 때, 필요한 양의 배터리 공급을 위해 스위칭부의 급속과 완속 충전 변경이 이루어진다. 단순한 스위칭 이외에도 빅데이터 기반의 전력 분산 기능을 통해 충전이 이뤄지는 등 다양한 기술이 존재한다.

4) 폐배터리 수명판단 기술

 전기 이륜차 배터리는 리튬이온 배터리로 충전과 방전 횟수, 전류의 크기, 사용되는 온도 및 환경 조건 등에 따라 배터리의 용량 및 출력의 열화(Battery Degradation) 거동이 다르게 진행된다. 스테이션에서 측정되는 배터리 정보(충전상태(SoC), 온도, 충전/방전 사이클, 사용자 정보)를 수집하여 배터리의 잔존수명(SoH)을 예측하고, 그 값을 환경공단 내부지침인 SOH 60% 기준에 따라 배터리의 재사용성을 판단한다.

(SoH(State of Health) : 배터리의 이상적인 상태와 현재 배터리의 상태를 비교하여 나타낸 성능지수)

특허조사 및 특허 전략 분석

1) 특허조사

2) 특허 전략

- 신규성

 * 수명을 다한 배터리의 재사용 및 재활용에 초점을 맞춰 단순히 배터리의 규격 확인을 위한 정보 확인 기술이 아닌, 개별적인 자원에 대한 정보(충전횟수, 남은 배터리 잔량, 완충 시간, 완충 전압 등)를 수집하고 관리하는 체계를 갖춘다.
 * 폐배터리의 1차적 분류 시스템은 폐배터리로 인한 고객의 이륜차 손상 또는 사고를 방지하고, 배터리의 퍼센트 단위로 지불하는 방식에서 수명에 따라 변화되는 사용량에 신뢰도를 높일 수 있다.

- 진보성

 * 대량의 배터리 교환스테이션 보급 속에서, 이륜차 폐배터리의 수거 체계를 갖춘다.
 * 폐배터리 분류는 폐배터리로 인한 스테이션 및 소비자의 피해를 미연에 방지할 수 있다.
 * 규격화된 배터리 정보 수집은 다른 품목의 배터리 사용 확장에 도움을 준다.
 * 미래폐자원 거점수거센터로 수거되는 비용을 줄이고, 배터리 정보를 제공하여 재사용 기술 발전에 도움을 준다.

기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

1) 젠트로피

- 서울 내 BSS 현황: 총 58개(설치완료 51개, 설치예정 7개), 2022년 말까지 총 150개 설치 예정
- BSS 배터리 개수 : 스테이션 하나에 총 8개의 배터리
- BSS 사용 방법 : QR코드 없이 배터리 접촉으로 사용자를 인식하며 사용자는 모바일 App을 통해 배터리 교환 가능한 스테이션의 위치, 개수를 확인할 수 있음
- BSS 구독료 : 월 7.7만원
 ※22년 구매 예약자 대상으로 50% 할인된 금액으로 배터리 교환 횟수, 주행 거리 무제한
 ※배터리에 맞는 자사의 전기이륜차를 구매하여 사용해야 하며 전기이륜차 가격은 2,850,000원
- 배터리 교환 소요 시간 : 30초
- 배터리 방식 : 리튬이온배터리
- 배터리 용량 : 77.5V/44Ah (2개)
- 주행거리: 77km
- 폐배터리 수거 및 재활용 방안 : 업체 문의 결과 관련 사항은 3~4년 후에 발생될 수 있는 사안이라 그에 대한 대책을 구체적으로 판단하고 있지는 않음

2) 디엔에이모터스

- 서울 내 BSS 현황 : 총 71개
- BSS 배터리 개수 : 스테이션 하나에 총 6개의 배터리
- BSS 사용 방법 : 저공해차 통합 누리집 홈페이지를 통해 배터리 교환 서비스 이용 신청 후 저공해차 통합 누리집 App을 통해 BSS이용
- BSS 구독료 : 월 8만원
 ※3개월 간 30% 할인된 프로모션으로 배터리 교환 횟수, 주행거리 무제한
- 배터리 교환 소요 시간 : 1분 이내
- 배터리 충전시간 : 3시간 이내
- 배터리 방식 : 리튬이온배터리
- 배터리 용량 : 48V/30Ah (2개)
- 주행거리: 55.5km
- 폐배터리 수거 및 재활용 방안 : 확인불가
 * CVS-40 : 도심주행모드 측정방법

마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

 전기이륜차 배터리의 수명을 1차적으로 판단하면 회수 및 수거 과정이 용이해지고, 재활용 방안을 제시하면 제품의 폐기 단계까지 고려한 전 과정에서의 탄소중립 목표에 도달할 수 있다.

