전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2018.12 특집 요약 (p28~51)

Breakthrough
충전 기술이 결정하는 EV의 미래
이동 비용이 싸고 간편한 새로운 모빌리티의 시대로

《조감도》
막다른 골목인가, 새로운 미래인가?

전기자동차(EV)는 충전 기술의 선택에 따라 그 미래의 모습이 크게 달라진다. 기정 노선인 ‘케이블 충전’ 방식의 EV는 앞으로 많은 문제점들이 쏟아져 나와 완전 자율주행이 본격화될 2030년경에는 설 자리가 없어질 가능성이 높다. 한편, ‘배터리 교환식’은 전동 이륜차 및 소형 EV에서는 잘 될 가능성이 있을 것으로 보인다. 비 접촉 전력을 급전(給電)하는 ‘와이어리스 급전’은 자율주행과의 친화력이 높다는 것이 최대의 강점이다. 바로 앞에 있는 도로에서 전력을 얻으며 달리는 ‘주행 중의 급전’을 실현하는데 있어서 다리역할이 될 수 있을 것으로 보고 있다.

주행 중에 급전이 실현되었을 때의 EV는 현재의 EV와는 전혀 다른 모습이 될 것이다. 적재하는 배터리는 최소한이면서 항속 거리는 거의 무제한. 차체는 가벼우며 전비(電費)는 뛰어나다. 조만간 기존 노선으로부터 벗어나, 충전 기술을 바꾸지 않으면 EV와 새로운 모빌리티의 미래는 찾아오지 않을 수도 있다.

Part 1. 기존 노선
대(大)전력화 하는 케이블 충전, 가솔린 차가 걸림돌이 되어 막다른 골목으로

전동차를 케이블 경유로 충전하는 방법은 가솔린 차에 기름은 넣는 이미지와 유사해, 자동차 제조사가 채택하기 쉬웠을 것으로 보인다. 그러나 그 연장선에 있는 것은 장미 빛 미래가 아니다. 가솔린 차의 항속 거리를 늘리려고 하면 할수록 운반하는 대상이 ‘사람’이 아닌 ‘배터리’가 되는 모순이 생기게 되어 점차 막다른 골목으로 몰리게 된다.

현재, 대부분의 전기자동차(EV)에서는 AC전원 또는 전기 충전소로부터 케이블을 연결시켜 그 커넥터를 EV의 소켓에 끼워 충전시키는 ‘케이블 충전’이 사용되고 있다. 이 작업은 현행의 가솔린 자동차의 급유 작업과 상당히 닮아 있어, EV를 도입하는데 위화감을 줄이는 효과를 가져왔다.

그러나, 이 케이블 충전 기술의 향후 변화의 방향성을 알면 알수록, 당장 10년 후를 생각할 때, 케이블 충전이 EV보급의 커다란 장해 요인이 될 수 있다는 것을 미리 짐작할 수 있을 것이다.

-- 당면한 과제는 3가지 --
케이블 충전의 문제점은 곧바로 해결해야 하는 것과 향후 심각해 질 가능성이 있는 것으로 크게 나눠진다. 눈 앞의 과제는 (1) 급속 충전의 규격이 독자적 사양을 포함해 난입하고 있다는 것이며 (2) EV의 배터리 용량이 늘어나고 있어, 가정의 교류(AC) 전원을 사용한 출력 3㎾의 충전에서는 하룻밤 만으로는 충전이 다 되지 않으며 50㎾의 급속 충전으로도 30분으로는 부족하게 되었다. (3)’초급속 충전’의 규격도 당장은 충전 시간의 단축으로 이어지지 않는다는 3가지로 나눠진다.

규격은 주로 일본, 중국, 유럽, 미국 테슬라의 4규격 및 사양으로 크게 구분되지만, 커넥터의 종류는 더욱 많다. 이것은 ‘CharIN Association’이 특정∙추진하는 ‘Combined Charging System (CCS)’의 혼란이 주요 요인이다. CCS는 AC와 직류(DC)의 커넥터를 합친 규격으로 ‘Combo(콤보)’라고도 불린다. 이것이 AC 커넥터 형태가 지역에 따라 다른 것과 AC의 단상 및 삼상의 차이에 의해 CSS만으로도 4종류의 커넥터 형태로 나눠지게 된 것이다.

