전기자동차, 앞으로는 무선충전 방식이 해법이다.

전기자동차, 앞으로는 무선충전 방식이 해법”

KAIST가 세계 최초로 개발한 무선충전 전기버스. 기자가 찾은17일에도 대전 KAIST 캠퍼스에서 정상적으로 운행되고 있다. 사진은 이날 학사식당 앞 승강장에서 점심시간 동안 무선충전중인 전기버스 모습.프리랜서 김성태

전기자동차는 전 세계적으로 지구 온난화와 미세먼지 극복의 대안으로 떠오르고 있지만, 충전방식과 이로 인한 제한된 주행거리가 골칫거리다. 지금은 기존 주유소처럼 곳곳에 설치되는 충전소를 이용하면 되지만, 긴 충전시간과 짧은 주행거리, 불편한 충전방식이 단점이다.

전기자동차의 미래는 어떤 모습일까. 특허청은 17일‘전기자동차의 충전방식은 무선이 해법’이라고 밝혔다. 2009년부터 최근 10년간 전기차 충전방식 특허를 조사ㆍ분석한 결과다.

특허청에 따르면 지난 10년간 국내 특허 중 유선충전 분야는 큰 변화가 없었으나, 무선 충전 관련 특허는 총 1036건에 달한다. 특히 2009년 24건에 불과하던 무선충전 방식 특허는 2016년 148건에 달하는 등 2010년대에 들어서 매년 100건을 훌쩍 넘어서고 있다.

무선충전 출원건수

지난 10년간의 무선충전 관련 특허를 세부적으로 보면 무선충전 설비와 인프라 관련이 42%(435건)로 가장 많았다. 다음으로 자기공진 충전 방식(409건)이 40%의 비중을 보이고 있다. 다음으로 자기유도 방식 16%(167건), 전자기파 방식 2%(25건) 순이다.

무선충전 설비와 인프라는 무선충전 스테이션, 충전 인터페이스, 충전 제어 및 대금 결제 서비스 등에 관한 응용 기술을 의미한다.

출원인은 내국인이 전체 건수의 85.9%를 차지했다. 삼성전자와 LG이노텍 등 대기업이 58.4%로 출원을 주도했지만 그린파워ㆍ아모센스ㆍ올레브ㆍ코마테크 등 국내 중소기업 비중도 13.6%로 점점 높아진다.

기업별 무선충전 특허 건수

무선충전 기술은 크게 자기공진과 자기유도ㆍ전자기파 방식, 세 가지 방식으로 나눌 수 있다.

자기공진 방식은 송신부 코일에서 공진주파수로 진동하는 자기장을 생성하여 동일한 공진주파수로 설계된 수신부 코일에만 에너지가 집중적으로 전달ㆍ충전되는 기술이다.

10m 이내의 비교적 먼 거리에서도 충전할 수 있고 효율도 비교적 떨어지지 않아서 최근 들어 주목을 받고 있다. 도로 아래에 무선충전 시설을 깔면 차량이 달리면서도 충전을 할 수 있어 주행거리가 짧은 배터리 문제를 해결할 수 있다.

최근 과학기술정보통신부 장관에 올랐다가 낙마한 KAIST 조동호 교수가 2011년 세계 최초로 상용화한 무선충전 전기자동차(OLEVㆍOpen Leading Electric Vehicle)가 바로 이 방식이다.

OLEV 원리

자기유도 방식은 송ㆍ수신 코일 간 자기유도 현상을 이용한 것이다. 기술이 이미 숙성됐으며, 휴대폰 무선충전에 이용하는 방식이다. 무선전송 거리가 수mm에 불과한 것이 단점이다.

전자기파 방식은 마이크로파 대역에서 송수신 안테나 간의 방사특성을 이용하는 원리다. 전송 거리가 수 ㎞ 안팎으로 길고, 고출력으로 이용할 수 있는 장점이 있지만,  현재로서는 전송효율이 10~50%로 낮은 편이다.

