전기차 초고속ㆍ고효율 무선충전기술 동향
<목차>
0. 요약
1. 무선충전기술의 개요
2. 시장동향
3. 국내외 전기차 무선충전기술 개발 동향
4. 시사점
출처 및 참고자료
0. 요약
- 전기자동차 초고속ㆍ고효율 무선충전기술 개발 배경
- 전 세계적으로 환경 규제와 온실가스 관련 규제가 강화되면서 내연기관 차량의 대체 수단으로 전기차가 급속히 보급되는 실정이다.
- 전기차 사용에 대한 불편사항으로 1회 충전 주행거리, 충전 시간, 충전 안전, 인프라 편의성 등이 언급되고 있으며, 이는 전기차 대중화의 걸림돌로 작용하고 있다.
- 사용자 편의성이 높고 안전성 확보가 용이한 전기차 무선충전기술은 최근까지 다양한 연구개발과 상용화 시도가 진행되어 왔으며, 초기 단계에서 성숙 단계로 진행되는 과도기에 해당된다.
- 향후 지속적인 전기차 보급 추진과 다양한 충전 인프라 구축을 통한 사용자 맞춤형 충전 서비스 시대의 도래를 고려할 때 충전 편리성, 시스템 고효율성 및 안전성이 확보된 급속충전 수준의 무선충전기술 개발은 전기차 캐즘 극복과 충전 인프라에 대한 사용자 신뢰도를 개선할 수 있는 추가적 요소기술이 될 것이다.
- 시사점 정책 제안
- 기존의 무선충전기술은 유선충전 대비 상대적으로 느린 충전 속도와 전력 전달 효율로 인해 충전 인프라 보급에 불리한 점이 있었다. 그러나 최근 다음 세대 유선 완속충전과 유사 수준인 22kW급 무선충전기술이 개발되고 있으며, 추가적으로 충전 시간 단축을 목적으로 유선 급속충전 수준인 50~100kW 이상급 무선급속충전기술 개발 요구도 지속적으로 대두되고 있다.
- 현재 상용화 초기 단계에 머물러 있는 무선충전기술의 장점인 사용자 충전 편리성과 안전성을 보다 부각시키고 표준화 대응과 차량 호환성 검증 등을 통해 무선충전기술 상용화로 글로벌 시장 선도가 가능하도록 해야 한다. 이를 위해서는 SAE, ISO/IEC 등의 국제 무선충전 표준화 적극 참여, 외국 기업의 독점적 특허 지위 대응 방안 마련, 무선 충전 중 인체/차량 안전성 확보기술 개발 등 선제적이고 지속적인 기술/정책 대응이 필수적이다.
- 향후 자율주행기술과 연계된 무선충전기술로 전기차 시장 성장 촉진과 대중화 시대를 견인하고, 충전 서비스 분야의 새로운 비즈니스 모델 발굴과 글로벌 선도가 가능한 초격차/신격차 기술 실현을 위해서는 초고속ㆍ고효율 무선충전기술 개발에 대한 투자가 시급하다.
1. 무선충전기술의 개요
1) 기술 개념 및 등장 배경
전기차 무선충전기술은 전자기유도 현상을 기반으로 전력 송신부와 수신부 사이에 자기장을 형성시켜 충전 전력을 전달하는 구조다. 송신부에는 충전 전력 전송을 위해 코일에 교류 전류를 인가하여 자기장을 발생시키고, 발생된 자기장이 수신부 코일에서 유도 전압을 생성시킴으로써 무선으로 전력이 전송되는 개념이다.
전기차 무선충전기술은 전자기유도 현상을 기반으로 전력 송신부와 수신부 사이에 자기장을 형성시켜 충전 전력을 전달하는 구조다. 송신부에는 충전 전력 전송을 위해 코일에 교류 전류를 인가하여 자기장을 발생시키고, 발생된 자기장이 수신부 코일에서 유도 전압을 생성시킴으로써 무선으로 전력이 전송되는 개념이다.
