무선 충전 기술로 전기자동차 ‘주행거리 불안’을 해소하다

  • 2018-08-06
  • 글: 마지드 다다프샤르(Majid Dadafshar), 온세미컨덕터




무선 충전은 주행거리 불안과 같이 전기 자동차에 대한 부정적 견해를 극복하는데 핵심적 역할을 하며, 글로벌 기반으로 이 기술을 채택하는데 크게 기여한다. 이러한 혁신의 핵심에는 이론적인 솔루션을 현실적으로 상용화시켜 시장 성공을 이끌어 내는데 필요한 효율성과 안정성을 제공하는 반도체 제품이 있다.


자동차 동력 계통(drivetrains)이 내연기관(ICE)에서 전기 모터로 옮겨가면서 자동차 산업은 역사상 가장 큰 변화의 시기를 겪고 있다. 기술의 발전이 최신 전기차(EV)의 주행거리를 넓히는데 지대한 역할을 하고 있지만, 주행 중 배터리가 소진될 우려에 대한 불안을 뜻하는 ‘주행거리 불안(range anxiety)’은 최종 소비자들이 전기차 구매를 주저하게 하는 가장 큰 요인 중 하나이다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 노력으로 배터리 성능 및 차량 효율 개선이 이뤄지고 있지만, 다른 방법들도 함께 등장하고 있다. 가장 흥미로운 방법 중 하나는 무선 EV 충전 기능으로, 주행 중에 ‘유선 연결’ 없이 무선으로 배터리를 충전할 수 있다. 반도체 기술은 이러한 무선 EV 충전 기술을 성공적으로 구현하는데 매우 중요한 역할을 한다.

동적 충전이 가능한 수준까지

새로운 기술을 도입하는 데에는 변화가 따르기 마련이다. 하지만, 변화를 즐기는 ‘얼리 어답터’들과 달리, 대다수 소비자들에게 이러한 변화는 부담스럽게 느껴질 수 있다. 아직 개발 초기 단계에 있는 EV 이용률이 저조한 이유 중 하나는 ‘주행거리 불안’이다. 배터리 충전이 되어 있어도 EV의 주행 거리는 상대적으로 짧고, 통근을 제외한 나머지 목적으로 사용하기엔 내연 기관 대비 주행 거리가 현저히 떨어진다. 그러니 이동 중에 충전될 수 있는 기능은 필수적이다. 또한, 전기 충전소는 주유소만큼 흔하지 않기 때문에 불안감을 초래하는 면도 있다. 더불어, 충전 시간은 최신 전력 관리 기술 덕분에 많이 나아지긴 했지만 여전히 주유 시간과 비교하면 훨씬 오래 걸린다.



충전 인프라가 급속도로 확대되고 있는 가운데, 폭스바겐은 최근 디젤 게이트를 만회하기 위한 노력의 일환으로 미국 시장에서 전기차 인프라에 20억 달러를 투자하는 등 전기차 충전을 위한 다양한 방안을 모색하고 있다. 최근 논의되고 있는 핵심 기술 중 하나는 무선 충전이며, 이는 궁극적으로 동적 충전이 가능한 수준까지 도달할 것이다.

무선 충전을 신기술로 보는 시각이 많지만, 사실 등장한 지 한 세기도 넘었다. 1894년 니콜라 테슬라(Nikolai Tesla)는 뉴욕의 한 실험실에
조명을 밝히면서 무선 충전 기술의 가능성을 보여주었다. 최근 모바일 기기 상에서 사용자 편의를 구현하기 위한 목적으로 무선 충전 기술이 다시 부각되기 전까지는 사실 답보 상태에 있었다.

무선 기술의 원리

원칙적으로 무선 충전은 유선 충전과 유사한 방식으로 작동한다. 주 전원은 직류(DC)로 변환되어 배터리 충전에 사용되며, 고전력 수준에서는 PFC(power factor correction) 단계가 사용된다. 주전원에 기반한 충전 대다수는 갈바닉 절연(Galvanic isolated) 변압기를 사용하는데, 이는 유선과 무선 충전을 가르는 본질적 차이이다.

유선 애플리케이션에서 변압기는 코어가 있는 단일 장치이며, 1차에서 생성된 거의 모든 플럭스(flux)를 2차에 결합시킨다. 이는 높은 전력 전달 수준을 보장해 효율적인 충전이 가능하다.

무선 충전기를 만들기 위해 변압기는 1차·2차로 나뉘며, 1차(송신용)는 충전기에 남아 있고, 2차 (수신용)은 충전될 장치에 배치된다. 1차·2차 간 거리는 애플리케이션에 따라 달라지며, 충전기 성능에 지대한 영향을 미친다.

