1. 서 론
2. 공용 교환형 배터리 서비스 구성 요소와 국가표준
3. 통합 테스트베드 구축 및 시범운영
3.1. 테스트베드 구성 및 운영 시나리오
3.2. 시범운영 결과
3.3. 이슈의 정량 분석 및 위험도 평가
4. 공용 교환형 배터리 통합 안전관리
4.1. 서비스 절차와 위험 유형
4.2. 취급 주체별 책임 범위와 이력관리
4.3. 안전 대응 체계, 사고 대응 절차 및 안전 표시
5. 결 론
1. 서 론
탄소중립과 공유 경제의 확산에 따라 전기이륜차와 전기자전거를 비롯한 e-모빌리티의 보급이 빠르게 증가하고 있다.(1~3) 그러나 짧은 1회 충전 주행거리와 긴 완속 충전 시간은 여전히 산업 활성화의 걸림돌이 되고 있으며, 그 대안으로 방전된 배터리 팩을 충전 스테이션에서 완충된 팩으로 즉시 교체하는 공용 교환형 배터리(Common-use Swappable Battery) 서비스가 주목받고 있다. 이와 관련하여 사용자 수용성(4)과 스테이션의 입지 및 용량 산정(5)에 관한 연구가 이루어졌다. 국내에서는 2022년부터 전기이륜차용 공용 교환형 배터리 팩에 관한 KS R 6100 시리즈와 충전 스테이션 및 전기이륜차 요구사항에 관한 KS R 6200, 6300, 6400이 제정되어 하드웨어 표준화의 기반이 마련되었으며,(6,7) 팩 충전상태(SOC: State of Charge)와 건강상태(SOH: State of Health)의 편차가 직·병렬 연결 시 출력 특성에 미치는 영향에 대한 기술적 검증도 이루어지고 있다.(8)
그러나 부품 단위의 표준화만으로는 서비스 환경의 안전을 담보하기 어렵다. 배터리 팩, 충전 스테이션, e-모빌리티, 서비스 플랫폼이 무인으로 연동되는 복합 시스템에서는 개별 인증 시험에서 드러나지 않는 위험이 실제 환경의 통합 운영 단계에서 비로소 표면화된다. 또한 리튬 배터리는 충격과 낙하, 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)의 오류에 따른 과충전, 습기 유입이 열폭주에 의한 화재와 폭발, 감전으로 이어질 수 있으므로,(9,10) 안전관리 방안은 시범운영 시점부터 서비스 통합의 관점에서 정립되어야 한다.
이에 본 연구에서는 전기자전거, 전기이륜차, 공용 교환형 배터리 팩, 충전 스테이션, 서비스 플랫폼을 실도로에 배치한 통합 테스트베드를 구축하여 운영하고, 운영일지에 기록된 이슈를 발생 빈도와 심각도에 따라 정량화하여 위험도를 평가하였다. 이를 근거로 위험 유형의 분류, 취급 주체별 책임 범위와 이력관리, 위험 등급에 연계한 점검·감지·보고 기준을 포괄하는 통합 안전관리 방안을 제시하였다.