무선충전 송신부와 수신부의 코일 크기 및 권선 수, 송신부와 수신부 간 거리, 그리고 전력 전송 주파수 등이 무선충전의 용량과 효율 성능 등을 결정하는 핵심적 요소에 해당하며, 특히 전력 전송 주파수 대역은 무선충전의 안전성에 큰 영향을 끼친다. 현재 주로 사 용되는 85kHz와 20kHz 대역은 각각 고출력 충전과 저출력 충전에 적합하다. 고출력 충전은 높은 전력 전달이 가능해 충전 속도가 빠르지만 전자기장 노출이 우려되고, 반면에 저출력 충전은 소비자와 환경 안전성이 상대적으로 높다. 무선충전기술은 물리적 접촉 없이 전력을 전달할 수 있어 편리성과 안전성이 높으나 충전 전력 상향에 따른 전자기장의 인체/차량 노출, 비정렬 상태에서의 충전 효율성 저하, 차량/충전기 간 호환성 등의 문제를 해결하기 위한 추가적인 기술개발이 필요한 실정이다. 전기차 무선충전 대비 유선충전은 충전커넥터를 사용자가 직접 다뤄야 하므로 감전에 대한 잠재적 위험성 우려가 크고, 충전커넥터의 무게와 유연성이 낮은 충전 케이블로 인한 조작의 불편함 때문에 무선충전기술이 등장하게 되었다. 특히 사용자 부주의로 의한 충전커넥터 낙하와 파손으로 유지보수 비용 증가, 우천 시 충전 불편성 증가 등의 문제가 사 용자의 불편사항(Pain point)으로 대두됨에 따라 사 용자 편의성과 안전한 충전방식에 대한 요구가 높아지고 있다.
2) 기술의 범위
전기차 무선충전시스템은 크게 무선충전 제어기와 충전 전력 송신부가 포함된 GA(Ground Assembly), 충전 전력을 수신하고 차량에 장착되는 VA(Vehicle Assemble)로 구분된다. GA는 무선충전을 위한 전력 변환/제어 기능의 무선충전기와 자기공진을 이용하여 무선충전 전력을 송신하 는 GA 코일로 구성된다. VA는 차량에 장착되어 무선충전 전력을 수신하 는 VA 코일과 수신된 전력을 정류하여 전기차 배터리를 충전하는 정류기 및 정전압기로 구성된다.
GA는 전력을 공급한다는 의미에서 급전시스템이라 불린다. 상세 구성으로는 전력 품질인 역률(PF, Power Factor)과 고조파왜곡(THD, Total Harmonic Distortion)을 조정하여 무효전력을 최소화하고 높은 전력 품질을 제공하 는 입력필터(Line Filter), 역률보상(PFC, Power Factor Correction)회로, 역률보상회로의 직류 출력을 입력으로 받아 교류 형태의 전력으로 변환시켜 송신 GA 코일에 공급하 는 인버터(Inverter)가 있다. GA 코일(송신 또는 급전 패드)은 인버터로부터 공급받은 교류 전력을 코일에 인가하여 패러데이 법칙에 의한 교류 자기장을 형성한다. VA는 수신부 또는 전력을 수집한다는 의미에서 집전부라고도 지칭된다. 구성품인 VA 코일(수신 또는 집전 패드)은 송신 패드로부터 공급되는 교류 자기장이 쇄교하면 패러데이 법칙에 따라 수신 패드에 교류 전력이 생성되고, 수신 패드 후단의 회로로 연결된 정류기 및 정전압기가 교류 전력을 정류하여 직류 전력으로 변환 후 전기차 배터리에 공급함으로써 배터리를 충전하게 된다. 최근에는 큰 부피와 무게를 차지하면서 그에 따라 비용 부담도 적지 않은 정전압기를 다른 시스템의 전기 회로를 활용해 제거한 차량 경량화 기술의 개발도 진행되고 있어서 수신 패드와 정류기만으로 구성되는 VA도 있다.
