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1 전기자동차의배터리관리시스템 한국과학기술정보연구원 Reseat 프로그램심영일전문연구위원 Ⅰ. 개요 배터리관리시스템의정의 배터리관리시스템의구성및기능 110 Ⅱ. 동향분석 국내동향 해외동향 116 Ⅲ. 향후전망 118 < 참고문헌 > 119 전기자동차의배터리관리시스템 _107

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3 Green Technology Trend Report 전기자동차의배터리관리시스템 한국과학기술정보연구원 Reseat 프로그램 심영일전문연구위원 Ⅰ. 개요 1. 배터리관리시스템의정의 전기자동차는일반내연기관자동차와달리배터리, 전기모터, 인버터 (Invertor)/ 컨버터 (Converter), 배터리관리시스템 (BMS: Battery Management System) 으로구성되어있다. 배터리는전기자동차의상용화에큰걸림돌이되어왔으나, 최근리튬이온배터리기술이발전하면서배터리셀의출력및에너지밀도가증가하고가격은하락하는추세로전기자동차보급전망을밝게하고있다. 자동차의전동화로구성부품의변화가일어나고있다. 현재내연기관자동차의부품수는약 3만개로구성되어있으나전기자동차는약 3,000개의단순한구조로되어있어서자동차부품산업의업체및수요구조가크게변화될것으로예상된다. 전기자동차부품중리튬 2차전지에소요되는비용부담을해결하면가솔린자동차보다저가로생산이가능하여보급이가속화될것으로예상된다. 자료 : UBM TechInsights < 그림 1> Chevrolet Volt 의배터리관리시스템및 sub system 총집합 1) 전기자동차의배터리관리시스템 _109

4 배터리관리시스템 (BMS: Battery Management System) 은전기자동차 (Electric Vehicle, EV) 및하이브리드자동차 (Hybrid Electric Vehicle, HEV) 의핵심요소이다. 구동시스템에서필요로하는전력을공급하는 2차전지의안전성과신뢰성을보증하는역할을하기때문이다. < 그림 1> 에서는미국 GM의하이브리드자동차인 Chevrolet Volt의배터리관리시스템구성요소를나타내었다. 배터리관리시스템은전기자동차배터리제어의최적화를통하여주행거리향상과안전성을확보하는역할을한다. 배터리관리시스템의기능은크게두가지로나눌수있다. 열에약한배터리를균등냉각하여항상균일한성능을나타낼수있도록하는열관리제어기술과배터리의각상태를판단하여최적효율지점에서작동하도록하는배터리충전상태 (SOC: State Of Charge) 제어기술로구분된다. 열관리제어기술은시스템의전압, 전류및온도를모니터링하여최적의상태로유지관리하며시스템의안전한운영을위한경보및사전안전예방조치를취할수있다. 또한배터리의과충전및과방전을억제하여셀 (cell) 간의전압을균일하게제어함으로써에너지효율및배터리의수명이연장된다. 경보관련이력상태의저장과외부진단시스템혹은모니터링 PC를통한데이터의보전및시스템진단이가능하다. 충전상태를제어하는기술은모든셀을항상균등한충전상태로유지시켜주는셀밸런스를통해실현하고있다. 더욱이배터리관리시스템은각종변화요소들을종합분석하여남은주행가능거리를예측하고그정보를상위의차량전자제어장치 (ECU: Electronic Control Unit) 에제공한다. 차량내통신은일반적으로 ISO 표준네트워크인 CAN(Controller Area Network의약자로차량내 ECU들간의데이터공유를위해 Bosch에의해개발된통신시스템 ) 을활용하고있다. 2. 배터리관리시스템의구성및기능 자료 : Nuritec 홈페이지를참조하여편집하였음 < 그림 2> 전기자동차용리튬배터리시스템의구성부품과배터리관리시스템의구조예 110_ 녹색기술동향보고서 (