2. 공용 교환형 배터리 서비스 구성 요소와 국가표준
본 연구는 KS R 6100 시리즈의 공용 교환형 배터리 팩을 전기자전거에는 1개, 전기이륜차에는 2개 구성으로 공유 적용하여 동일한 도로 환경의 테스트베드에서 운영한 두 기종을 대상으로 한다. 전기자전거는 「자전거 이용 활성화에 관한 법률」에 따라 페달과 전동기의 동시 동력으로 구동되고 시속 25 km 이상에서 전동기가 작동하지 않으며 전체 중량이 30 kg 미만인 자전거를 말하며, 전동기의 동력만으로 주행할 수 있는 형태는 같은 속도와 중량 요건 아래 「도로교통법」상 개인형 이동장치로 분류된다.(11) 전기이륜차는 「자동차관리법」상 이륜자동차 가운데 전기를 동력으로 사용하는 차량으로서 최고출력 4 kW 이하의 경형부터 15 kW를 초과하는 대형까지 네 등급으로 구분된다.(12)
공용 교환형 배터리 팩은 리튬 계열 셀과 BMS로 구성된 표준화된 이동식 에너지 저장 장치이다. 국가표준은 정격 전압 48V형과 72V형의 외관 색상을 각각 녹색과 주황색으로 구분하고, 크기를 170 mm × 135 mm × 310 mm, 무게를 12 kg 이하, 최소 사용 가능 용량을 1.2 kWh 이상, 최대 허용 방전전류를 100A로 규정하며, 이동용 손잡이와 고정용 홈, 오삽입 방지 구조의 충방전용 커넥터를 갖추도록 한다. 배터리 상태는 정지, 수면, 대기, 동작의 네 가지로 정의되고, CAN 통신 프로토콜에는 전압, 전류, 온도, SOC, SOH의 상태 정보와 과전압, 저전압, 과전류, 고온, 저온, 셀 간 불균형에 대한 진단 신호가 정의되어 있다.
충전 스테이션은 다수의 팩을 슬롯에 수납하여 동시에 충전하는 무인 설비로서 외함, 충전 슬롯과 슬롯 도어, 충전 모듈, 제어 장치 및 HMI(Human-Machine Interface)로 구성된다. 제어 장치는 내부 온도를 감시하면서 냉각을 자동으로 제어하고, HMI는 사용자 인증, 교환 승인, 과금과 결제, 비상시 행동 요령 안내를 담당한다. 제조사별로 상이하였던 팩의 크기, 전압, 커넥터 및 통신 방식을 통일하기 위하여 2022년 배터리 팩 표준이 고시된 데 이어 2023년 충전 스테이션 및 차량 요구사항 표준이 고시되었으며, 그 현황은 Table 1과 같다. 이 가운데 KS R 6100-3은 2024년 개정되어 CAN 통신 정보와 CAN ID의 적용 범위가 확대되었다.
Table 1.
National standards for common-use swappable battery services
3. 통합 테스트베드 구축 및 시범운영
3.1. 테스트베드 구성 및 운영 시나리오
통합 테스트베드는 배터리 팩, 충전 스테이션, e-모빌리티, 서비스 플랫폼이 동시에 가동되는 실제 환경에서 안전관리 방안의 유효성을 확인하기 위하여 경상북도 김천시 일원에 구축하였다. Fig. 1과 같이 충전 스테이션 2개소, 전기자전거 3대, 전기이륜차 3대와 이들에 분산 배치된 공용 교환형 배터리 팩으로 구성된다. 관제 인력이 상시 확인할 수 있는 베이스캠프 인접 스테이션과 일반 이용 환경을 모사한 도시공원 인접 스테이션을 약 10분 거리의 실도로로 연결하여 교환, 주행, 반납으로 이어지는 서비스 전 주기를 반복 검증하도록 하였다. 주행 코스는 시설 외곽 도로를 순환하는 A 코스, 도시공원을 포함하는 격자형 B 코스, 두 스테이션 사이를 왕복하면서 배터리 교환을 수행하는 C 코스로 구분하였으며 A 코스는 두 기종이 모두 주행하고 B와 C 코스는 전기자전거가 주행하였다. 운영은 관제 1명과 주행 2~3명이 담당하였고 관제 담당자가 시나리오 전달과 과업 수행, 반납 상태, 이슈 발생 현황을 모니터링하였다.
