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[오토저널] 차세대 친환경 자동차의 기술 동향 – 일본

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2017-11-17 00:53:00

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무선전력전송(Wireless Power Transfer)

 

무선전력전송(WPT)은 전기자동차(EV)나 하이브리드자동차(PHV)를 더욱 편리하게 이용하기 위한 중요한 기술로써 세계적으로 주목받고 있다. 말 그대로 케이블로 연결되지 않고도 충전되는 시스템으로서, 실용화된다면 EV의 보급을 촉진시키는 큰 원동력이 될 수 있다. WPT로는 주로 <표 1>과 같이 4가지 시스템이 고려되고 있다.


●전자파(Electromagnetic Wave) 방식

전류를 마이크로파 등의 전자파로 전환하여 안테나를 거쳐 송수신하는 방식으로, 떨어진 거리에서도 전송하기 쉬운 장점이 있는 반면 대전력화와 고효율화가 어려운 단점이 있다.


●전자기공명(Electromagnetic Resonance) 방식

두 개의 공진기(Resonator)를 접근시켰을때 전자기장이 결합하여 상호 에너지를 주고 받는 현상을 이용한다. 본래의 이용 범위는 통신에서 사용하는 대역 통과 필터(Band Pass Filter)*였다. 미국의 메사추세츠공과대학교(MIT)는 이 현상을 WPT에 이용할 수 있음을 알아 냈다. 전기장과 자기장의 어느 쪽에서 공진기를 결합시킬 것인가가 다르기 때문에 전자기공명이라고 부르지만, 함께 공진(공명)을 이용하고 있는 점에서 다르지 않다. 반면에 전자기유도 방식이나 전기장 결합 방식에서는 공진을 이용하지 않는다. 공진기의 결합을 이용함으로써 전자기 유도 방식이나 전기장결합 방식보다 거리를 떨어뜨려도 송전이 가능한 장점이 있다. 게다가 송전과 수전 사이에 중계기와 같은 공진기의 설치에 의해 거리를 더욱 늘릴 수 있다.


●전자기유도(Electromagnetic Induction) 방식

코일에 자석을 접근시키면 전기가 발생하는 것이 전자기유도이다. 그리고 화력발전이나 수력발전도 전자기유도를 이용하여 전기로 변환하는 예라고 할 수 있다. 이 방식에서는 송전측과 수전측에 각각 코일이 있다. 송전코일에 전기를 보내면 코일은 자기장을 발생시키고 발생한 자기장을 수전코일이 받아 전기로써 얻어 낸다. 송전코일에서 발생한 전기를 수전코일에서 얼마나 받을 수 있는가에 따라 전송되는 전력이 결정된다. 또한 코일의 근처에 강한 자기장이 발생하기 때문에 코일이 서로 충분히 가까울 필요가 있다(최대 수mm부터 10cm정도). 실제로 전동칫솔이나 전동면도기, 올려두기만 하면 충전되는 스마트폰에 이용되고 있는 기술이기도 하다.


●전기장결합(Electric Filed Coupling) 방식

전극(금속판)을 대면시키면 캐패시터(콘덴서)가 형성된다. 전극에 높은 주파수의 전기를 흐르게 하면 상대의 전극에서 전기가 흘러가는 현상(고주파전류)을 이용한다. 일반적으로 캐패시터는 유전체(Dielectric)라는 소재가 전극의 사이에 삽입되어 있는데, WPT에서는 전극 사이에서 아무 것도 넣지 않은 것을 사용한다. 따라서 전극끼리 물리적으로 이어져 있지 않기 때문에 WPT에 이용할 수 있는 셈이다. 전력공급이 가능한 거리는 전자기유도방식과 같은 정도인데 전극끼리의 위치가 정확하게 맞을 필요가 없어 자유도는 비교적 높다고 할 수 있다.