5 배터리관리시스템은 BMS, ECU 본체와셀모듈 (Cell Module, CM) 부분으로구성되어있다. 이것은절연형 CAN을통해서로접속되어있으며각셀모듈은셀스택 (Cell Stack; 모든단일배터리셀의서브스택 ) 에접속되어있다. 또한셀모듈은개개의단위셀의전압을계측해서필요에따라방전을개시한다. 배터리관리시스템의기능을지원하는소프트웨어에는전압, 전류, 온도등을계측하는계측알고리즘 (Measuring algorithm for voltage, current and temperature), 충전량계산 (SOC : State of Charge calculation), 수명예측 (SOH : State of Health estimation), 셀밸런싱알고리즘 (Cell balancing algorithm), 온도관리 (Thermal Management), 진단알고리즘 (Diagnostic algorithm), 방호알고리즘 (Protection algorithm) 과차량내통신 (Communication with vehicle) 등이있다. 배터리관리시스템의하드웨어적인구성에는 VITM(Voltage, Current, Temperature Measure) 모듈, 셀밸런싱 (Cell Balancing) 모듈등으로구성되어있다. < 그림 2> 는전기자동차용리튬배터리시스템의구성부품과배터리관리시스템의구조예이며, < 그림 3> 은전기자동차용배터리관리시스템의구성및작동과정을나타내었다. < 그림 3> 배터리관리시스템의구성과작용흐름도 배터리셀간의전압차이에대한제어방법은특정셀군의전압이높은것을검출하게되면 ASIC의온칩회로가작동해서특정셀군을외부저항회로망에접속한다. 선택된셀군이어느정도방전하게되면전압차가줄어들게된다. < 그림 4> 는셀밸런스방식의 2가지종류의회로도를보여주고있다. 상기의간략한수동셀밸런스 (Passive cell balance) 방식은신뢰성이높고비용이적게드는방법이지만, 방전저항내에서에너지가열로손실되기때문에효율이떨어진다. 반면에능동셀밸런스 (Active cell balance) 방식은전압이가장높은셀로부터전하를받아 전기자동차의배터리관리시스템 _111

6 축적해서전압이가장낮은셀로재분배한다. 전하의축적과재분배에는콘덴서, 인덕터, 트랜스를사용해서셀을순차적으로변경하며상황에따라전하를축적하고방전또는재분배하게되어있다. 이방식은수동셀밸런스방식에비해에너지보존 ( 효율 ) 면에서우수하지만, 시스템의비용이비싸고복잡하다는단점이있다. 자료 : STMicroelectronics < 그림 4> 2 종류의셀밸런스방식 1) 전기자동차의배터리관리시스템에서또하나중요한것은통신과제어이다. 개개의리튬이온배터리셀은복잡한알고리즘에의해관리되고있다. 배터리팩은배터리인터페이스제어모듈내의각측정서브시스템을감시하고있다. 배터리전체에걸쳐꼭필요한데이터는 CAN Bus 신호와고전압고장신호에포함되어있다. 시스템의안전성과신뢰성은 CAN Bus 네트워크를어떻게하면고전압측정회로로부터확실하게절연하느냐에달려있다. 절연에는여러가지방법이있지만가혹한환경과복수의안전규제를고려했을때광커플러가가장적합하다. < 그림 5> 는광커플러의내부사진및기능회로선도를나타낸것이다. 자료 : Avago Technologies < 그림 5> Optocoupler 의내부사진및기능회로선도 3) 112_ 녹색기술동향보고서 (

