전동 킥보드는 빠르고 친환경적인 캠퍼스 내 이동 수단으로 주목받고 있다. 이와 더불어 다양한 디자인, 기능 등을 바탕으로 독창적인 킥보드를 만들어내려는 시도가 증가하고 있다. 하이브리드 킥보드(Hybrid Kickboard)는 이용자로 하여금 탄소중립 실현의 주체가 되도록 한다.
이준상 / 박철희 / 백가온 / 유성우 / 윤덕진
Beam mobility는 인하대학교 캠퍼스 내 주된 이동 수단이다. 하지만 그 이용량에 비례 하여 특히 $16 \sim 17$ 시 사이에 배터리 잔여량이 $20 \%$ 미만인 킥보드의 수가 많아진다. 배터 리 부족으로 인하여 이용하지 못할뿐더러 이용하더라도 저출력을 경험하는 등의 불편을 겪는 상황이다. 이에 하이브리드 킥보드는 ’하이-킥 모드’라는 새로운 솔루션을 제공한 다. 하이-킥 모드를 통해 배터리 지속 시간을 늘려 17 시 이후 킥보드 사용에 불편을 격 지 않도록 하는 것에 주목적을 둔다.
시중에 나와 있는 전동 킥보드는 대부분 일방적 에너지 소비 구조(배터리-모터-추진)를 갖고 있으며, 배터리 지속 시간이나 친환경성 측면에서 한계가 있다. 이 한계를 극복하 고자, ’발로 땅을 차서 추진력을 얻는 바퀴 달린 교통수단’으로 정의되는 킥보드와 전동 기(모터)를 융합하여 도출한 것이 바로 ’하이-킥 모드’다.
하이-킥 모드는 사용자의 직접적인 추진(발로 땅을 차는 동작)을 기반으로 킥보드가 일 정 속도 $(10 \mathrm{~km} / \mathrm{h})$ 이상 도달했을 때 전동 모터의 가속기가 작동되도록 설계된 조건 기반 의 가속 모드이다. 급격한 속도 변화는 더 많은 에너지를 소비하기 때문에 이를 극복하 고자 직접 추진 개념을 추가한다.
하이-킥 모드의 작동 Cycle은 다음과 같다. (1) 사용자의 직접 추진을 통한 $10 \mathrm{~km} / \mathrm{h}$ 도달 (2) 킥보드 인터페이스 화면에 ‘BOOSTER READY!’ 문구 표시 (3) 3 초 동안의 가속 레버(throttle) 작동 (4) 가속이 끝나면 회생제동 시스템을 통한 에너지 회수 (5) $5 \mathrm{~km} / \mathrm{h}$ 로 감속 시 다시 사용자가 직접 추진 (사용자(소비자)는 애플리케이션을 통하여 전동 모드와 하이-킥 모드 중 하나를 선택) 하이브리드 킥보드는 ’사용자 동력 + 모터 + 회생제동’을 통한 그린캠퍼스 실현을 목적 으로 한다.
하이-킥 모드의 작동 Cycle을 실행하기 위해서는 킥보드의 상태(속도 및 가속 여부)를 파악하는 것이 매우 중요하다. 킥보드의 상태에 따라 회로를 구성할 수 있도록 Fritzing 프로그램을 이용하여 MCU 를 기반으로 한 제어회로를 설계한다. 또한 MCU 가 상태를 인지 판단할 수 있도록 Arduino 알고리즘을 구현한다.
MCU 기반의 제어 회로 설계에서는 if 함수와 And 조건문을 이용하는 것이 핵심이다. 킥 보드의 속도가 $10 \mathrm{~km} / \mathrm{h}$ 일 때(True)와 가속 레버(throttle)가 작동됐을 때(True)를 각각 조 건으로 받으며 이 두 조건이 모두 충족(True)되었을 때 배터리-모터 회로에서 전류가 흐 를 수 있도록 알고리즘을 구현한다.
하이-킥 모드는 회생제동 시스템을 통하여 발생하는 전기에너지 소비와 탄소 배출을 최 소화할 수 있다. 특히 모터 구동 회로와 회생제동 회로의 동작 조건의 차이로 인해 킥보 드 내에 두 가지 회로를 설계하여 안정적으로 전류가 흐를 수 있도록 한다. 회생제동 시 스템은 역전류와 과잉 전류의 문제가 발생하기 때문에 이를 해결하기 위한 MCU 기반 알고리즘을 구현하여 제어할 수 있도록 한다. 회생제동 회로 역시 Fritzing 프로그램을 이용하여 설계한다.
기존 전동 킥보드의 경우 배터리 부족 시 충전 및 교체 과정이 필요하며, 과정 동안 이용이 불가능하다. 하이브리드 킥보드의 하이킥 모드는 배터리 잔량 $20 \%$ 미만 시에도 최대 60 km 를 이동할 수 있다. 이는 자연스럽게 캠퍼스 내 17시 이후 하이브리드 킥보드의 소비 비율을 높이며 전동 킥보드 시장에서의 경쟁력을 제공한다. 회로 부품에 의한 초기비용은 무시할 수 없지만, 2년 10개월의 손익분기점을 고려하면 가치 있는 투자이다.