한대철
(Dae-Cheol Han)
1iD
정준화
(Jun-Hwa Jeong)
2iD
문학룡
(Hak-Ryong Moon)
†iD
-
(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Korea)
-
(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Korea)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
Battery Replacement Time, LIC, Combination, Battery Management System, Door Lock System
1. 서 론
최근에 첨단 IT 기술 기반의 전자키 시스템으로 발전되어 온 도어록 시스템의 전력 공급방식은 리튬 일차전지(Li-SOCL2)를 활용하여 사용하고
있으나, 도어록 시스템의 기능 고도화로 인한 소비전력이 증가하여 짧은 배터리 교체 주기, 유지관리비용 증가 및 운영의 많은 어려움을 겪고 있는 실정이다[1].
국내의 경우는 2021년 말 기준 국내 관광숙박업소 약 2,372개 중(글로벌 특급 호텔브랜드 37개 약 10,000객실)에서 약 80% 이상이 전자키
시스템을 사용 중이다. 국내의 도어록 배터리 시스템 관리는 문제 발생 시에 배터리를 교체하는 방식으로 운영되고 있다. 그러나 국내에서는 도어록의 효율적
관리를 위한 배터리 수명 연장, 교체 시기를 사전에 특정하여 운영 효율성을 향상시키기 위한 배터리 관리 기술 개발은 없는 상황이다[1][2].
국외의 경우에는 대표적 도어록 전문회사인 VingCard Elsafe사와 ASSA ABLOY사 등에서 전원공급형 도어록 시스템의 실내조명을 이용한
솔라패널 발전, 무선충전 발전 기술 등이 검토 되었다. 국내외 사례를 살펴본 결과 본 논문에서 제안한 예측 가능한 배터리 관리시스템 솔루션 개발은
없는 상황이다[1][3].
이러한 도어록 배터리 시스템 관리는 도어록 장치의 첨단화로 소비전력 증가에 따른 배터리 교체 주기 단축과 더불어 낮은 출력 성능으로 순간 전력 요구에
대응하지 못하고 있어 이용자 불편, 안전 문제 및 시스템 장애 등 다양한 문제점을 가지고 있다. 기존의 배터리 관리시스템은 시설 담당자의 인력 부족,
업무 과중, 빈번한 배터리 교체로 인한 관리 비용 증가, 산업 폐기물 발생, 이용자 클레임으로 인한 보상 비용 증가, 그리고 호텔 이미지의 훼손 등
경제적인 손실로 이어지고 있다[1].
본 논문에서는 배터리 교체 시기를 사전에 예측하기 위한 결합형 배터리 시스템 개발과 상태를 모니터링하고 관리하기 위한 솔루션을 개발하였다. 먼저 배터리
관리 솔루션 측면에서, 리튬 일차전지를 전력 공급 장치로 사용함으로써 발생하는 배터리 교체 시기의 사전 인지 어려움과 리튬 일차전지의 낮은 출력 밀도로
인한 배터리 상태 불량 및 평균 사용 수명 등을 고려하여, 리튬 일차전지(Li-SOCL2)와 리튬-이온 커패시터(LIC)를 결합한 배터리 시스템을
제안하였다.
개발된 콤비네이션 배터리 시스템은 정확한 배터리 상태 확인과 예측을 통해 배터리 사용 효율을 확보할 수 있다고 판단된다. 또한, 제안된 배터리 시스템의
효율적 관리를 위한 통신 네트워크 및 IoT 기반의 도어록 관제시스템을 제안하였다.
본 기술 개발을 통하여 국내외적으로 호텔 도어록 시스템의 배터리 관리 문제를 해결하고 국내외 시장 확보 및 시장 진입 발판을 마련할 수 있을 것으로
기대된다. 또한, 비상 재난재해 대응 장비 운영을 위한 전력 공급 및 스마트 시티 솔루션으로 이 기술을 확대 적용할 경우 사회적으로 안전 문제를 해결하는
데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
2. 결합형 배터리 시스템과 도어록 관리시스템
본 논문에서는 리튬 일차전지와 리튬-이온 커패시터를 결합한 콤비네이션 배터리 시스템을 구현하여 배터리의 상태를 사전에 파악할 수 있는 방법을 검증하였다.