전기억 특허청 전력기술심사과장은 “충전 효율에서 무선방식이 유선 방식을 거의 따라잡았다”며 “앞으로는 충전시간을 줄이는 급속충전도로주행 중 충전 등 운전자의 편의를 높이는 방향으로 관심이 고조될 것”으로 내다봤다. 최준호 기자 joonho@joongang.co.kr


전기자동차도 무선충전이 대세

BMW, 7월 공식 출시 발표… 국내는 전기버스에 적용

무선(無線) 시스템은 유선(有線)이 가진 번거로움을 해소하기 위해 탄생했다. 과거 유선으로만 통신이 가능했던 전화기는 어느새 무선 전화기로 변신하여 사람들의 주머니나 가방 속에서 선 없는 자유를 누리고 있다.

시기적으로는 통신보다 조금 늦었지만, 충전도 마찬가지다. 전선이 있어야만 충전할 수 있었던 과거와 달리 최근에는 무선으로 충전하는 방식이 주목을 끌고 있는데, 대표적으로는 스마트폰을 무선으로 충전하는 기술이 꼽힌다.

무선충전 기술은 아직 개발된지 얼마 되지 않아 스마트폰 정도 크기의 단말기를 충전하는 데 주로 사용되고 있다. 하지만 급속한 기술발전으로 인해 조만간 대형 단말기를 충전하는 용도로도 활용될 것으로 기대를 모으고 있는데, 그 첫 번 째 신호탄은 바로 BMW社의 전기자동차다.

자기유도 방식의 무선충전 시스템

무선충전 시스템을 탑재한 BMW社의 전기자동차가 오는 7월 공식 출시된다. 자사의 ‘530e iPerformance’ 모델부터 적용되는 이 무선충전 시스템은 독일을 시작으로 영국과 일본, 그리고 중국 및 미국 등에 판매될 예정이다.

7월 공식 출시를 앞둔 BMW의 무선충전 시스템 ⓒ BMW

자기유도(inductive charging) 방식의 무선충전 시스템은 충전 용량이 3.2kW이며, 완전히 충전하는데 걸리는 시간은 3시간 30분 정도라는 것이 BMW社 측의 설명이다.

무선충전 시스템은 그동안 다양한 방식의 충전 시스템들 가운데서도 가장 편리하고 효율적인 방식으로 기대를 모았다. 전기자동차 사용자들이 꼽는 여러 가지 불편한 사항들 중에서도 유선으로 충전하는 방식이 항상 상위권을 차지해 왔기 때문이다.

계기판에 충전 상황이 고스란히 나타나므로 제자리에 차를 대기만 하면 된다 ⓒ BMW

전기자동차 사용자들의 불편사항을 살펴보면 하차 후 벽에 설치된 전기줄을 뽑아서 콘센트를 차에 꼽아야 하지만, 깜빡잊고 집에 들어가거나 사무실로 들어가는 경우가 의외로 많은 것으로 나타났다.

충전하지 못한 사실을 뒤늦게 파악한 뒤에는 다시 충전할 시간이 없어서 차를 사용하지 못하는 해프닝이 가끔씩 발생하게 되면서, 전기자동차가 가진 불편함을 몸으로 체험하게 된다는 것이 전기자동차 사용자들의 불만사항 중 하나다.

반면에 BMW社의 무선충전 시스템은 정해진 주차장소에 세워두기만 하면 충전이 되는 터라 전기줄을 뽑아서 꼽는 번거로움이나 충전해야 하는 사항을 잊어버려 낭패를 당할 필요가 없다는 장점을 갖고 있다.

이와 관련하여 BMW社의 관계자는 “휘발유나 경유로 움직이는 자동차에 연료를 넣는 것보다도 간단하다”라고 소개하며 “충전을 위해 어떤 조작도 할 필요 없고, 충전이 시작되자마자 계기판에 충전 상황이 고스란히 나타나기 때문에 운전자는 안심하고 하차할 수 있다”라고 설명했다.

