278 2016년도 시험연구보고서

과제구분 기본과제 수행시기 전반기

연구과제 및 세부과제 연구분야 수행기간 연구실 책임자

과수신품종육성및재배법개발 과수 ‘16 농업기술원원예연구과 이영석

포도재배 노동력절감형 다목적관리장치 개발 과수 ‘16 농업기술원

원예연구과 이영석

색인용어 관리장치, 2차 전지, DC모터

ABSTRACT

The experiment was conducted to develop transport devices that can conserve transport during the cultivation of fruit. We improved the disadvantages of conventional transport and developed a cheaper and more convenient device for farmers. In addition, we developed a battery pack, a DC motor, and a control device by using IT technology. Despite of new products, we adopt advanced new IT technology, which realized cost reduction product. So, It is widely applicable for farmers in various ranges. As a result of economic analysis, it is suitable to use management devices in farmhouses over 0.5 ha.

Key words : convenient device, battery, DC motor

1. 연구목표농업인구의 감소와 고령화로 인해 인력수급이 어렵고 포도재배 같은 과수작업은 장시

간 반복적인 작업과 중량물 취급이 많아 수확 작업부담을 줄이기 위한 수확물 이송 및

무인방제를 위한 작업관리 장치가 필요하다. 현재 농가에서 사용하고 있는 농작물 과수

수확 및 화훼작물을 운반하는 운송장치는 농민의 노동력을 덜어주는 장치로 활용되어 지

고 있다. 하지만 농가에 보급되어 있는 장치는 농민이 사용하기에 인력으로 밀어서 이동

하는 방식으로 불편할 뿐만 아니라 모터장치 설치 시 금전적 부담 및 과다한 전원케이블

및 작업 동선이 한정되는 등 단점이 발생되어 개선이 필요한 상태이다. 이러한 단점을

개선하고자 농민의 작업 편리성을 감안한 새로운 방식의 시스템을 개발 하고자 하였다.

이 시스템은 리튬인산철 배터리를 이용한 직류전원 모터를 사용하고 작업자의 일의 속도

에 따라 속도를 가변할수 있는 속도제어 시스템을 개발 하였다. 또한 기존의 불필요한

전원케이블을 제거함으로 인하여 작업환경 개선이 되고 기존 대비 제품을 첨단화로 만들

어 제품가를 낮추어 농민의 부담을 줄이고 더 나아가서는 작업환경에서의 효용성을 증대

를 목적으로 하였다.

Ⅱ. 원예연구 279

2. 재료 및 방법가. 리튬배터리

일반적으로 배터리를 안정성, 긴수명, 친환경소재 사용 및 경제성 등의 장점으로 LFP

(리튬인산철)배터리가 많이 사용이 확대되어지고 있는 추세이다. 그림 1.에서도 알 수 있

듯이 배터리의 특성상에서 인산철 배터리의 장점 때문에 대형 자동차 또는 일반 산업용

에도 널리 사용되어지고 있다. 그림 2는 배터리의 구성도이다.

그림 1. 배터리별 장단점

나. BMS (배터리 관리 시스템)

BMS란 리튬이온 배터리의 상태 즉 충,방전 상태를 모니터링 하는 장치로써 배터리 단

전지 셀의 상태를 모니터링 하여 배터리의 충전 여부를 결정해주는 핵심 인자이다. 여러

개의 전지를 직렬로 혹은 병렬로 묶어 사용할 때 각 개별 전지의 전압, 온도, 내부저항

등을 표시해주는 장치 이외에 배터리 모니터링, 보호 진단 기능을 포함 것을 말한다.

BMS 형상 및 구성도는 그림 3과 같다.

그림 2. 배터리 조립 구성도

280 2016년도 시험연구보고서

형상 구성도

그림 3. BMS 형상 및 구성도

다. DC 모터

직류 모터의 일종으로 브러쉬와 정류자가 없이 회전자를 영구자석으로 구성되어 있어

신뢰성이 높고 수명이 길다. 일반 DC모터의 최대 단점인 브러시와 정류자가 없기 때문

에 다음과 같은 장점을 가지고 있다.

1.신뢰성이 높고 수명길다. 2. 제어성이 우수하다. 3. 효율이 좋다. 4. 전기적,자기적 잡음

이나 기계적 소음이 거의 없다. 5. 소형화, 박형화가 용이 6. 고속운전이 가능하다.

BLDC 모터 구동드라이버

그림 4. BLDC 모터 및 모터구동 드라이버

Ⅱ. 원예연구 281

3. 결과 및 고찰단전지 3.2V, 20A파우치 타입 인산철 배터리를 이용하여 DC모터를 구동하기 위한

팩을 구성하기 위하여 단전지 8개를 직렬로 연결하여 모터 구동전압 24V 전압을 구

성하였고 배터리팩을 보호하기 위한 BMS(전원보호장치)를 적용하여 배터리 충전 및

방전시 팩을 보호하기 위한 전원보호장치를 내장하여 팩을 구성하였다.

배터리팩의 전원을 인가 시 이송장치가 움직이도록 기어비를 조절하여 사용자의 작업속도에 따른 기어비를 자유스럽게 조절하여 사용자의 편의성을 증대시키도록 설계 하였다. 또한 전류 소모를 최소화 하기 위한 제어부 설계를 하여 적은 전력으로 장시간운전이 가능하도록 전원 제어 회로를 설계하였다. 이송장치는 알루미늄 바디를 적용하여 제품의 무게를 최소화 하였고 온실내의 설치가 용이하도록 기어장치부품을 선정하였다. 상기의 구조로 제품을 설계하였으며 그에 따른 제품 상세 사양은 표1.과 같다.