3.2. 시범운영 결과
도로 테스트베드는 2025년 9월 9일부터 12월 8일까지 21개 운영일에 걸쳐 운영되었으며, 운영일, 차량, 주행 코스를 단위로 집계한 운행 기록은 56건, 운행 횟수는 860회였다. 운영에 앞서 서비스 플랫폼과 각 개발품 간 데이터 연동 시험 10개 항목을 수행하여 전 항목의 정상 동작과 실측값 대비 ±5% 이내의 표출 오차를 확인하였다. 운영 중 발생한 이슈는 운행 기록 단위로 운영일지에 기록하고 이슈·보완 현황표로 관리하였으며, 보완 조치를 적용한 뒤 운영을 재개하였다. Fig. 2는 운영일별 이슈 기록 건수와 누적 운행 횟수를 나타낸 것이다. 운행 기록 56건 중 26건에서 이슈가 기록되어 발생률은 46%였으며, 이슈는 모두 14번째 운영일인 10월 28일까지 집중되었다. 보완 조치 이후의 7개 운영일에서는 201회의 운행 동안 이슈가 재발하지 않아 보완 조치의 유효성이 확인되었다.
3.3. 이슈의 정량 분석 및 위험도 평가
Table 2는 이슈를 7개 유형으로 집계하고 IEC 31010의 결과/가능성 매트릭스 기법(20)에 따라 위험도를 평가한 결과이다. 발생 빈도 등급은 이슈가 관측된 운영일 수가 전체 21일의 약 5%인 1일이면 1, 10~14%인 2~3일이면 2, 19% 이상인 4일 이상이면 3으로 하였으며, 이는 관측된 발생 운영일이 1일, 2~3일, 8일로 분포한 것과 일치한다. 심각도 등급은 운영에 지장을 주는 수준을 1, 감지·상태 정보·이력과 같은 안전 기능이 저하되는 수준을 2, 주행 중 정지, 낙하, 화재 또는 폭발과 같이 직접 피해로 이어질 수 있는 수준을 3으로 하여 안전 장벽의 관점에서 구분하였다. 위험 등급은 두 등급의 곱이 1~2이면 낮음, 3~4이면 중간, 6 이상이면 높음으로 하여 직접 피해 가능성이 있는 이슈가 2일 이상 반복되면 높음이 되도록 설정하였으며, 빈도의 경계나 기준을 바꾸어도 높음으로 평가된 유형은 변하지 않았다.
Table 2.
Issues quantified from the operations log of the road testbed and their risk rating (*Station-level event identified in the issue–remedy status of Oct. 22; not linked to a ride record and therefore not counted in Fig. 2.)
Fig. 3은 Table 2의 평가 결과를 위험 매트릭스와 유형별 분포로 나타낸 것이다. Fig. 3(a)에서 통신 단절, BMS 보호기능·제어보드 오류, 주행 중 팩 탈락의 세 유형이 높음으로, SOC 표시 불일치와 배터리 ID 미식별이 중간으로, 습도 경고에 의한 스테이션 중단과 잠금 미적용이 낮음으로 평가되었다. Fig. 3(b)와 같이 복수 이슈를 포함하여 집계한 유형별 이슈 기록 38건 가운데 25건이 안전장치 오류에, 3건이 기계적 손상에 해당하여 시범운영에서 확인된 위험이 부품 자체의 결함보다 부품 간 연동과 상태 정보의 신뢰성에 집중되어 있음을 보여준다.
이 가운데 BMS 오류, 배터리 ID 미식별, 팩 탈락은 부품 단위 인증 시험에서 예상하기 어려운 통합 운영 특유의 원인을 가진다. BMS 오류는 전압이 52.8V에서 57.1V까지 서로 다른 두 팩을 전기이륜차에 병렬로 장착한 조건에서 보호 기능의 오류로 구동이 차단된 것이며,(8) 배터리 ID 미식별은 팩이 KS R 6100-3의 2022년판 CAN ID 방식으로 설계되어 2024년 개정판과 일치하지 않은 데서 비롯되었고, 팩 탈락은 체결 안정성 평가를 거친 고정 구조에서 주행 중 발생하여 고정부 보강과 탈착 시 전력 차단 기능의 추가로 이어졌다. 이러한 결과는 위험 유형의 분류와 위험 등급에 연계한 운영 기준을 정하는 근거가 된다.