국내에서는 도로주행 기반 무선충전 버스 시범사업 진행

BMW社의 무선충전 시스템은 충전소 역할을 하는 그라운드패드(GroundPad)와 차량의 차체 하부에 고정된 카패드(CarPad)로 구성되어 있다. 그라운드패드와 카패드가 가까워지게되면 자기장이 생성되는데, 이 때 전자기 유도가 발생하며 전력이 충전된다.

관계자의 설명에 따르면  충전패드는 차가 밟고 지나가도 손상되지 않을 정도로 단단하게 설계된 것으로 나타났다. 다만 그라운드패드는 이물질이나 불순물이 감지될 경우 충전이 즉시 종료되기 때문에 충전이 제대로 진행되지 않는다면 이물질이 묻었는지 여부를 확인해야 한다는 것이 제조사측의 설명이다.

문제는 안전성이다. BMW社의 발표에 따르면 충전 시의 그라운드패드와 카패드 거리는 8cm 정도로서 매우 짧기 때문에 전자파 및 누전 위험성은 거의 없는 것으로 밝히고 있지만, 눈이나 비가 많이 오게 되면 예상 밖의 결과가 나올 수도 있다고 전문가들은 경고하고 있다.

한편 BMW社처럼 상용화 단계는 아니지만, 국내에서도 무선으로 충전하는 자동차들이 시범적으로 운행되고 있어 눈길을 끌고 있다. 바로 경상북도 구미시에서 운행되고 있는 무선충전 방식의 전기버스다.

도로주행 기반 무선충전 방식으로 작동되는 전기버스 ⓒ 구미시청

구미시에서 시범운행 중인 무선충전 전기버스는 KAIST가 지난 2009년에 개발한 ‘자기공진형상화(SMFIR)’ 기술을 바탕으로 하고 있다. SMFIR는 미국 타임지가 ‘2010년을 빛낸 세계 50대 발명품’에 선정하기도 했고, 2013년에 개최된 다보스포럼에서는 ‘세계 10대 유망기술’로 뽑히기도 했다.

이 전기버스의 무선충전은 BMW社의 방식과는 근본적으로 다르다. BMW社의 전기자동차는 주차를 했을 때 충전하는 방식이지만, 구미시에서 운행되고 있는 전기버스는 달리면서 충전을 한다.

도로에 매설된 급전선로에서 발생하는 자기장을 차량하부에 장착된 집전장치를 통해 전기에너지로 변환한 다음, 이를 동력으로 차량을 구동하는 신개념 교통수단인 것.

세계 최초의 도로주행 기반 충전방식인 만큼 전 세계에서 이를 견학하려는 사람들이 몰려들고 있어 구미시는 즐거운 비명을 지르고 있다. 싱가포르에서는 투자자들이 대거 방한하여 무선충전 전기버스를 직접 시승하고 충전 인프라를 직접 눈으로 확인하는 등 신기술을 체험하는 기회도 가졌다.

이에 대해 구미시의 관계자는 “전기자동차의 배터리 용량을 늘리기 위한 경쟁이 전 세계적으로 치열하게 전개되고 있지만, 우리의 경우는 아예 이런 경쟁을 무의미하게 만들어 버릴 도로주행 기반 무선충전 기술로 새로운 시장을 만들어나가고 있다”라고 말했다.

  • 김준래 객원기자/stimes@naver.com

전기車 ‘무선충전 시대’ 눈앞…운전자 내리면 알아서 충전구역으로 이동

▲  현대자동차는 지난해 12월 전기차가 혼자서 무선충전 구역으로 이동해 충전한 뒤, 다시 일반 주차구역의 빈자리를 찾아 주차하는 스마트 자율 주차 콘셉트를 공개했다. 현대차 제공

 

 

전기에너지→전자기파로 변환

전선 없이 에너지 전달하는 자기유도-자기공진 방식 운용

주차면 바닥패드·車 패드 위치, 정확히 정렬 충전해야 효과

도로 달리면서 에너지 공급, ‘다이내믹 무선충전’도 연구중

전기차는 효율이 뛰어나고 배기가스를 내뿜지 않는다. 배터리의 발전으로 이제는 완전히 충전했을 때 400㎞ 안팎을 달릴 수 있는 전기차도 상용화됐다. 그런데도 전기차 구매를 망설이게 만드는 이유는 바로 충전 불편이다. 충전소도 부족하지만, ‘급속충전’을 해도 30분 걸려 80% 충전된다.