3) 무선급속충전의 핵심기술
전기차의 무선충전기술은 크게 자기유도방식과 자기공진방식으로 분류된다. 자기유도방식은 패러데이 전자기유도를 이용하는 전력 전송 방식으로 거리가 멀어질수록 전송효율이 급격히 떨어지는 문제가 있어서 전기차에 적용하기에는 비효율적이다. 반면에 GA-VA 코일 간 공진 현상을 이용한 자기공진방식은 전력 전송 거리가 길어 전기차의 무선 전력 전송 방식으로 주목받고 있으며, 대다수 기업은 자기공진방식을 적용한 무선충전기술 개발에 주력하고 있다. 전기차 무선충전시스템용 전력변환회로의 구성은 역률 개선 및 정류를 위한 PFC(Power Factor Correction) 컨버터, 무선 전력 전송을 위한 IPT(Inductive Power Transfer) 컨버터, 차량 내 충전 전력 제어를 위한 BM(Battery Management) 컨버터로 구성된다.
무선충전시스템용 전력변환회로 기술 개발의 주된 방향으로는 손실을 최소화하고 효율을 극대화하기 위한 차세대 반도체 소자 적용, 고효율 회로 설계, 고성능 냉각기술의 적용 등이 있다. 전력변환기의 크기와 무게를 줄이는 소형화로 차량 내 공간 효율성을 높이기 위한 고집적 회로와 고밀도 실장 기술 등도 적용된다. 추가적으로 전기차의 고출력 충전 요구사항을 충족하기 위해 전력변환기의 출력 용량을 높이는 고출력화 기술과 이를 위한 고전압, 대전류회로 및 소자 기술 등이 개발되고 있다. 무선 충전 전력 상향을 통한 급속충전을 위해서는 IPT 컨버터의 대용량화가 필수적이며, 고효율 전력변환회로의 개발, 고밀도 송신코일 및 수신코일 소형화ㆍ경량화 기술 개발 등이 요구된다. 특히 차량에 장착되는 수신부인 VA의 무게와 크기는 연비 및 차량 설계에 직결되기 때문에 소형화ㆍ경량화를 위한 전기적ㆍ회로적 기술뿐만 아니라 고방열 냉각 소재, 고내열성 부품, 고안전성 전자파 차폐기술 등 다양한 융합기술의 개발이 요구된다.
최근까지 상용화 개발이 추진된 바 있는 승용급 전기차 용 무선충전시스템은 11kW급 수준으로, 가장 낮은 수준인 50kW급 유선 급속충전과 비교하더라도 충전 시간이 길어 비용 대비 실효성이 낮다. 무선충전의 상용화를 위해서는 50kW 이상급으로 충전 전력을 높이는 무선급속충전기술의 개발이 필요하다. 다만 최근 기술개발이 진행 중인 22kW급 무선충전시스템도 상대적으로 충전 속도가 느려 공공형 충전 인프라로는 효용성이 낮은 편이다. 그러나 교통약자를 위한 전용 충전 인프라나 2~3시간 이상 주차가 필요한 상업시설 등에서는 제한적 활용이 가능하여 기술 및 시장 성장의 과도기에 일부 활용이 가능할 것으로 사료된다.