4. 공용 교환형 배터리 통합 안전관리
4.1. 서비스 절차와 위험 유형
공용 교환형 배터리 서비스는 사용자가 서비스 플랫폼, 충전 스테이션, e-모빌리티와 상호작용하면서 무인으로 운영된다. 서비스는 충전 스테이션 탐색, 전원 차단 후 배터리 분리, HMI 인증과 방전 팩 반납, 완충 팩 토출, 양손 취급과 고정 확인을 거친 장착, 전원 투입과 연동 확인 후 주행의 여섯 단계로 진행되며,(13,19) 무인 운영과 반복적인 탈부착, 비대면 충전이 연결되는 각 단계가 앞서 정량화한 이슈의 발생 지점이 된다.
위험 유형은 세 가지 근거를 교차 검토하여 정하였다. 첫째는 KS R 6100-4 및 KC 62133-2의 안전성 시험이 다루는 단락, 과충전과 과방전, 낙하, 과열, 연소, 침수의 고장 형태이고, 둘째는 국내외 서비스 사례에서 채택된 예방 조치이며,(14~18) 셋째는 시범운영에서 정량화된 이슈이다. 세 근거에 공통으로 나타나는 결과 사건을 기준으로 화재, 감전, 폭발, 안전장치 오류, 화학물질 노출의 다섯 유형으로 분류하였으며, 낙하, 충격, 탈락에 의한 기계적 손상은 리튬 배터리에서 내부 단락과 열폭주로 귀결되므로(9) 별도의 유형이 아닌 화재와 폭발의 선행 원인으로 두었다. 시범운영 이슈 7개 유형 가운데 4개가 안전장치 오류와 기계적 손상에 해당한 반면 화학물질 노출은 발생하지 않았는데 이는 운영 기간 중 셀 손상 사건이 없었기 때문이며 표준 시험과 사례에서 결과가 중대한 유형이므로 분류에 유지하였다. Table 3은 유형별 근거와 주요 원인, 예방 조치를 정리한 것이다.(19)
Table 3.
Five hazard types: basis (T: safety-test failure modes; C: practices in service cases; P: pilot issues in Table 2), main causes and preventive measures
4.2. 취급 주체별 책임 범위와 이력관리
안전관리 방안은 서비스 생애주기에 걸쳐 배터리 팩, 충전 스테이션, e-모빌리티의 제조사와 서비스 운영자, 사용자가 역할을 분담하는 것을 기본 방향으로 한다. 시범운영 이슈의 조치 주체를 기준으로 책임 범위를 구체화하면, 제조사는 제작·납품 단계에서 국가표준에 적합한 설계와 취급 매뉴얼 제공을 운영 단계에서 표준 개정 사항의 펌웨어 반영과 회수 팩의 원인 분석을 담당한다. 서비스 운영자는 운영 단계의 총괄 책임자로서 점검 주기 운영, 실시간 모니터링, 이력 관리, 비상연락망 운영을 담당하고 이상 팩의 사용 중지, 회수 및 폐기를 결정한다. 사용자는 절차 준수, 양손 취급, 고정 확인과 함께 이상이나 사고를 최초로 인지하였을 때 즉시 신고하여야 한다. 위험등급이 높음으로 평가된 통신 단절, BMS 보호기능·제어보드 오류, 주행중 팩탈락에 대해서는 각각 서비스 운영자가 통신 감시와 재접속 체계를, 배터리팩 제조사가 BMS 펌웨어와 팩간 편차 대응을, e-모빌리티 제조사가 고정 구조와 탈착시 전력 차단을 1차적으로 책임진다.
이력관리는 배터리 팩의 고유 ID를 기준으로 한다. KS R 6100-3의 CAN 데이터인 전압, 전류, 온도, SOC, SOH와 보호 동작 이력에 제조일, 충·방전 횟수, 사용 기종, 낙하·탈락 사건, 점검·수리·펌웨어 갱신 이력을 결합하여 플랫폼에 축적하고, 이를 재투입, 정비, 폐기의 판단에 사용한다. 시범운영에서 충전 스테이션이 슬롯 ID를 기준으로 데이터를 송신하여 팩을 식별하지 못한 사례는 팩 ID 기반 데이터 체계가 이력관리의 전제 조건임을 보여준다.