7 광커플러는일반적인노이즈에강한내성을가지고있어서자동차와같은전기적인노이즈가많은환경에서도기본적인 EMC나 EMI의문제가발생하지않는다. 다층구조의절연을하였기때문에배터리팩으로부터의직류전압스트레스에장시간노출되어도문제가없다. 각종시험이나충전기의탈착, DC-DC변환에따른고속, 고전압의과도한전압변동에도변화가없다. 전기자동차와하이브리드자동차가상용화에성공하기위해서는배터리와배터리관리시스템의성능이중요하다. 최근미국의 McKinsey 시장조사에의하면, 리튬이온배터리의기술발전으로 2025년까지배터리용량이 80~100% 증가하고가격도하락할것으로예측하고있다. 전기자동차의총소유원가 (TCO) 가가솔린자동차에비해저렴해지고, 배터리의고전압화및대용량화, 데이터처리의고속화등의기술발전이기대된다. Ⅱ. 동향분석 1. 국내동향 우리나라의전기자동차용배터리는세계적인수준으로평가받고있다. LG화학, SB리모티브, SK이노베이션이시장을선도하고있으며, LG화학은세계 1위의전기자동차배터리생산업체로미국전기자동차배터리개발컨소시엄으로부터고성능전기자동차배터리개발프로젝트를수주하여 GM, Ford 등총 10개기업의전기자동차배터리공급업체로선정되었으며, 배터리생산능력은현재 1,600MWh에서 2013년에는 5.6GWh로확대증설할예정이다. 삼성SDI와독일 Bosch가 50대 50으로합작설립한 SB리모티브는 BMW, Chrysler와공급계약을체결하였고, SK이노베이션은현대, 기아차, Mercedes AMG, Mitsubishi Fuso에납품하고있다. SB리모티브는생산규모를현재 135MWh에서 2015년까지 4GWh로, SK이노베이션은현재 100MWh에서 2012년말 600MWh로확대증설할예정이다. 배터리관리시스템분야는케피코 (Kefico), 파워로직스 (PowerLogics), 넥스콘테크놀러지 (Nexcon Technology), 이렌텍 (Elentec) 등이생산및개발에참여하고있다. 파워로직스는전기자전거용부터시작하여, 전기자동차용배터리관리시스템을연간 60만개생산하고있다. 파워로직스는그동안삼성SDI, 넥스콘테크놀러지는 LG화학에제품을공급해왔다. 레오모터스 (Leo Motors) 는리튬폴리머배터리와배터리관리시스템에서월등한기술력을바탕으로전기자동차사업을주도하고있다. 레오모터스는일본자동차부품상사글로벌커머스와협력하여중고버스를전기자동차로바꾸는개조키트를일본시장에수출하였다. 또한현대자동차의 24인승버스를고속전기자동차로개조하여시속 110km로도로주행시험에성공하였다. 그리 전기자동차의배터리관리시스템 _113

8 고배터리셀의수를 1/10로줄여중량과부피를줄인것도특장점이며, 100A짜리 80개셀을사용하였다. 파워로직스가개발한배터리관리시스템은국내 2차전지제조업체및상용차업체와테스트를완료하였고배터리잔량의정확도, 신뢰성, 전압, 온도, 전류제어의정확성에서우수한평가를받았다. 일본 Daimler 그룹산하의 Mitsubishi Fuso에 2차전지공급계약을체결한 SK이노베이션이파워로직스의친환경배터리관리시스템을결합한배터리팩을공급함으로써파워로직스는 2012년부터공급을시작해 2017년까지연평균 2,800대의트럭용배터리관리시스템을공급하기로하였다. SK C&C는배터리관리시스템부품개발을위해 SK이노베이션과별도로 60억원을연구개발에투자하고있으며, SK이노베이션이리튬이온배터리를공급하게될 Mercedes Benz의첫전기슈퍼카 (Supercar) 에 SK C&C의배터리관리시스템부품이공급될예정이다. 관련업계에서는향후전기자동차시장이활성화되면배터리관리시스템시장규모는 2015년 5조원, 2020년에는 35조원규모에이를것으로추산하고있다. SK이노베이션은독일의 Continental 사와 51대 49의비율로배터리공동개발을위한합작법인을 2012년말까지설립할계획이며, 2012 년 7월 23일독일프랑크푸르트에서설립계약을체결하였다. 이합작법인은 SK이노베이션에서배터리셀을공급받고 Continental사에서배터리관리시스템을공급받아세계최고수준의배터리팩시스템개발및생산에들어갈예정이다. 양사는향후 5년간약 4,000억원을투자할예정이며합작법인은독일베를린에본사를두기로협의하였다. 현재전기자동차생산업체인현대, 기아자동차는자회사인케피코를통해배터리관리시스템을생산하고있고, 2차전지생산업체인 LG화학은 LG이노텍을통해납품하고있으며, 삼성SDI 는 SB리모티브에납품하기위한배터리관리시스템을개발하고있다. 외국계기업들중에서는리니어테크놀러지 (Linear Technology) 가 2008년배터리관리시스템제품을가장먼저선보였으며, 최근기능을향상시킨후속제품을출시하였다. 지난 2년동안글로벌자동차회사에제품을공급해온경험을바탕으로국내자동차조립업체등관련기업을공략하고있다. 그밖에리니어테크놀로지를비롯하여 TI, Maxim, Analog Device 등의글로벌대기업들도한국의신규시장공략을추진하고있다. 이들기업은기존에노트북, 휴대폰등중소형모바일기기위주로관련제품을공급해왔으며, 전기자동차및대용량에너지저장장치신규시장진출및입지확대를위해준비하고있다. 우리나라의배터리관리시스템기술수준은제어기술의발달로제품의설계및생산기술은선진국에비해크게뒤지지않으나, 부품과최종품질에서경쟁력이다소떨어지는것으로분석되었다. 선진국을 100이라했을때 90으로다소기술격차는존재하지만기술력차이는크지않은수준이다. 집중적으로기술개발을지속할경우, 본격적인전기자동차의시기가왔을때배터리관리 114_ 녹색기술동향보고서 (