또한, 배터리의 상태를 실시간으로 관리하기 위해 IoT 기반의 무선통신을 적용하여 데이터 수집의 효율성을 높이고, 배터리 상태 점검 및 알람 기능을
구현하여 효율적으로 배터리의 상태를 확인할 수 있도록 하였다. 그림 1은 결합형 배터리 시스템과 원격 모니터링 기능으로 구성된 전체 관리 시스템의 구성도이다.
그림 1. 콤비네이션 배터리 시스템과 IoT 기반 도어록 관리시스템
Fig. 1. Combination battery system and IoT-based door lock management system
3. 결합형 배터리 시스템
3.1 결합형 배터리 시스템 구성
기존 화학전지를 기반으로 한 도어록 배터리 시스템은 종지전압에 의존하기 때문에 실시간으로 보유 전력량을 확인하기 어려워 배터리 교체 주기를 사전에
파악하기 어려우며, 낮은 출력으로 인해 배터리 상태를 잘못 인식하는 등의 문제가 있다.
본 논문에서는 도어록 구동에 사용되는 리튬 일차전지의 상태 사전 감지를 위해 리튬 일차전지와 리튬-이온 커패시터를 결합한 배터리 시스템을 구현하였다.
기능적인 측면에서는 배터리 교체 시기를 사전에 확인하고 운영 가능한 일수를 조절할 수 있는 배터리 제어 시스템을 개발하였으며, 상호 호환성 측면에서는
기존의 도어록 배터리 시스템 프레임을 변경하지 않고도 즉시 결합형 배터리 시스템을 적용할 수 있도록 구현하였다. 또한, 개발된 결합형 배터리 시스템은
영하 10℃의 내환경성과 발열, 폭발, 화재 등의 문제가 없도록 구현하였다.
결합형 배터리 시스템은 리튬 일차전지 SB-AA11(3.6V 2,500mA, 9wh)와 리튬-이온 커패시터 VEL 13353R8257G (3.8V,
250F, 0.28wh)로 구성되었으며, 최소 7~10일 이전부터 배터리 교체 시기를 사전에 인지할 수 있다. 그림 2는 개발된 결합형 배터리 시스템의 제작 사진이며, 표 1은 결합형 배터리 시스템의 주요 성능을 나타낸 것이다.
그림 2. 콤비네이션 배터리 시스템 시험용 제작 사진
Fig. 2. Combination battery system Produced photographs for testing purposes
표 1 콤비네이션 배터리 시스템 주요 성능
Table 1 Key Performance of Combination Battery System
Category
|
Detail Standard
|
Configuration
|
Lithium-ion capacitor
|
3.8V 250F
|
Lithium primary battery
|
3.6V 2500mA
|
Combination battery
|
Self developed
|
CPU
|
ESP 32
|
Performance
|
Predict replace the battery
|
Prediction(least 7 days ago)
|
replace the battery
|
Over 500 days
|
Size
|
Within 40 mm × 60 mm
|
CPU Min Power
|
20 ㎂ or less based on deep sleep
|
Battery Status
|
Lithium Primary Battery and LIC Charges
|
3.2 결합형 배터리 시스템 기초 성능 실험
설계 제작된 결합형 배터리 시스템의 수명과 내구성을 검증하기 위해 리튬-이온 커패시터의 전압과 해당 전압별 보유 전력량을 측정하여 상관관계를 확인하였다.