4.3. 안전 대응 체계, 사고 대응 절차 및 안전 표시
안전 대응 체계는 사전 예방, 이상 감지, 초기 대응, 비상 대응, 사후 조치의 다섯 단계로 구성하며, 점검 주기와 감지·보고 기준은 Table 4와 같이 Table 2의 위험 등급에 연계하여 운영한다. 이상 감지는 네 경로로 이루어진다. 팩에서는 KS R 6100-3에 정의된 과전압, 저전압, 과전류, 고온, 저온, 셀 간 불균형의 진단 신호를, 충전 스테이션에서는 온도, 습도, 연기의 설정 범위 이탈을, 관제 센터에서는 SOC의 급락이나 불일치, 배터리 ID 미수신, 통신 두절의 지속을, 육안 확인과 신고에서는 팽창, 변형, 누액, 발열, 냄새를 기준으로 하며, 수치 임계값은 제조사의 설정값을 따른다. 초기 대응 단계에서는 유형별로 즉각 조치를 취하고, 비상 대응 단계에서는 사고 구역을 폐쇄하여 2차 사고를 방지하며, 사후 조치 단계에서는 인명 피해 관리와 교육 및 시스템 개선을 수행한다. 사고가 발생하면 최초 인지자가 관제 센터에 보고하고, 관제 센터가 사고 유형과 규모를 판단하여 비상 연락을 취하며, 대응반이 현장 통제, 전원 차단, 초기 진화와 응급조치를 수행한다. 사고 후에는 원인 분석 결과와 재발 방지 대책을 제조사와 공유하고 사고 기록을 팩 ID와 연계하여 보존한다.
Table 4.
Inspection, detection and reporting criteria linked to the risk levels of Table 2
시범운영에서 위험 등급이 높음으로 평가된 주행 중 팩 탈락과 같은 취급 관련 위험은 사고 대응 절차만으로는 통제하기 어렵다. 이에 배터리 팩을 취급하는 사용자와 근무자를 대상으로 사용 전 점검, 낙하 주의, 감전 주의, 중량물 취급 주의, 미끄럼 주의의 다섯 가지 안전 표시를 팩과 충전 스테이션에 부착하도록 하였다.
5. 결 론
본 연구에서는 공용 교환형 배터리 기반 e-모빌리티 서비스의 통합 안전관리 방안을 제시하였다. 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 전기자전거, 전기이륜차, 공용 교환형 배터리 팩, 충전 스테이션, 서비스 플랫폼으로 구성된 통합 테스트베드를 실도로 환경에 구축하고 21개 운영일, 860회 운행을 통해 서비스 전 주기를 검증하였다.
2) 운행 기록 56건 중 26건에서 통신 단절, BMS 보호기능 오류, 주행 중 팩 탈락, SOC 표시 오류, 배터리 ID 미식별을 비롯한 7개 유형의 이슈를 도출하였으며, 발생 빈도와 심각도에 기반한 위험도 평가에서 3개 유형이 높음, 2개 유형이 중간, 2개 유형이 낮음으로 평가되었다. 보완 조치 이후의 7개 운영일에서는 이슈가 재발하지 않았다.
3) 위험 요소를 표준 시험 항목, 서비스 사례, 시범운영 이슈의 세 근거에 따라 다섯 유형으로 분류하고, 유형별 원인과 예방 조치, 취급 주체별 책임 범위와 팩 ID 기반 이력관리, 위험 등급에 연계한 점검 주기, 이상 감지 기준, 사고 보고 절차와 안전 표시를 포괄하는 통합 안전관리 방안을 수립하였다.
제안된 방안은 사용자가 충전 인프라를 안전하고 효율적으로 이용할 수 있는 환경을 조성하고 사고를 예방하는 데 기여할 것으로 기대된다.