가정용 완속충전기로는 몇 시간씩 걸린다. 급속이든 완속이든 충전케이블을 꽂아 둔 채 차를 놓고 자리를 비우기도 찜찜하다. 이에 주목받는 게 전기차 무선충전 기술이다. 개인용 스마트 기기에 이미 보편화된 기술을 전기차로 적용하는 것으로, 최근 몇 년 사이 업계에서 전기차 무선충전에 대해 많은 연구와 상용화 시도가 이뤄지고 있다.

▲  코나 전기차 무선충전 시스템. 위트리시티 제공

지난 2월 시장조사 업체 ‘마케츠 앤드 마케츠(Markets and Markets)’ 발표에 따르면, 세계 전기차 무선충전 시장은 2020년 800만 달러에서 2025년에는 4억700만 달러 규모로 성장할 것으로 전망된다. 이 기간 연평균 성장률은 117.6%에 달할 것으로 예상된다.

◇전기차 무선충전 기술의 발전 = 무선충전 기술은 전기 에너지를 전자기파 형태로 변환해 전선 없이 에너지를 부하로 전달하는 것이다.

자기장을 이용한 무선충전이 일반적인데, 크게 ‘자기유도 방식’과 ‘자기공진 방식’으로 나뉜다.

자기유도 방식은 송신부 코일에서 자기장을 발생시켜 수신부 코일에 전기가 유도되는 원리를 이용해 전력을 전달하며, 시스템 소형화에는 유리하지만 전송 거리가 짧은 게 단점이다.

자기공진 방식은 코일 사이의 자기공진 현상을 이용해 에너지를 전송하는 방식으로, 두 개의 소리굽쇠가 서로 공명해 소리를 내는 것처럼 두 코일을 자장에서 공명하도록 파장을 맞춰 전력을 전송한다. 자기공진 방식의 에너지 전송 거리가 상대적으로 길어 최근에는 업체들이 이 방식에 집중하고 있다.

다만 자기공진 방식도 송·수신부 간에 공진 주파수가 일치해야 높은 효율로 에너지를 전달할 수 있고, 전력 전송 거리가 길어진 만큼 전송 효율은 떨어질 수 있다는 단점이 있다. 최근의 무선충전 효율은 케이블을 직접 연결하는 유선 방식과 거의 차이가 나지 않을 정도까지 발전했다.

80∼90% 이상의 충전 효율을 보인다는 게 자동차 업체들의 설명이다. 효율을 높이려면 주차면 바닥 패드와 자동차에 달린 충전용 패드가 정확히 마주하게 위치를 조정하는 게 중요하다. 이에 무선충전 기술은 정밀 자율주차 기능과 함께 개발되고 있다.

현대자동차는 지난해 말 스마트 자율주차 기술 콘셉트를 담은 3차원 그래픽 영상을 공개했다. 운전자가 내린 뒤 자동차가 주차장 내 전기차 무선충전 구역으로 혼자 이동해 충전을 마친 뒤, 다시 일반 주차구역 내 빈자리를 찾아 주차를 마치는 시스템이다. 현대차는 2025년쯤 완전 자율주행차가 출시될 때 이 기술을 적용하는 방안을 검토 중이다.

또 눈이나 비, 낙엽 등 외부에 노출된 무선충전 시설에서도 충전 효율을 높일 수 있도록 다양한 연구가 진행되고 있다. 최근 세계 시장에서는 전기차가 도로를 달리면서 충전할 수 있는 ‘다이내믹 무선충전’에 대한 선행 연구가 빠른 속도로 진행되고 있다.