그림 3은 배터리 노화에 따른 신뢰성 검증을 위해 3,000 cycle 경과 후의 기준으로 충전 및 방전, 그리고 온도변화 실험을 통해 리튬-이온 커패시터의
전압과 보유 전력량의 상관 관계가 안정적으로 유지되는 것을 보여준다. 또한, 가속실험을 통해 배터리 노화에 따른 성능 저하가 3,000 cycle
이후에 약 10% 미만의 용량 저하 범위 내에서 발생함을 확인하였다. 가속실험 환경을 고려할 때, 약 10년 사용 시 85% 수준의 성능을 유지할
것으로 판단된다[2].
그림 3. 충방전 사이클에 따른 전압 변동 그래프
Fig. 3. Graph of Voltage Fluctuations by Charge/Discharge Cycle
또한, 배터리의 안정성을 검증하기 위해 급속 충전 및 방전을 3,000 cycle 가속 실험으로 진행하여 전원 인가 상태에서 120시간과 240시간
동안의 발열 실험을 수행하였다. 표 2는 발열 실험 결과이며, 이를 통해 급속 충전 및 방전 과정에서도 낮고 일정한 발열 상태를 유지할 수 있음을 확인하였다. 이는 배터리의 충전 및 방전
시에도 안전을 확보할 수 있음을 확인한 것이다[2].
표 2 충방전 속도에 따른 온도 실험
Table 2 Temperature Experiment by Charging/Discharging Speed
C-rate
|
0.5C
|
1C
|
2C
|
4C
|
5C
|
Charging temperature(℃)
|
25.7
|
26.1
|
27.1
|
28.3
|
28.7
|
Discharge temperature(℃)
|
26.6
|
27.7
|
30.0
|
35.3
|
37.3
|
(C-rate : 충전과 방전 전류임. C/2(2시간), 1C(1시간), 2C(30분), 5C(12분))
Title
도어록의 구동 횟수와 리튬-이온 커패시터의 전압 변화 특성을 실험한 결과 개발된 콤비네이션 배터리 시스템의 신뢰성을 확인할 수 있었다. 리튬 일차전지
및 리튬-이온 커패시터의 신뢰성을 검증하기 위해 방전 전류 특성, 사용 환경 특성, 과충전 및 방전 시 특성에 대해 공인기관(한국자동차연구원(https://www.katech.re.kr),
2023. 11. 8.)에 실험을 의뢰하여 검증하였다.
1) 도어록 구동 횟수와 LIC 전압 변화 특성 실험
콤비네이션 배터리 시스템에서 리튬-이온 커패시터의 특성을 바탕으로 교체 시기를 사전에 확인하기 위해, 리튬 일차전지를 제거하고 도어록 동작 실험을
수행하였다. 실험 방법으로는 도어록 모터 구동 전압을 4.5V로 부스팅하여 도어록을 10회 작동할 때마다 리튬-이온 커패시터의 전압 변동을 측정하였다.
실험 결과, 도어록이 작동될 때마다 리튬-이온 커패시터 전압이 약 0.01V 정도 감소하는 것으로 나타났으며, 이를 통해 배터리의 사전 교체 시기를
예측할 수 있음을 확인하였다. 또한, 리튬-이온 커패시터(3.6V, 90mA)의 용량으로 약 1,200회(오차 ±10회 이내)의 도어록 작동이 가능함을
확인하여, 사전 경고 기간을 조절할 수 있음을 확인할 수 있었다. 표 3은 추정된 도어록 시스템의 소비전력이다. 그림 4는 도어록 작동과 리튬-이온 커패시터 전압의 변동률이 0.008456로 안정적인 선형 관계를 보여주고 있다.
