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.
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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
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