 

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인휠모터(In-Wheel Motor, IWM)


전기자동차(EV)의 동력원인 모터는 엔진에 비해 소형화가 가능하고, 필요한 전력, 제어 신호는 유연한 전선으로 보낼 수 있기 때문에 구조상 차체의 어느 곳이라도 배치가 가능하다. 이러한 특성을 살려서 차륜 내부에 모터를 탑재한 IWM 차량의 개발이 진행되고 있다. 이 방식은 모터로 직접 타이어를 회전시키기 때문에 가속 페달의 조작에 대해 반응이 좋고 <그림 1(a)>와 같이 커브를 돌 때 보다 힘이 필요한 바깥쪽 차륜의 토크만 높임으로써 좌우의 독립 제어가 가능해 주행 성능이 크게 향상된다(엔진식에서도 가능하지만 EV에서 보다 고도 제어가 가능하다). 또한, 차축(Axle)이 불필요하기 때문에 차륜을 어떤 방향으로도 자유롭게 기울일 수가 있고 <그림 1(b)>와 같이 “전후륜의 양방을 기울여 좁은 급커브가 가능한 자동차”나 <그림 1(c)>와 같이 “차륜을 90도 기울여 측면으로 이동하는 자동차”라는 획기적인 교통 수단이 가능하다고 할 수 있다. 특히, 후자는 평행주차나, 자동차 운반선에서 공간을 충분히 활용한 배치를 수월하게 해주는 중요한 기술이 될 수 있다.


IWM은 큰 엔진을 필요로 하고 프로펠러 샤프트(Propeller Shaft) 등에서 동력을 전달해야 하는 가솔린 차량에서는 거의 이루어지지 못했다.

 

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인휠모터 차량으로의 무선전력전송


Toyo denki, NSK, 도쿄대학교의 Fujimoto 연구 그룹이 공동 연구로 도로에 설치한 코일로부터 IWM으로 주행중 무선전력전송에 의한 차량 주행을 세계 최초로 성공했다고 2017년 3월경에 발표했다. 도로에 부설한 코일로부터 IWM에 직접, 주행중 무선전력공급을 수행하는 Wireless IWM을 개발하여 세계에서 처음으로 실제 차량의 주행에 성공했다고 언급했다. 이것은 2015년 5월경에 발표한 차체로부터 IWM으로의 무선전력전송 기술을 한층 발전시킨 것이라고 덧붙였다.


세계 최초의 이 기술은 도로의 코일로부터 주행중의 차량의 IWM에 앞에서 언급한 전자기공명방식으로 전력을 전송하는 것이다. 지금까지 검토되어 왔던 주행중 급전기술의 대부분은 도로의 코일로부터 차량에 탑재된 배터리로 무선전력전송하는데 비해 이 기술에서는 도로의 코일로부터 IWM에 직접 전력공급이 가능하기 때문에 효율이 높아졌다.


차량의 휠 내부에 구동모터를 배치하는 IWM타입의 EV는 안전성이 높고 쾌적한 운전이 가능하다고 알려져 있다. 그러나 기존의 IWM에서는 모터를 구동하는 전력을 보내기 때문에 차체와 IWM을 와이어로 연결할 필요가 있는데 이 와이어가 끊어질 위험이 있었다. “와이어가 끊어질 위험이 있다면 없애버리자”라는 취지에서 wireless IWM을 2015년에 세계 최초로 실제 차량의 주행에 성공했다.


한편, EV 보급 확대가 어려운 이유 중 하나는 기존의 가솔린 차량 등에 비해 1회충전 주행거리가 짧기 때문이라고 할 수 있다. 주행거리를 늘리기 위해서 무거운 배터리를 차량에 많이 실으면 중량이 커지기 때문에 비효율적이다. 그래서 배터리의 탑재량은 필요 최소한으로 하고 주행중에 부족한 에너지를 도로에 설치한 코일로부터 무선으로 보내 보충하는 방법을 고안했다. 이러한 “주행중 급전”의 실현을 위해서 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 기존의 주행중 급전에 관한 연구의 대부분은 도로에 설치한 코일로부터 차체 바닥에 장착한 수전(Power Receiving)코일에 전력을 보내고 차량의 배터리에 급전을 하는 것이었다.


선행연구가 대상으로 하고 있는 기존 모터 구동 방식 EV들에서는 급전 과정에서 차동 기어(Differential Gear)등의 구동장치를 지나기 때문에 기계적인 전달 손실이 크고 중량이 무거워져 버린다. 이에 반해 IWM은 발생한 토크를 직접 구동력으로써 타이어에 전달이 가능하기 때문에 전달손실을 극한까지 줄일 수 있다.