표 3 도어록 시스템 예상 전력 소비량
Table 3 Estimated door lock system power consumption
Category
|
Content
|
Power Consumption
|
Door lock drive
|
∙200mAh/Onetime(40 time/Day)
|
2.22mAh
|
Main CPU
|
∙0.01mAh(24 hour)
|
0.24mAh
|
Com. Power
|
∙1000mAh(200mAh.sec*5sec)
|
0.27mAh
|
Com. CPU
|
∙0.02mAh(24 hour)
|
0.48mAh
|
Tatal
|
-
|
3.21mAh
|
그림 4. 도어록 구동 횟수별 리튬-이온 커패시터(LIC) 전압 변화
Fig. 4. LIC voltage variation by number of door lock drives
2) 리튬 일차전지 및 리튬-이온 커패시터의 신뢰성 실험
본 실험은 리튬 일차전지 및 리튬-이온 커패시터를 결합한 콤비네이션 배터리 시스템의 성능을 확인하기 위해, 방전 특성별 상태 분석 및 사용 환경별
상태 분석, 그리고 과충전/과방전 시 안전성 시험을 공인기관에 의뢰하여 진행되었다. 표 4는 리튬 일차전지(Li-SOCL2)의 시험 항목, 시험 기준 및 방법이다. 또한, 표 5는 리튬-이온 커패시터(LIC)의 시험 항목, 시험 기준 및 방법이다.
리튬 일차전지의 방전 전류 특성 실험을 통해 부하 변동 시 안정적인 전압 특성을 확인하여 배터리의 잔여 수명 예측이 가능함을 확인할 수 있었다. 또한,
이러한 특성은 리튬-이온 커패시터 배터리 시스템의 사용 환경에서도 안정적으로 동작하는 것을 의미한다.
표 4 리튬 일차전자(Li-SOCL2)의 시험 기준 및 방법
Table 4 Test standards and methods for Li-SOLC2
Category
|
Test Criteria and Methods
|
Analysis of the condition (usage environment)
|
∙Bat. Info. : Lithium primary battery(2,500mA)
|
∙Test Conditions : Discharge 0V(Method : CC Mode)
|
∙Temp. Conditions : -5℃, 25℃, 50℃
∙Current Conditions : 40mA, 60mA, 100mA
|
∙Test : 12 tests each with 12 cells under variable conditions
|
표 5 리튬-이온 커패시터(LIC)의 시험 기준 및 방법
Table 5 Test standards and methods for LIC
Category
|
Test Criteria and Methods
|
Analysis of the condition (usage environment)
|
∙Bat. Info. : Lithium-Ion Capacitor(90mA)
∙Test Conditions : Voltage(2.5~4.0V), Method(CC Mode), Repeat No.(3times), break time(60sec)
∙conditions of variation : Temp.(-5℃, 25℃, 50℃), C-rate(1C, 2C, 5C)
∙Test Method : 9 trials (3 cells per C-rate)
|
Analysis of safety performance
(overcharging/overdischarging)
|
∙Bat. Info. : Lithium-Ion Capacitor(90mA)
∙Test Conditions : Voltage(3.5~4.4V, 2.0-3.5V), Method(CC Mode), Temp.(25℃), Break
Time(60sec), Repeat No.(20 times)
∙conditions of variation : Overcharge(5C, 1C), Over discharge(5C, 1C)
∙Test Method : 4 trials (4 cells per C-rate)
|
표 6은 리튬 일차전지의 방전 전류별 및 온도별 특성 항목과 결과이다. 그림 5부터 그림 7까지는 리튬 일차전지의 방전 전류 특성 결과를 보여주며, 이 중에서 큰 부하에서 성능이 급격하게 왜곡되는 특성이 나타났다. 즉, 리튬 일차전지가 방전
상태에 도달하면 이 시점부터 리튬-이온 커패시터의 용량에 따라 배터리의 교체 가능 기간을 예측할 수 있다.
표 7은 온도 조건별 리튬-이온 커패시터의 방전 전류 특성 시험 결과이다. 그림 8부터 그림 10까지는 온도 조건별 리튬-이온 커패시터의 방전 전류 특성 시험 결과를 보여주며, 이는 리튬 일차전지와 마찬가지로 부하나 온도에 강인함을 보여주고 있다.
이 시험 결과는 리튬 일차전지와 리튬-이온 커패시터의 부하전류 및 온도 특성에 대한 강인함을 보여주며, 배터리 수명 예측이 가능함을 보여주고 있다.