무선충전에 대한 관심이 고조되면서 고효율, 고밀도, 고안전 특성을 만족하기 위한 다양한 구조의 VA 코일이 제안되고 있다. 주로 시스템 결합계수, 오정렬 허용 오차, 누설 필드 저감, 전달효율 등을 개선하기 위한 목적의 코일 위치, 권선 수, 다극 권선, 권선 간 간격, Ferrite 패드의 크기/위치 관련 연구가 수행되고 있다. 코일의 크기와 구조에 대해서는 SAE(Society of Automotive Engineers)의 J2954 규격을 참조하여 제안하는 것이 일반적이다. 무선충전시스템의 대용량화로 인해 VA 코일과 차량 장착 부품의 크기는 점차 커지는 반면, 전기차 내 제한된 공간에 VA를 장착해야 하므로 콤팩트한 VA 구조 설계가 필수적이다. 이를 위해 VA는 다른 부품들과 일체화하여 소형화ㆍ경량화하는 기술의 개발이 요구된다. 일체화 시 열해석을 통한 최적의 냉각구조 설계도 매우 중요한 해결 과제이므로 지금까지의 코일 단품 위주의 열해석과 방열 연구에서 나아가 향후 VA와 일체화되거나 인접한 부품의 열적 안정성까지 종합적으로 고려하는 열관리 기술의 개발도 필요하다.
4) 무선충전 관련 국내외 표준화 및 안전성 기준 현황
전기차와 관련된 국제표준은 크게 IEC와 ISO에서 다루고 있다. IEC는 배터리 셀, 전기 부품, 충전시스템, 무선충전 GA 표준화와 연관된 반면, ISO는 전기차의 전기적 안전, 연비, 배터리 팩, 전기구동시스템, 무선충전 VA 측 전자 장치의 표준화 등에 연관되어 있다. 2019년까지만 해도 전기차 무선충전 국제표준은 IEC 61980-1이 유일했으나, 현재는 무선충전 관련 국제표준이 다양한 형태로 발전되고 있다. 무선 전력 전송의 표준으로는 IEC 61980 시리즈가 있다(IEC 61980-1, 2, 3은 제정 완료되었으며, IEC 61980-4, 5, 6은 현재 제정을 위한 절차 를 진행 중).
전기승용차 및 전기상용차 관련 무선충전 표준으로는 VA와 관련된 ISO 19363과 ISO/DIS 5474-4, 6 등이 있으며, 미국 규격인 SAE(국제자 동차기술협회)의 SAE J2954/1, 2, 3이 있다.
무선충전은 자기장을 활용한 전력 전달로서 주변기기의 오동작 방지 및 인체 안전을 위한 전자장/자기장에 대한 인체 노출 해결책이 필요하다. 무선 전력 전송의 전자장/ 자기장 인체 노출 평가 방법과 관련된 표준 등은 다음과 같다.
국내에서의 전기차 충전 관련 표준은 한국스마트그리드협회(KSGA)와 한국자동차공학회가 주로 담당하고 있다. 각각 스마트그리드 표준화포럼과 표준위원회를 두어 국내 전기차 충전 관련 표준화를 수행하고 있으며, 전기차의 무선충전과 관련된 국가표준은 다음과 같다.
2. 시장동향
1) 무선충전 국내외 시장 동향
360iResearch의 무선충전 시장보고서에 따르면 2023년 세계 시장 규모는 225억 1천만 달러로, 연평균성장률(CAGR, Compound Annual Growth Rate) 13.6%로 급성장하여 2030년까지 549억 8천만 달러에 이를 것으로 예측된다.
Mordor Intelligence의 전기차 용 무선충전 시장보고서에 따르면 무선충전 세계 시장 규모는 2024년에 1억 5,230만 달러로 추정되며, 연평균성장률 38.4%로 급성장하여 2029년까지 7억 6,250만 달러에 이를 것으로 예상된다. 또 대용량, 고편의, 고안전 전기차용 무선충전 기술 개발을 통하여 충전 시간 단축, 충전 편의성 향상, 설치 간소화를 달성한다면 전기차 충전 솔루션으로서의 시장 규모는 더욱 크게 성장할 것으로 전망된다.
3. 국내외 전기차 무선충전기술 개발 동향
1) 해외 동향
WiTricity는 2007년 설립된 무선충전 업체로 전기차 무선 전력 전송과 관련된 다양한 기술 확보 및 표준화에 나서고 있는 선도업체로서 다수의 전기차 제조업체와 협업을 통해 무선충전기 개발 사업을 주도하고 있다. 2019년 2월 퀄컴과 퀄컴 테크놀로지스의 기술 플랫폼 일부와 관련 지재권을 인수함으로써 자기공명방식으로 대표되는 특허와 특허 애플리케이션을 1,500건 이상 보유하고 있다.