9 시스템분야에서선진국과경쟁할수있는동등한기술수준에접근할수있을것으로전망된다. < 그림 6> 은선진국대비우리나라의전기자동차용배터리관리시스템기술경쟁력을분석하여 나타내었다. ( 선진국 =100) 구분 부품개발 / 설계능력 생산설비수준 생산기술수준 품질경쟁력 종합 BMS 가중치 BMS 부품개발 / 설계능력생산설비수준생산기술수준품질경쟁력 자료 : KDB산업은행자료 < 그림 6> 전기자동차용배터리관리시스템의기술경쟁력분석 향후배터리관리시스템의기술개발동향은가격경쟁이치열해짐에따라원가절감을위한방향으로진행될것으로예상된다. 지금까지는배터리셀의안정성확보를위해배터리의전기화학적반응을억제하는방향으로배터리관리시스템의기술이개발된반면, 기술동향은활용범위를적극적으로확대하고잔존용량및수명을보다정확히예측하는방향으로전개되고있다. 국내배터리관리시스템업체가운데제품을생산하여전기자동차에적용한경험이있는업체는케피코, P&E Solution, 넥스콘테크놀러지, Power Logics 등이다. 국내고속전기자동차에적용해본제품은커피코가유일하며, 그밖에업체들은시속 40km 이하의저속전기자동차를비롯한전기자전거, 전기스쿠터, 골프카등에제한적으로적용되었다. 기본원리는고속전기자동차와저속전기자동차에적용된기술이큰차이가없어관련업계의기본기술력차이는별로없다고봐도무방하다. 다만, 고속전기자동차의실제양산을위한필드테스트에대한경험유무가업체의기술력차이를결정한다고볼수있다. 전기자동차의배터리관리시스템 _115

10 2. 해외동향 가. 유럽독일의 LTC/Gaia는리튬이온배터리제조회사로자동차용이외에고정형전지, 재생가능에너지, 군사, 우주항공용전지를공급하고있으며 2002년에미국의 Lithium Technology에합병되었다. NCA계 ( 니켈, 코발트, 알루미늄의 3원계 ), 인산철리튬이온 (LiFePO4) 배터리셀, 배터리팩, 배터리관리시스템을장착한배터리팩등이주요생산품이다. 또한 2011년 9월 27일미국에배터리제조회사인 EnerSys사와대형리튬이온배터리셀을생산하는합병회사 EAS Germany를설립하였다. 출자비율은 EnerSys가 60%, LTC/Gaia 가 40% 이다. dspace사는자동차산업및항공산업에서필요로하는전자제어기기등을제조하는회사로배터리관리시스템의 HIL(Hardware-In-the-Loop) 테스트에서셀수준의고전압배터리를시뮬레이션하기위해 dspace는실시간으로계측할수있는셀모델과셀단자전압을출력할수있는고정밀도의에뮬레이션유닛 (Emulation unit) 을개발하여 ECU 단체및 ECU 네트워크통합테스트가가능하게되었다. 독일의 Continental사는세계의유명한자동차회사에섀시, 파워트레인, 타이어등자동차부품을공급하고있는세계주요자동차종합부품회사이다. 특히전기자동차용배터리분야에서배터리팩시스템기술과배터리관리시스템기술의세계적인강점을가지고있다. 2012년 7월한국의 SK이노베이션과합작회사설립을위한계약을체결하였다. SK이노베이션의배터리셀기술과 Continental의배터리팩시스템및배터리관리시스템기술노하우가접목되면엄청난시너지효과가기대된다. 나. 미국연료전지자동차 (FEV) 분야에서리튬이온배터리관리및감독을위해배터리관리시스템장치인 FEV LiionMan를개발하여 SAE 2009 World Congress 에서발표하였다. 그리고전시회에서리튬이온배터리전기자동차개발기술을적용한차량도선보였다. EnerDel은 Ener1의자회사로 Ener1이국내이너테크인터네셔널 (Enertech International) 의 83% 지분을갖고있으며, 리튬이온폴리머배터리셀및팩제조를통해배터리관리시스템과차량을개발하고있다. EnerDel은핸드폰등모바일기기에사용되는배터리셀전문업체로시작해차량용배터리관리시스템및배터리팩을개발하였다. 이너테크인터내셔널 ( 주 ) 은국내에서배터리셀과팩을제조하고있다. EnerDel은전기자동차, 하이브리드자동차 (HEV), 플러그인하이브리드자동차 (PHEV) 용리튬 116_ 녹색기술동향보고서 (