표 6 리튬 일차전지(Li-SOCL2) 방전 전류 특성 항목 및 결과
Table 6 Li-SOCL2 Discharge Current Characteristics Results
Category
|
100mA
|
60mA
|
40mA
|
50℃
|
Discharge Capacitor
|
264mAh
|
719mAh
|
1071mAh
|
Max. Temp.
|
53.5℃
|
52.6℃
|
51.5℃
|
25℃
|
Discharge Capacitor
|
80mAh
|
188mAh
|
238mAh
|
Max. Temp.
|
26.9℃
|
26.4℃
|
25.9℃
|
-5℃
|
Discharge Capacitor
|
46mAh
|
153mAh
|
432mAh
|
Max. Temp.
|
-1.9℃
|
-3.7℃
|
-3.1℃
|
그림 5. 리튬 일차전지(Li-SOCL2) 실험(100mA)
Fig. 5. Li-SOCL2 Battery experiment(100mA)
그림 6. 리튬 일차전지(Li-SOCL2) 실험(60mA)
Fig. 6. Li-SOCL2 Battery experiment(60mA)
그림 7. 리튬 일차전지(Li-SOCL2) 실험(40mA)
Fig. 7. Li-SOCL2 Battery experiment(40mA)
표 7 온도 조건별 리튬-이온 커패시터(LIC) 방전 전류 특성
Table 7 LIC Discharge Current Characteristic by Temperature Condition
Category
|
1C
|
2C
|
5C
|
50℃
|
Discharge Capacitor
|
158mAh
|
152mAh
|
131mAh
|
Max. Temp.
|
50.6℃
|
50.6℃
|
50.7℃
|
25℃
|
Discharge Capacitor
|
149mAh
|
143mAh
|
116mAh
|
Max. Temp.
|
25.1℃
|
25.1℃
|
25.7℃
|
-5℃
|
Discharge Capacitor
|
121mAh
|
104mAh
|
61mAh
|
Max. Temp.
|
-4.3℃
|
-4.3℃
|
-2.9℃
|
그림 8. 온도 조건별 리튬-이온 커패시터(LIC) 방전 실험(1C)
Fig. 8. LIC Discharge experiment by temperature condition(1C)
그림 9. 온도 조건별 리튬-이온 커패시터(LIC) 방전 실험(2C)
Fig. 9. LIC Discharge experiment by temperature condition(2C)
그림 10. 온도 조건별 리튬-이온 커패시터((LIC) 방전 실험 (5C)
Fig. 10. LIC Discharge experiment by temperature condition(5C)
표 8은 온도 조건별 리튬-이온 커패시터의 과충전 및 과방전 전류 특성 시험 결과이다. 이 표의 결과에서는 배터리의 충전량이나 발열 온도가 일정한 값을
유지하여 안정적인 운영 상태를 보여주고 있다. 본 실험에서는 개발된 배터리 시스템이 안정적으로 동작하며, 과충전 및 과방전 시에도 안전한 동작 특성을
보여줌으로써 개발 기술의 신뢰성을 확보하고 상용화 가능성을 입증하였다.