표 1. 다용도 이송장치 개발 사양

1차 시작기에서 속도조절 및 하중시험을 하여 표2.에서 B형의 단점을 보완하여

A(10:1) 형태로 보완하여 적용하였다. 그림6과 7.의 도면과 다용도 이송 장치를 개발

하였다.

그림 5. Battery Pack사진

No 항 목 사양 & 규격 비고1 사용 전압 DC 24V [단일선택]2 배터리 2차전지 [리튬인산철]3 충전방식 AC 220V 아답터 1 hr 충전4 구동방식 BLDC Motor [전후] 

5 제어방식 PWM제어 펄스폭변조방식6 연속사용시간 2hr∼ 3hr7 Size(W×D×H) 500(W) * 1000(D) * 1200(H) 단위[mm]8 하중 100kg9 이동속도 Max. 2 ∼ 10km/hr

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표2. 기어비 조절에 따른 시작기 특징

구분 A형 (적용) B형 (1차)감속비 10:1(적용) 60:1 10:1 60:1

연속사용시간(hr) 3 3 6 6운반하중(kg) 200 1200 95 570최대속도(km/h) 10 1.7 5.0 0.8정격토크(N/m) 2.39 2.39 1.3 1.3

전체도면 전동부 도면

그림 6. 다용도 이송장치 도면

앞면 측면

그림 7. 다용도 이송장치

Ⅱ. 원예연구 283

표3. 다용도 이송장치 비용

(단위 : 10a, 원)

항 목 기존(관행) 이송장치 설치시 추가비용

고정비

(원/년)

감가삼각비 1,276,542 1,716,542 440,000

수리비 154,640 418,640 264,000

이자 895,986 1,027,986 132,000

소계 2,327,168 3,251,168 836,000

유동비

(원/년)

인건비 2,263,000 2,036,700 -226,300

연료비 1,327,322 1,340,322 13,000

재료비 1,339,500 1,339,500 0

소계 4,929,822 4,716,522 -213,300총비용 7,256,990 7,879,690 622,700

♩내용년수 :10년

♪ 잔존율 0%, 수리비계수 6%, 연이율 3%

표 4. 다용도 이송장치 손익분기 규모 계산 항목

※ 손익분기규모 = 연간고정비용/(10a 경영비- 10a 신기계도입유동비)

시설포도농가설치 사용시 다용도 이송장치 손익분기규모는 계산결과 0.5 ha이상의

규모에서 사용할 때 적합하게 나타났다.

4. 적 요포도시설 재배시 수확작업, 농약방제 등의 용도로 사용할 수 있는 다용도 이송장

치를 개발하고자 이 연구를 수행하였다. 이송장치는 크게 배터리, 배터리 관리시스템,

DC모터로 구성되어 있다. 사용전압은 24V로 2차 전지를 사용하여 쉽게 농가에서 쉽

게 충전할 수 있도록 하였으며 BLDC 모터를 사용하여 속도조절 및 펄스폭제어방식

구분 금액(원)

연간 농가 고정비용 13,158,779

단위면적당 관행시 경영비 7,256,990

단위면적당 신기계유동비 4,716,522

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을 채택하여 제어가 용이하며 알루미늄 재질을 선택하여 장치를 경량화 하였다.

종래의 상전 방식의 구동 방식에서 배터리팩을 이용한 직류모터를 사용하여 농민의

작업환경, 속도에 맞추어 속도 제어를 할 수 있어 일에 능률을 증대시키는 다용도

이송장치를 개발하였다. 경제성 분석결과 0.5ha 이상 규모의 농가에서 관리장치를 사

용하면 적합하며 포도시설하우스의 규모가 클수록 비용절감효과가 높아짐을 알 수

있다.

5. 인용문헌Jae-Seung Koo, Sun-Soon Park, Kil-Young Youn, Chul-Soo Kim, “Development

of SOC Estimation Logic using the Steady State DC-IR for SHEV”,18th

Electric Vehicle Symposium, Berlin, 2001.

FreedomCAR 42V Battery Test Manual, DOE/ID-11070, Feb, 2003.

Jong Hoon Kim, Seong Jun Lee, Jae Moon Lee, Bo Hyung Cho,“A New Direct

Current Internal Resistanceand State of Charge Relationship for the Li-Ion

Battery Pulse Power Estimation" 7th International Conference On

Powerelectronics, Daegu. 2007.

자주식 동력운반장치를 이용한 농산물 수확, 운반작업의 편의성 및 생산성 분석 :

경북지역의 과채류 재배농가 조사연구 2011.02.

수송 트레일러의 충격흡수 장치 개발- 동력경운기 적재함의 연결 히치, 판스프링,

쇽업쇼바 2012.

6. 연구결과 활용제목

○ 포도재배 노동력절감형 다목적 관리장치(기초자료)

7. 연구원 편성

세부과제 구분 소속 직급 성명 수행업무참여년도‘16

포도재배 노동 력 절 감 형다목적 관리장치 개발

책임자 농업기술원원예연구과 농업연구사 이영석 세부과제총괄 ○

공동연구자

〃〃〃〃

농업연구관〃〃

농업연구사농업연구사

이영순서명훈이해길이정진임성희

결과검토결과검토결과검토자료조사자료조사

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