자동차업계 관계자에 따르면, 이미 중국을 비롯한 다양한 국가에서 태양광 도로 개발에 발맞춰, 전기를 생산하는 도로와 직접 연결돼 충전되는 자동차 개발 선행연구가 진행되고 있는 상황이다.

◇업체별 무선충전 기술 현황 = BMW는 지난해 7월 플러그인 하이브리드(PHEV) 530e i퍼포먼스 모델에 무선충전 옵션(BMW Wireless Charging)을 리스 형태로 제공한다고 밝혔다. BMW 무선충전 시스템은 유도 충전 스테이션(GroundPad)과 차량 하부에 고정된 보조 차량 부품(CarPad)으로 구성된다.

시스템 충전 전력은 3.2㎾이고, PHEV는 완속충전만 할 수 있어서 차에 내장된 9.2kwh 고전압 배터리를 약 3시간 반 만에 완전히 충전할 수 있다. 충전 효율은 85%, 한 번 충전 시 주행거리는 약 26㎞다.

콘티넨탈은 지난해 2월 자동 무선충전 시스템을 공개했다. 충전 전력을 지상 충전 패드에서 자동차 하단에 장착한 수신 패드까지 무선으로 전달하는데, 자동차와 지상 충전 패드의 정확한 위치 확보가 중요하다.

이에 콘티넨탈은 기존 주차 시스템보다 정밀도를 높인 ‘자기(Magnetic) 위치 시스템’ 기반 마이크로 내비게이션 솔루션을 개발했다. 이 시스템은 지상 충전 패드가 눈이나 낙엽으로 덮여 있을 때도 정확히 감지하며, 90% 이상의 효율성을 갖췄다고 한다.

퀄컴 자회사 퀄컴 테크놀로지는 2017년 5월 주행 중에 자동차를 충전할 수 있는 기술을 시연했다. 시속 100㎞에서 최대 20㎾까지 충전할 수 있다. 동일한 트랙에서 2대가 동시에 충전할 수 있는 방식으로, 달리는 방향이 다르거나 후진할 때도 무선충전을 할 수 있다.

혼다는 올해 미국 라스베이거스에서 열린 소비자가전쇼(CES)에서 무선충전 양방향 에너지 관리 시스템 콘셉트를 공개했다. 전기차의 배터리를 충전할 뿐 아니라 필요하면 자동차에서 전력 시스템으로 거꾸로 전기를 보낼 수도 있는 시스템이다. 이를 통해 전기 수요와 공급 간의 격차를 줄일 수 있고, 정전 때는 전기차를 비상용 대용량 배터리로 사용할 수도 있다는 게 혼다의 설명이다.

카이스트는 2011년 서울대공원 코끼리 열차를 시작으로 2014년 경북 구미시, 2015년 세종시에서 무선충전 전기버스를 운행하고 있다. 무선충전 전기버스는 디젤대비 38%, 압축천연가스(CNG) 대비 33% 연료비를 절감하고, 플러그인(plug-in) 충전 방식이나 배터리 교환 방식에 비해 배터리 무게가 3분의 1밖에 되지 않는다. 카이스트는 무선충전 철도기술과 트램, 빌딩, 드론을 이용한 무선충전 시스템 등도 연구 중이다.

현대차는 2015년부터 전기차 무선충전 기술을 개발하고 있다. 현재 10㎾ 이상급 전력, 85% 충전효율로 시간당 50㎞를 주행할 수 있는 수준의 기술을 확보한 것으로 알려졌다.

지난해 제네바 모터쇼에서는 미국 무선충전 스타트업 위트리시티(WiTricity)와 함께 무선충전 시스템이 적용된 코나 EV(전기차)를 전시하기도 했다.