Electreon은 전기차 용 무선충전솔루션 공급업체로 달리면서 충전할 수 있는 독자적인 무선충전기술과 무선충전도로 시스템을 제안했다. 주행 중 무선충전으로 1,206마일(약 1,940km) 주행에 성공하여 2021년 11월 「TIME」지의 ‘THE BEST INVENTIONS OF 2021’로 선정되었다.
Volvo는 2022년 새로운 무선충전기술을 실제 도시환경에 적용과 실증을 시작했다. 3년에 걸쳐 유럽 최대의 택시사업자인 ‘카본라인’ 택시로 스웨덴의 예테보리에 있는 여러 장소에서 무선충전 실증 사업을 추진한 바 있다.
2) 국내 동향
현대기아차(HKMC)는 전기차 무선충전 서비스에 대한 실증 특례를 부여받아 고급 브랜드 차종인 제네시스 전기차 전용 충전소를 개소했다. 무선충전 서비스 시험사업의 운영을 위해 제네시스 전기차(GV60)를 대상으로 11kW급 무선충전기를 시험 적용한 바 있고, 최근에는 자율주행기술과 접목한 무선충전 시범사업을 추진 중에 있다.
KG모빌리티는 CES 2024에서 무선충전 플랫폼 상용화 기술이 탑재된 토레스 EVX를 공개했으며, 2024년 하반기 제품화를 목표로 하고 있다. 미국 무선충전 글로벌기업인 WiTricity의 자기공진방식을 적용하여 토레스 EVX 기반 전기픽업트럭(O100)에 무선충전기술을 최초로 탑재했다.
OLEV는 2009년부터 자기유도방식의 온라인 전기차 무선충전기술을 개발했으며, 도로에 매설된 급전코일과 버스에 내장된 집전코일을 통해 20cm의 거리에서 최대 83%의 전송 효율로 100kW급의 전력을 전달하여 전기버스 배터리를 충전하 는 기술을 개발했다.
4. 시사점
전기차 무선충전기술은 자율주행기술과 더불어 전기차산업과 관련 충전 인프라 전반에 걸쳐 중요한 변화를 야기할 것으로 전망된다. 특히 유선 충전과 유의미한 경쟁이 가능한 수준의 무선급속충전기술은 단순히 충전 속도와 충전 편의성만을 향상시키는 것이 아니라 전기차 대중화와 자율주행 전기차의 시장 형성 촉진에 새로운 기회를 제공할 것이다. 현재 상용화 초기 단계에 머물러 있는 무선충전은 사용자의 충전 편의성이 높고 다양한 충전 서비스 연계 비즈니스 모델 창출이 가능한 방식이다. 글로벌 표준화 대응 및 관련 지식재산권에 대한 해소 방안만 수립된다면 미래 모빌리티에 대한 충전 방식으로 선호될 전망이며, 향후 기술과 시장 성장에 대한 선도적 지위 확보가 가능한 분야에 해당된다. 무선급속충전기술은 아직 급속 핵심 부품의 고밀도화, 충전효율 극대화를 위한 신소재의 개발, 열적 해결을 위한 냉각기술, 전자기파 안전성 검증 등과 관련된 기술적 난제의 해결이 필요할 뿐만 아니라 안전성을 보장하기 위한 철저한 시험/검증 체계, 다양한 실제 환경에 대한 신뢰성/안정성 확보, 규격화된 인증체계, 인프라 보급을 위한 법적 규제 해소 등 여러 가지 검토와 제약 해소가 필수적이다. 반면에 이러한 기술적ㆍ정책적 한계가 해소만 된다면 글로벌 초격차/신격차 확보가 가능한 신기술이므로 선제적이고 지속적인 국가 R&D 지원이 시급하다. 향후 전기차 대중화 시대를 선제적으로 준비할 수 있도록 편리하면서도 빠른 충전 인프라 확장과 신뢰도 높은 충전 인프라 운영을 통해 사 용자 PP(pain point)를 제로화(zero化)할 수 있는 무선급속충전기술의 개발과 신 비즈니스 모델 발굴에 적극적인 투자가 필요하다.