코어를 공기로 대체하면 플럭스 전달이 감소한다. 코어 기반 변압기에서 결합 계수(k)가 대략 1이면, 무선 애플리케이션에서 k는 0.25에 가깝다. 실제 값은 두 코일 사이의 거리에 반비례하며, 1차·2차 코일 정렬이 올바르지 않으면 감소하게 된다.

그러나 1차·2차측 모두에 자기 공진을 도입해 상황을 개선할 수 있다. 동조 회로 두 개를 사용하면 특정 주파수에서 전력 전달되며, 비 공진 방식과 비교할 때 전력 전달 효율은 약 두 배까지 올라간다.

이러한 방식의 또 다른 장점은 전자파 간섭(EMI) 성능이 향상된다는 점이며, 이는 무선 충전 상용화에 필수적이다. 또한 이로 인해 전력 전달 효율을 극대화하는 제로 전압 스위칭(ZVX)나 제로 전류 스위칭(ZCS) 등의 기술도 사용할 수 있다.



무선충전기술(WEVC) 어디까지 왔나


방전된 배터리를 충전하는 가장 좋은 방법은 역시 유선 전원 사용이나, 당분간 무선충전기술(Wireless Electric Vehicle Charging, WEVC)은 ‘주행 중 배터리 완전 충전’을 실현하는 것을 목표로 한다. 사용 중인 차량을 충전할 수 있는 기능으로 주행 거리를 확대하거나, 배터리 소형화를 통해 차량 총 중량 대비 배터리 크기를 줄여 주행 거리를 늘릴 수 있다.

최근 몇 년 간 여러 학술 기관 및 기업들이 WEVC 구현을 위한 프로토타입 개발에 참여해 왔다. 일부 시스템은 고정 WEVC를 목표로 설계되었다. 예를 들어 통합 시스템 및 디바이스 기술을 연구하는 독일 프라운호퍼연구회는 코일을 차량 전방에 가깝게 배치해 코일 크기를 대폭 줄였다.

고정 충전(static charging) 시스템의 또 다른 사례는 2017년 메릴랜드 지역 교통국이 시연한 바 있다. 이들은 노선을 따라 고정 충전소를 설치해 버스가 승객의 탑승과 하차를 위해 정차할 때 충전할 수 있도록 했다. 이 방법으로 전기 버스는 네트워크 내 모든 경로를 완주할 수 있게 되었다.

물론 궁극적인 목표는 고속도로 주행 시에도 충전할 수 있도록 하는 것이며, 여러 기업이 이 분야에서 진전을 보이고 있다. 퀄컴(Qualcomm)이 선보인 DEVC(dynamic electric vehicle charging) 시스템은 고속도로에서 시속 96km 속도로 최대 20kW 전력까지 공급할 수 있음을 보여주었다. 또 다른 주요 개발 성과 중에 일본 혼다(Honda)는 최대 시속 154km로 주행하면서 180kW(600V DC/300A)를 충전할 수 있는 시스템 테스트 내용이 담긴 고전력 동적 충전에 대한 논문을 발표했다.

이렇게 갖가지 방식이 엄청난 도약을 보이고 있는 가운데, 다양한 방식 간 상호운용성은 필수이며, 이를 위해 미국 자동차기술회(Society of Automobile Engineers, SAE)는 세계 최초 11kW 전력 수준에 이르는 무선 전력 전달용 사양인 SAE J2954 표준을 발표했다.

무선 충전과 전기차의 미래

무선 충전은 주행거리 불안과 같이 전기 자동차에 대한 부정적 견해를 극복하는데 핵심적 역할을 하며, 글로벌 기반으로 이 기술을 채택하는데 크게 기여한다. 메릴랜드 버스 시스템과 같은 초기 배치 사례는 이미 성능을 보여주고 있으나, 퀄컴 및 혼다가 테스트한 것과 같은 동적 충전 방식은 내연 기관 차량을 뛰어넘는 수준의 주행 거리와 편의성을 구현하겠다는 전기차의 최종 목표를 제공한다.

이러한 혁신의 핵심에는 이론적인 솔루션을 현실적으로 상용화시켜 시장 성공을 이끌어 내는데 필요한 효율성과 안정성을 제공하는 반도체 제품이 있다. 온세미컨덕터는 이 분야에서 매우 활발히 활약하고 있으며, 전력 관리 및 고효율 전력 변환 부문에서 가장 광범위한 경험을 보유한 기업이다. 다양한 제품 포트폴리오를 보유한 온 세미컨덕터는 고효율 IGBT와 MOSFET, MOSFET 드라이버, 전압 및 전류 관리 시스템, AC-DC 컨트롤러와 레귤레이터, 지능형 전력 모듈 및 배터리 관리 제품 등 개별 스위칭 소자를 포함한 포괄적 제품군을 선보인다.
 

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