기술적 기대효과

- 배터리 추적이 이루어지지 않던 기존과 달리 배터리를 추적하여 충전횟수, 완충전압 등 수명에 영향을 미치는 데이터를 수집한다. 데이터의 양이 쌓일수록 빅데이터화 및 자동화 가능성이 열린다.
- 수집된 데이터를 바탕으로 배터리의 수명을 예측하여 재활용 및 재사용 배터리를 빠르게 분류할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

- 배터리의 수명 예측 및 수거 시스템의 간소화로 사회적 비용이 절약된다.
- 배터리 상태가 색깔로 표시됨으로써 전기 이륜차 이용자 및 관리자의 편익이 증대된다.
- 배터리 규격이 표준화될 경우, 전기이륜차 시장 확대 및 대기오염물질 배출량 감소, 재활용·재사용률 증가로 인해 탄소중립 목표에 가까워질 수 있다. 또한 전기이륜차 시장이 확대되며 전기이륜차 배터리 시장도 확대될 전망이다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

1) 설계 적용 대상 : 서울에 위치한 약 150개의 BSS

2) 설계 적용 업체 : 젠트로피, DNA모터스

2022년 6월 기준 85기 운영중, 올해 안에 200기 추가설치 예정

3) 예상 이용자 수 : 약 3만5천대

[젠트로피 스테이션 지도]

총 63기의 스테이션(설치완료: 55, 설치예정: 8)

개념설계안

1) BSS 설계도

2) RFID 적용

각각의 충전 스테이션에서 배터리에 대한 정보를 라즈베리파이 및 RFID를 통해 알아내어 클라우드로 전송하면 관리자가 이를 확인할 수 있도록 한다. 또한 관리자에게 전송된 데이터를 바탕으로 추정된 배터리 수명에 대한 정보를 라즈베리파이로 전송해 해당 배터리의 상태를 LED 색깔로 표시한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

1) 충전과 방전

2) 쿨롱 효율(Ce; Coulombic Efficiency)

3) 폐배터리 분류 기준

 아직 어느 시점과 수준에 이른 배터리를 폐배터리로 규정할 지에 대한 명확한 기준이 정해지지 않았다. 동일 시점에 동일 제조라인에서 생산된 배터리라도 사용환경에 따라 SoH 값이 달라지기 때문이다. 김희영, 2022, “전기차 배터리 재활용 산업 동향 및 시사점”, p32
다만 일반적으로 배터리 잔존수명이 초기용량 대비 7-80% 남았을 때 주행거리 감소, 충전 속도 저하, 급속 방전 리스크 문제가 발생하여 교체가 불가피 하며 김희영, 2022, “전기차 배터리 재활용 산업 동향 및 시사점”, p4
전기차용 리튬이차전지는 초기 용량 대비해서 약 70% 이하로 감소하면 교체가 필요하다 김충현, 2020, “전기차 폐배터리 끝장내기” p13
라는 자료를 근거로 80%로 정한다.

4) Simulation

- 사용 부품

- 순서

- 결과 및 CE 계산

 용량은 일정한 전압을 가정하고 전류량으로 나타낸 mAh 단위와 전압을 고려하여 전력량의 형태로 나타낸 Wh로 표기할 수 있다. 초기 용량 2550mAh와 전류 1000mA(=1A)는 제품 설명서에 명시된 초기 값을 사용하였다. 쿨롱 효율(바로 이전 사이클에 충전한 용량 대비 해당 사이클에 충전한 용량의 비율)을 구하기 위해 사용하는 용량 값은 Wh로 설정하였다. 배터리를 충, 방전 할수록 완충 전압이 떨어지기 때문에 전압까지 고려하는 것이 더 합리적이기 때문이다(Wh = V*A*hr). 다 개념설계 3번에 의해 CEn 이 80%이하가 되면 폐배터리로 분류한다.

상세설계 내용

1)조립도

2) 부품도 및 회로 설계

3) 소프트웨어 설계

소프트웨어 설계 원칙에 따라 아두이노와 라즈베리파이의 역할을 구분했다. 아두이노는 배터리에 대한 측정 및 제어를 모두 갖추고, 라즈베리파이는 한 스테이션의 8개 배터리 정보를 클라우드로 송수신하는 역할을 하며, 클라우드 서비스인 Firebase는 서울시 각 스테이션의 데이터베이스 공유를 돕는다. 다음은 아두이노 코드의 순서도를 간략히 정리한 것이다.

1. 일련번호가 인식되면, 기존과 다른 새로운 배터리인지, 카드정보가 읽히는지 확인한다.
2. 일련번호를 라즈베리파이로 전송하여 클라우드에 저장된 해당 배터리의 최신 용량을 조회한다.
3. 전압을 측정하며, 완충 전압이 아닐 때 초록색 LED를 표시한다. 완충 시 쿨롱 효율을 계산하여 80% 이하면 폐배터리로 분류하여 빨간색을 표시하고, 80% 이상이면 파란색을 표시하여 배터리 사용이 가능함을 나타낸다.
4. 완충 시 완충 시간, 전압, 사용가능성을 라즈베리파이로 전송하여 클라우드에 저장한다.