표 8 온도 조건별 LIC 과충전/과방전 전류 특성 시험 결과
Table 8 LIC overcharge/overdischarge current characteristic test result by temperature
condition
Category
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
13
|
14
|
15
|
16
|
17
|
18
|
19
|
20
|
Overcharging
|
5C
|
Charging capacity
(mAh)
|
85
|
70
|
70
|
70
|
70
|
71
|
70
|
70
|
70
|
70
|
70
|
70
|
70
|
70
|
69
|
70
|
70
|
69
|
70
|
69
|
Max. Temp.(℃)
|
25.3
|
25.4
|
25.5
|
25.5
|
25.5
|
25.5
|
25.5
|
25.5
|
25.5
|
25.5
|
25.5
|
25.5
|
25.5
|
25.5
|
25.5
|
25.4
|
25.5
|
25.5
|
25.4
|
25.5
|
1C
|
Charging capacity
(mAh)
|
96
|
93
|
92
|
91
|
91
|
91
|
90
|
09
|
91
|
91
|
92
|
91
|
91
|
90
|
90
|
90
|
89
|
90
|
91
|
90
|
Max. Temp.(℃)
|
25.1
|
25.0
|
25.1
|
25.2
|
25.0
|
25.0
|
24.9
|
24.9
|
25.1
|
24.9
|
24.9
|
24.9
|
25.0
|
25.0
|
25.0
|
25.0
|
25.0
|
25.2
|
24.9
|
24.9
|
Overdischarge
|
5C
|
Charging capacity
(mAh)
|
86
|
72
|
72
|
72
|
72
|
72
|
72
|
72
|
72
|
72
|
72
|
72
|
72
|
72
|
72
|
72
|
72
|
72
|
72
|
72
|
Max. Temp.(℃)
|
25.3
|
25.5
|
25.5
|
25.5
|
25.6
|
25.6
|
25.6
|
25.6
|
25.6
|
25.6
|
25.6
|
25.6
|
25.6
|
25.6
|
25.5
|
25.5
|
25.6
|
25.5
|
25.5
|
25.5
|
1C
|
Charging capacity
(mAh)
|
83
|
78
|
77
|
76
|
77
|
77
|
77
|
77
|
77
|
78
|
78
|
78
|
88
|
88
|
88
|
88
|
78
|
77
|
77
|
77
|
Max. Temp.(℃)
|
25.2
|
25.1
|
25.2
|
25.1
|
25.1
|
25.1
|
25.1
|
25.1
|
25.0
|
25.1
|
25.0
|
25.1
|
25.1
|
25.1
|
25.1
|
25.1
|
25.1
|
25.1
|
25.1
|
25.1
|
4. 도어록 관제시스템 개발 및 성능 실험
도어록 관제시스템의 핵심 요소인 리튬 일차전지와 리튬-이온 커패시터가 결합된 콤비네이션 배터리 시스템을 실제 호텔 도어록에 설치하여 실험을 진행하였다.
도어록의 배터리 상태를 주기적으로 수집하고 전송할 수 있도록 구성하여 실험을 진행하였다. 그림 11은 명동 퍼시픽 호텔에 설치된 도어록 배터리 모듈과 실제 도어록에 설치된 사진이다. 또한, 그림 12는 도어록 관제시스템의 UI 화면을 보여주고 있으며,
그림 13은 구현된 관리 기능의 구조도이다.
그림 11. 도어록 모듈 사진
Fig. 11. Door lock module photo
그림 12. 도어록 관제시스템 UI 화면
Fig. 12. Door lock control system UI screen
그림 13. 도어록 관제시스템 관리 기능 구조도
Fig. 13. Structure diagram of door lock control system management function
관제시스템은 명동 퍼시픽 호텔에서 2023년 10월 27일부터 10월 28일까지 2일간의 현장 실증 실험을 진행하였다. 실험 구성은 도어록 배터리
모듈(WiFi), 호텔 객실 WiFi 공유기(인터넷망), 그리고 서버로 구성하였다. 표 9는 현장 실험 단계 방법과 검증 방법으로 실제 현장 실험을 위한 일반 동작 단계와 리튬 일차전지 완전 방전 단계로 구분하여 실험을 수행하였다.
표 9 현장 실험 단계 방법과 검증 방법
Table 9 Field experimental methods and verification methods
구분
|
일시
|
검증내용
|
일반
동작
단계
|
2023.10.27.
14:00~16:00
|
∙콤비네이션 배터리 부분: 리튬 일차전지와 리튬이온 커패시터 정상 상태에서의 실험
-도어록 정상 동작 여부
-감지 데이터: 리튬 일차전지 전압, 온도, 리튬 이온 커패시터 전압과 온도
∙원격관제시스템 부분
-무선통신 정상 동작 여부
-개별 배터리 모듈(객실) 구분 수집 여부
|
완전
방전
단계
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2023.10.28.