11 이온배터리기술개발을위해 USABC 및 Ford, GM, Chrysler 등자동차제조업체와협력하고있다. 그동안 ANL과 Delphi 등과협력을통해배터리산업의기술노하우를지속적으로축적해왔다. 그리고자체개발한배터리팩과배터리관리시스템을 SAE 2009 World Congress에서발표하였다. Delphi사는전기자동차분야의배터리제어기및커넥터개발공급업체이다. 320VDC Battery Pack System이라고하는배터리관리시스템을개발하여 SAE 2009 World Congress 에서선보였다. LGCPI(LG Chem. Power) 는 LG화학의미국자회사로북미하이브리드자동차, 플러그인하이브리드자동차, 전기자동차용리튬이온폴리머배터리를 GM에공급하고있다. 배터리관리시스템을개발하여 SAE 2009 World Congress에서선보였다. Maxim Integrated는기존자동차시장의전통적인선두기업인 Freescale, Infineon, Analog Devices 등을앞질러향후부각될하이브리드자동차, 플러그인하이브리드자동차, 전기자동차의배터리시장을선점하기위해새로운배터리관리시스템관련기술을공개하였다. 배터리모니터링 IC MAX11068은통신버스를탑재하고있어서비싼절연부품을사용하지않고여러개의 MAX11068을데이지체인방식으로연결할수있다. 이는비용을 80% 까지줄여주고설계를간소화하면서셀밸런싱을정밀하게할수있다. 다. 일본 Toyota의자회사인 Panasonic EV Energy는프리우스 (Prius), 캠리 (Camry), 렉서스 (Lexus) 등에니켈수소전지및배터리관리시스템을적용한경험을보유하고있으며, 10년이상차량시스템평가및필드테스트를통해배터리관리시스템의최적화를달성하였다. Keihin사는 Honda에서생산판매중인 New Civic 하이브리드자동차용니켈수소 2차전지를위한배터리관리시스템을개발하여생산하고있으며, 리튬계배터리용관리시스템에대한연구개발도진행중이다. Hitachi Vehicle Energy는배터리제어시스템개발을위해 4채널의셀제어전용칩을개발하였다. Hitachi 관계자는이전용칩의적용으로배터리관리시스템의크기는 1/10로, 제조비용은 1/8로크게감소하였다고 2005년 Hawaii에서개최된 AABC Conference에서발표하였다. ZMP는 2001년 1월설립된회사로 2005년세계최초로가정용 2족로봇 Nuvo를발매한회사이다. 최근전기자동차가주목을받게되면서리튬이온배터리수요가늘고, 이에대한운용방법및학습을위한전문기술자연수및대학교재용실험키트 e-nuvo 배터리관리시스템 를개발및출시하였다. 이시스템의총전압은 25.9V(3.7V, 16Ah 7 cell), 출력전압은 100V이다. 전기자동차의배터리관리시스템 _117