 

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기술의 요점


●주행중인 차량의 IWM에 직접 무선전력전송

주행중 도로의 코일과 차량의 수전코일의 상대위치가 주행상황에 따라 변하기 때문에 송수전코일의 위치가 엇갈리는 현상이 일어난다. 이를 극복하기 위해 앞서 언급한 전자기공명방식에 의한 급전 방식을 채택했다. 선행연구에서 검토되어 왔던 차체 수전코일로의 주행중 급전에서는 노면의 울퉁불퉁한 기복이나 탑승자 수등에 의해 위치가 상하로 움직이기 때문에<그림 2(a)> 수전코일을 도로에 마찰시키지 않도록 에어갭(코일간 거리)을 넓히게 되는데 이로 인해 급전 효율이 떨어져 버린다.


반면에 그들이 제안하는 구조에서는 IWM에 수전코일을 장착시키기 때문에 차체(서스펜션보다 윗부분)에서 상하운동이 발생하더라도 도로의 수전코일과의 거리는 일정하게 유지할 수 있어<그림 2(b)> 에어갭을 크게할 필요가 없다. 또한 주행중 급전설비가 없는 경우 차내 배터리로부터 무선으로 IWM에 에너지를 전송하여 IWM을 구동시킬 수도 있다.


●IWM에 축전장치 탑재에 의한 고효율화

기존의 가솔린차 등과 다르게 EV는 감속시 에너지를 회수할 수 있다(Regenerative Breaking). 또한 주행중 급전이 더해지면 IWM에서는 에너지의 출입이 빈번하게 일어난다. 그래서 IWM에 축전장치를 내장함으로써 안정적인 동작과 고효율화를 가능케 했다. 에너지 출입이 빈번하게 시행되는 용도에는 축전장치로써 배터리가 적합하지 않기 때문에 고전력을 다룰 수 있는 리튬이온캐패시터**를 채택했다.


2015년에 발표한 1세대 Wireless IWM에서는 EV 감속시 얻어지는 재생에너지를 IWM으로부터 차내 배터리에 무선으로 전송하여 충전했기 때문에 에너지손실이 발생했다. 2세대에서는 IWM에 내장된 축전장치에 재생에너지를 모을 수 있기 때문에 에너지손실이 저감되고 차내 배터리의 용량을 더욱 낮출 수 있게 되었다.


●휠 하나당 모터출력의 증가

2015년에 발표한 제1세대 Wireless IWM에서 휠 하나당 출력은 최대 3.3kW로 시판 EV에 비해 한정된 성능이었다. 그래서 2017년에 새로 개발한 2세대에서는 모두 장착하면 용량이 48kW가 되어 시판 EV와 동급의 주행 성능을 얻을 수 있게 되었다.


대출력화에 있어서 무선전력전송을 구성하는 변환기 모두에 실리콘 카바이드(SiC)***를 채택했다. 또한 모터의 회전축과 휠의 회전축이 겹치지 않는 새로운 구조의 Hub Bearing Unit****을 채용함으로써 소형화를 도모했다. 각 모터는 대출력화한 반면 IWM 주행중 급전에서는 각 모터가 전력을 받기 때문에 차내 배터리에 주행중 급전하는 방법에 비해 하나의 도로측의 코일로부터 보내는 전력을 작게 할 수있다(4륜에 장착한 경우 각각 1/4의 전력이면 된다). 이로 인해 도로측 설비의 간소화를 이룰 수 있게 되었다.


한국에서는 일본에 비해 상대적으로 장거리 이동 수요가 높기 때문에 많은 소비자가 EV 구입을 주저하고 있는 것으로 보인다. 또한 배터리 기술의 개발은 일반인들이 기대하는 수준보다는 조금은 더디게 진행되고 있는 것으로도 생각된다. 하지만, 위에서 소개한 기술들과 같이 EV의 한계를 극복할 수 있는 전혀 새로운 방법들이 개발된다면, EV의 보급은 또 다른 국면을 맞을 수 있을 것으로 기대된다.

 

 

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