09:40~14:30
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∙콤비네이션 배터리 부분: 리튬 일차전지가 완전방전 상황의 배터리 모듈 동작 확인
-리튬 일차전지 완전방전 여부 확인: 전압 확인
※ 완전방전상태 실험: 일차배터리 제거 상태에서 도어록 40회 구동
-리튬-이온 커패시터 단독으로 도어록 정상 동작 가능 여부
-전력과 리튬-이온 커패시터 전압 감소 비례 여부(교체 경고 가능 기간 예측)
∙원격관제시스템 부분
-배터리 상태 무선 통보(1회, 5초간)
-가속실험: 매 5분 단위로 일 단위 반복 가동
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일반 동작 단계 실험에서는 리튬 일차전지의 전압과 온도, 그리고 리튬-이온 커패시터의 전압과 온도가 Wi-Fi 무선 데이터 통신을 통해 원격 관제시스템에
표시되었음을 확인할 수 있었다. 리튬 일차전지의 완전 방전 단계에서도 콤비네이션 배터리 모듈의 완전 방전 상태를 감지하고 도어록의 동작 상태와 전력,
그리고 리튬-이온 커패시터의 전압 감소 비율을 확인할 수 있었다. 그림 14는 콤비네이션 배터리의 현장 설치 시 전압변동 결과를 보여주는데, 리튬 일차전지(SOCL2)가 완전 방전되는 경우에 리튬-이온 캐패시터(LIC)가
용량에 따라 천천히 방전되는 것을 나타낸 것이다. 이 시점부터 배터리 교체 계획을 수립해야 하는 것을 의미한다.
또한, 원격 무선 관제시스템을 5분 간격으로 총 300회의 송수신 실험에서 98%의 성공률을 확인하였다. 도어록 배터리 모듈의 MAC 주소를 구분자로
사용하여 객실별 배터리 상태를 실시간으로 확인할 수 있는 기능을 검증하였다. 이를 통해 도어록 배터리의 교체 시기를 예측할 수 있도록 하였으며, 이를
통해 불필요한 예산 소비를 줄이고 유지보수의 효율성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
그림 14. 콤비네이션 배터리 시스템 전압변동(현장설치)
Fig. 14. Combination battery system voltage fluctuations(site installation)
5. 결 론
본 논문에서는 대형 숙박시설인 호텔 및 리조트 등의 유지보수 측면에서 도어록 시스템의 문제점을 보완하고, 호텔 도어록 시스템을 효율적으로 운영할 수
있는 실시간 도어록 배터리 관리시스템을 제안하였다. 도어록 구동을 위해 리튬 일차전지와 리튬-이온 커패시터를 결합한 콤비네이션 배터리 시스템을 개발하여
Wi-Fi 무선통신을 기반으로 배터리 수명을 고려한 교체 시기 예측 및 관리 기능을 구현하였다.
개발된 콤비네이션 배터리 시스템과 관제시스템의 성능을 검증하기 위해 자체 실험, 공인기관 시험의뢰, 그리고 현장 설치 평가 실험을 구분하여 추진하였다.
자체 실험 결과, 전력 사용에 따라 리튬-이온 커패시터의 전압이 일정하게 감소하는 특성을 확인하였고, 리튬-이온 커패시터 용량 조절로 교체 예고 기간
조절이 가능(리튬-이온 커패시터 3.6V, 90mA에서 1,200회 유지, 오차 10회 이내)하다는 것을 확인할 수 있었다.
공인기관 시험 결과, 리튬-이온 커패시터의 충전 및 방전 과정에서 전력량과 전압이 일정하게 변화하는 것을 확인하였다. 반면에 리튬 일차전지는 방전
강도에 따라 방전 전력량이 심하게 감소하는 것을 확인하였다(80% 이상 감소).
현장 설치 평가 실험 결과, 리튬 일차전지 방전 후 리튬-이온 커패시터의 전압강하가 확인되었으며(선형 관계), 5분 간격으로 총 300회의 데이터
송수신 실험에서 98%의 송수신률을 확인할 수 있었다.