출처 및 참고자료
1. Jennifer Shuttleworth, “New SAE Wireless Charging standard is EV game-changer”, SAE International, 2020.10.; www.sae.org/news/2020/10/new-sae-wirelesscharging-standard-is-ev-game-changer
2. 이영달, “전기차 무선충전 기술과 상용화 방향”, 「전기학회논문지」, 제72권 제8호, pp. 919-928. 2023.08.
3. 우동균, “전기자동차용 무선충전 시스템 최적 설계”, 「전력전자학회지」, 제23권 제5호, pp. 68-74. 2018.10.
4. Ce Liang; Guang Yang, et. al., Modeling and Analysis of Thermal Characteristics of Magnetic Coupler for Wireless Electric Vehicle Charging System, IEEE Access, Vol. 8. pp. 173177-173185. 2020.09.
5. “전기차 무선충전 기술, 우리나라가 국제표준 주도”, 산업통상자원부 보도자료, 2021.04.
6. “Wireless Charging Market by Technology(Inductive, Radio Frequency, Resonant), Implementation(Receivers, Transmitters), Application-Global Forecast 2024-2030”, 360iResearch, 2024.02.
7. “Wireless Electric Vehicle Charging Market Size & Share Analysis-Growth Trends & Forecasts(2024-2029)”, Mordor Intelligence, 2024.06.
8. “전기자동차 충전인프라”, 『중소기업 전략기술로드맵: 전기ㆍ수소차』, 중소벤처기업부ㆍ중소기업기술정보진흥원, 2022.
9. 임상현, “달리면서 충전하 는 전기차 시대(?)…1900km 테스트 성공”, 오토캐스트, 2023.06.02.; autocast.kr/article/view/atc202306020005 10. 김예준, “EV도 이제는 무선 충전 시대 개막? 볼보, 스웨덴서 전기차 무선 충전 테스트 시작”, 오토트리뷴, 2022.03.13.; autotribune.co.kr/news/articleView.html?idxno=6689
11. 최봉, “[현대차그룹 전기차/자 율주행차 상황 점검 (7)] 제네시스, 그린파워 손잡고 무선충전 기술 상용화 시도”, 뉴스투데이, 2023.05.29.; news2day.co.kr/article/20230527500003
12. 권진욱, “KG모빌리티, 전기차 무선충전 플랫폼 선봬 [CES 2024]”, 뉴스저널리즘, 2024.01.10.; ngetnews.com/news/articleView.html?idxno=429917
작성자
이봉현 전기수소차PD / 한국산업기술기획평가원(KEIT) 미래자 동차 실 이상택 센터장 / 한국전자기술연구원(KETI) 스마트전장연구센터 정진범 수석 / 한국자 동차연구원(KATECH) 전기동력기술부문
'산업기술' 카테고리의 다른 글
| 이차전지 음극 고용량화 및 저가화 기술 동향 (0) | 2025.02.01 |
|---|---|
| 전기자동차(EV) X in 1 통합화 기술 (0) | 2025.02.01 |
| 세라믹 유전체 초저온 동시 소결 및 관련 소재 부품 기술 (0) | 2025.02.01 |
| 차세대 반도체 패키징용 유리기판 소재 공정기술 동향 (0) | 2025.02.01 |
| 직접환원철 글로벌 공급망 현황 및 수소환원제철 적용 기술 개발 동향 (0) | 2025.02.01 |
댓글