올해 1월에는 자사의 ‘저주파 안테나 기반 무선충전 위치정렬 기술’을 ‘국제표준화기구(ISO) 전기차 무선충전 국제표준화 회의’에서 발표했다. 무선충전 설비와 전기차 사이 거리와 틀어진 정도를 판별, 무선충전에 최적인 위치에 주차하도록 돕는 첨단 기술이다.

김성훈 기자 tarant@munhwa.com


전기차 쌩쌩 달리며 무선 충전 2030년 스마트도로망 깔린다

국토부, 상용화 개발전략안 발표인공지능 등 4차 산업기술 접목

도로가 전기자동차의 무선충전기 역할을 하고, 자동차 바퀴 압력으로 스스로 전기를 생산·저장하는 등 미래형 스마트도로 연구·개발에 정부가 본격적으로 나선다.

국토교통부는 빅데이터와 인공지능, 사물인터넷 등 4차 산업혁명 기술을 접목한 도로를 만들고자 ‘도로기술 개발 전략안(2021~2030)’을 마련했다고 18일 밝혔다.

전략안은 안전성·편리성·경제성·친환경 등 4대 핵심요소를 갖춘 스마트도로 시스템을 갖추기 위해 2030년까지 중점 개발해 상용화할 기술들을 제시했다.

전략안에 따르면 국토부는 도로 위를 달리는 전기차를 실시간으로 무선 충전하는 기술 개발에 나선다. 도로 바닥에 전기공급 시설을 갖추고 자기장 등을 통해 차량에 전기를 제공하는 방식이다. 도로가 전기차의 무선충전기 역할을 하게 되는 셈이다.

미래 스마트도로는 에너지를 생산하는 용도로도 활용될 전망이다. 주행 중인 차량의 바퀴가 도로와 접촉할 때 발생하는 압력을 전기에너지로 전환해 이를 도로에 저장한다는 것이 국토부 구상이다. 이를 위해 도로포장에 압전센서 시스템을 갖추고 에너지 생산 효율을 높이는 기술 개발이 추진된다.

태양광 에너지를 이용해 스스로 빛과 열을 내는 차선도 갖춰진다. 폭우나 폭설, 안개 등으로 차선 인식이 어려운 상황에서 차량의 안전운행을 돕는다는 취지다. 아울러 빅데이터를 기반으로 자연재해와 사고가 많이 발생하는 도로 현황을 분석해 안전시설 보강에 나설 계획이다.

도로포장은 운전자의 불편함과 유해물질 발생을 줄이는 방향으로 기술 개발이 이뤄진다. 노후화된 도로포장 교체 시 현재처럼 아스팔트를 깔지 않고 3D 고정밀 측량기술로 만들어진 조립식 포장을 설치하는 방식으로 바뀐다.

교체에 소요되는 시간과 차량통제에 따른 운전자의 불편을 최소화한다는 목표다. 또한 도로포장에 오염물질 흡착·분해기술을 적용해 미세먼지 등의 확산을 차단한다.

이번에 마련된 도로기술 개발 전략안에는 이 같은 내용들을 포함해 100개 이상의 과제가 담겼다. 국토부는 기술의 시급성과 기술 간 연계, 사업비 규모 등을 감안해 각 과제를 추진할 계획이라고 설명했다.

국토부는 스마트도로를 구축해 교통사고 사망자 수를 30% 줄이고 도로 혼잡구간을 30% 해소한다는 방침이다. 도로 유지관리 비용을 30% 절감하는 동시에 도로에서 발생하는 소음·미세먼지를 각각 20%·15% 감축한다는 목표를 제시했다.

이상헌 국토부 도로정책과장은 “지금까지는 당장 눈앞에 놓인 문제를 위주로 도로기술을 개발하다 보니 미래지향적인 과제를 추진하지 못했다”며 “국민들이 도로를 편리하고 안전하게 이용할 수 있도록 도로에 스마트기술을 집약하는 연구·개발을 해나가겠다”고 말했다.

Post Author: besetotube

댓글 남기기