도어록 시스템의 효율적인 관리를 위해 원격에서 배터리 상태나 도어록 상태 등을 감시할 수 있는 원격관리 시스템을 개발함으로써 배터리 관리의 효율성을
극대화하고 유지관리 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구 수행으로 기술적 측면에서는 리튬-이온 커패시터와 리튬 일차전지의 상태 및 교체 시기를 확인할 수 있는 배터리 관리 기술과 함께 IoT 기반의
원격 관제 기능을 구현하여 상용화 기술의 기반을 마련할 수 있었다. 경제적 측면에서는 이러한 관리 기술의 개발과 적용으로 인해 사업자의 유지관리비
감소, 민원 처리에 따른 비용 절감을 기대할 수 있다. 사회적 측면에서는 도어록 설치가 필요한 숙박업소나 대형 시설물의 이용자에게 편의를 제공하고,
안전 관리 서비스를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
도어록 관리시스템은 숙박 등의 대형시설물의 안전관리 시스템으로 확장할 수 있으며, 도시 및 건물 등의 도어록 관리와 연계된 안전 및 방재 시스템으로의
확대 적용이 가능할 것으로 판단된다. 향후 연구과제로는 실제 개발된 시스템의 세부적인 성능 실험과 함께 장기간 현장 설치 및 운영을 통해 연구의 효용성을
입증할 필요가 있다고 판단된다.
Acknowledgements
본 논문은 2023년 한국건설기술연구원 주요사업 연구과제로 수행된 연구(과제명 : 배터리 교체 시기를 알 수 있는 도어록 관제시스템 개발 및 실증)로서,
관계기관에 감사드립니다.
This paper is a research conducted as a major project research project of the Korea
Institute of civil engineering and building Technology in 2023 (Research Project:
Development and Demonstration of Door-lock Control System based on Capacitor Combination
Battery), and thank you to related organizations.
References
J, H. Jeong, D. C. Han, H. R, Moon, K. C. Jang, “Development and Demonstration of
Door-lock Control System based on Capacitor Combination Battery(1/2),” KICT 2023-029,
2023. 12.
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
D. C. Han, H. R. Moon, J. h. Jeong, J. K. Ko, “Capacitor Battery-Based Remote Surveillance
Door Lock Device Design,” 2023 Korean Electrical Society's Industrial Electrical Application
Division Fall Conference Papers, 2023.11.23.~ 25.
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
H. D. Han, J. H. Jeong “Development of Spare Power Supply with Real-Time Charge Status
and Emergency Recovery using Lithium Capacitors and Performance,” Journal of the Korea
Academia-Industrial cooperation Society, vol. 23, no. 7, pp. 1-9, 2022.
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K. Liu, Y. Liu, D. Lin, A. Pei, Y. Cui, “Materials for lithium-ion battery safety,”
SCIENCE ADVANCES, vol. 4, Issue 6, pp. 9, 2018.
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
저자소개
Dae-Cheol Han received his Ph.D. in transportation engineering from Ajou University
in 2022. He is currently employed at the Road Traffic Research Division of the Korea
Institute of Civil Engineering and Building Technology. His research interests include
intelligent transportation systems, C-ITS, traffic operations, AI, etc.
Jun-Hwa Jeong received Ph. D. degrees in the Department of Civil Engineering from
Seoul National University in 2001. He is Dept. of Highway & Transportation Research
in Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology. His research interests
are highway safety, traffic operation and smart infra system for C-ITS and AV system
etc.
Hak‑Ryong Moon received Ph. D, degrees in the Department of Electrical Engineering
from Soongsil University in 2001. He is Dept. of Future Tchnology & Convergence Research
in Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology. And he is Dept. Civil
& Environmental Engineering in University of Science and Technology. His research
interests are energy and power conversion, digital system design, ITS, ICT, AI. etc.