12 다. 중국리센배터리 (Lishen Battery) 는한국의넥스콘테크놀러지와공동으로대용량에너지저장장치 (ESS), 전기자동차, 하이브리드자동차용배터리관리시스템에대한전략적파트너십을구축하기위해양해각서를체결하였다. 리센배터리는중국해양석유총공사가투자한 2차전지를생산하는국영기업으로, 현재중국에서개발중인전기자동차용배터리를개발하여시험양산하고있다. 비야디 (BYD: Build Your Dream) 는중국의제 4위자동차제조회사로미국의투자가로알려진워렌버핏이 2,700억원을투자하면서세계의이목을끈기업이다. 그러나현재전기자동차개발에총력을기울이고있으나, 인프라구축및원가절감등으로어려움을겪고있다. 또한리튬이온배터리및배터리관리시스템에대한연구개발이불투명한상태이다. Ⅲ. 향후전망 하이브리드자동차, 플러그인하이브리드자동차, 전기자동차는부품수가내연엔진기관자동차대비 60% 수준에불과하고구조도매우단순하기때문에배터리가격을제외할경우가솔린차량보다저렴할것으로예상된다. 에너지효율도 53% 로내연엔진기관자동차보다월등히우수하다. 그동안배터리기술력부족으로인해전기자동차의실용화가지체되어왔으나배터리관련기술이점차해결되면서빠른시일내에전기자동차가상용화될것으로전망된다. 전기자동차가상용화되면배터리관리시스템의중요성이더욱부각될것이며, 이를위해기술개발에더욱힘써야한다. 향후차량용 2차전지에탑재되는배터리관리시스템의시장규모를국내에서양산할계획을가지고있는 HMC의아반떼급을기준으로가정해보면, 아반떼를전기자동차화한모델에서만약 7조 6천억원의매출이예상된다. 배터리관리시스템의시장구조는배터리관리시스템제조업체가배터리팩을조립하는업체에납품하게되며, 배터리팩을조립하는업체는전기자동차조립업체에납품하는가치사슬 (value chain) 을형성하고있다. 그러나최종조립단계에있는전기자동차의보급이 2011년목표대비 10% 인 80대에불과한것은자동차수출주력국가인우리나라로서는우려되는바가크다. 자동차산업의패러다임변화로전기자동차시장은급속한성장이예상된다. 현재전기자동차시장은미국, 중국, 일본이주도하고있으며한국은초기단계라고볼수있다. 한국의전기자동차관련연구개발투자비는미국의 1.2%, 중국의 8% 수준으로규모가매우작은가운데전기자동차의핵심부품인배터리기술과배터리관리시스템기술은수준급으로해외수출비중이급증하고있는상황이다. 다만, 전기자동차의국내생산이미진하여부품의해외 118_ 녹색기술동향보고서 (

13 수출이주를이루고있다. 결과적으로배터리와배터리관련부품시장은불균형하게발전하고있으며, 바람직한산업구조형성에문제가되고있다. 따라서, 전기자동차의내수시장활성화를통해국내전기자동차에서충분한실용성평가를거친배터리와배터리관리시스템을자동차와더불어수출전략상품으로육성해야한다. 이를위해미국, 일본과같이수요자에대한파격적인자금지원정책등과같은보급활성화대책이반드시수립되어야할것으로사료된다. 우리나라전기자동차시장에서가장핵심적인배터리관련기술은매우우수하여경쟁력을갖추고있기때문에정책적지원이이루어진다면기술혁신을통한원가하락및지속적인성장이예상되므로국내기업들의적극적인참여가필요하다. 이미보유하고있는가솔린자동차에대한수출경쟁력과앞선배터리경쟁력을기반으로국내자동차제조업체는단시간에전기자동차시장에서두각을나타낼것으로전망된다. < 참고문헌 > 1. Stephen Evanczuk, 電氣自動車 ボルト, 電池管理の秘密, EE Times Japan/EDN Japan 電子版 (ednjapan.com), 산업은행KDB, 국내전기자동차기술경쟁력분석, 산업기술이슈, Avago Technologies US Inc., Home page, 4. 박찬희외, EV용배터리관리시스템 (BMS) 시뮬레이터개발, 한국산학기술학회논문지, 13권 (6), pp.2484~2490, 김동준외, 리튬이온이차전지의현재와미래, 물리학과첨단기술, pp.15~19, 吉田崇, 電氣自動車 (EV) 用システムの課題と開發動向, Panasonic Technical Journal, 57(3), pp.44~45, 전자신문홈페이지, 8. 넥스콘테크놀러지홈페이지, 9. 파워로직스홈페이지, SK C&C 컨설팅블로그, 전기자동차의배터리관리시스템 _119

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