-- 일본과 중국의 규격 통일로 --
그러나, 최근에는 이것들을 통합해 나가는 움직임이 나오고 있다. 각각의 규격을 자세히 들여다 보면 통신 규격은 2가지로 크게 나눠진다. 그 중 하나는 전용 신호를 사용하는 CAN(Controller Area Network)이며, 다른 하나는 전력이 흐르는 선에 통신용 신호도 중첩해 송수신하는 PLC(Power Line Communication)이다. CAN은 ‘CHAdeMO’, 중국의 ‘GB/T’, 그리고 테슬라의 사양으로 거의 공통으로 사용되고 있다. 따라서, 설치된 긴급 충전기의 대수 베이스에서는 CAN의 점유율이 압도적으로 많다.

이 ‘CAN 진영’을 견인하는 것이 CHAdeMO 협의회이다. 해당 협의회 사무국장인 요시다(吉田) 씨는 “CHAdeMO 규격의 핵심은 이 통신 규격과 그 프로토콜에 있다”라고 강조한다. CAN에도 세부적인 규격의 차이는 있지만, 통신의 상위층에서 서로 번역 가능한 범위에 있다면 커넥터 모양의 차이는 어댑터를 사용하는 것으로 호환성을 가질 수 있기 때문이다. 실제 테슬라는 CHAdeMO와의 어댑터를 사용하고 있다.

2018년 8월에는 CHAdeMO 협의회와 중국의 GB/T를 책정하는 중국 State Grid Corporation of China(SGCC, 국가전망)가 출력 400㎾ 초과~900㎾ 초과의 고출력 충전 규격을 공동으로 작성해 2020년경에 표준화한다는 계획을 발표했다. 통신규격은 역시 CAN을 채택한다. “원래부터 CHAdeMO 협의회와 SGCC는 급속충전규격을 공동으로 개발했다. 우리는 이전부터 EV보급을 위해서는 규격으로 고객을 포섭할 수는 없다고 생각했으나, 최근에는 앞에서 말한 것과 같은 문제의식을 가진 사람들이 늘어나 규격의 통일이 실현되었다”(요시다 씨).

-- 2개 꽂이로 혼란을 해소 --
-- 초 급속충전은 당장은 불가능 --
-- EV의 충전 용량은 100㎾h 전후로 --
-- 전고체 배터리에도 과제가 남아있어 --
-- 충전 시스템이 고 비용으로 --
-- 배터리 무게만으로 어른 6명분 --
-- 자율주행과의 연속성은 없다 --

-- EV의 미래는 어둡지 않다 --
케이블 충전식이 아닌, 다른 충전 기술로는 EV의 미래가 완전히 달라질 가능성이 있다. 케이블 충전 방식의 대안 중 하나로, 배터리 용량이 적어졌을 때 충전하는 것이 아니라, 충전된 배터리로 교체하는 ‘배터리 교환 방식’이 있다. 다만, 그러기 위해서는 성공하기 위한 조건이 있다고 한다(배터리 교환은 중장거리를 달리는 EV에는 적합하지 않다).

Part 2에서는 자율주행과 친화력이 높은 ‘와이어리스 급전(WPT: Wireless Power Transmission)’ 기술개발의 현황과 문제점에 대해 소개하겠다.

Part 2. 노선 변경
제품화에 근접한 와이어리스 급전, 과제는 경량화와 전파의 절감

전력을 비(非)접촉, 즉 EV에 급전하는 ‘와이어리스 급전(WPT)’을 통한 차재 배터리로의 충전은 용량의 증대와 충전 레이트의 고출력화라는 악순환으로부터 EV를 탈피시켜줄 가능성이 크다.

EV용 WPT에서는 노면에 삽입한 송전 코일로부터 차량의 바닥에 설치한 수전(受電) 코일에 전자(電磁) 유도의 응용 기술인 ‘자기공명결합방식’으로 전력을 충전. 그 다음에 전력을 차재 배터리 등에 충전한다.

케이블 충전과 WPT의 큰 차이는 (1) 운전자가 차 밖으로 나와서 작업할 필요가 없고 필요한 위치로 운전 조작을 하는 것만으로 해결, (2) 송전 측의 시스템을 주차장 및 도로의 노선에 삽입하기 때문에 충전 가능한 장소가 크게 확대되며, (3) 자율주행과의 친화력이 뛰어나다는 3가지 점이다.

(1)과 (2)는 운전자 등에 부담을 주지 않으면서 충전 회수를 대폭적으로 늘릴 수 있을 가능성으로 이어진다. 그렇게 된다면 대용량 배터리의 필요성이 줄어들어 차량을 경량화 시킬 수 있을 뿐만 아니라 가격도 절감시킬 수 있다. 지금까지의 악순환이 오히려 뒤바뀌면서 선순환이 되는 것이다. (3)은 자율주행의 도입이 쉬워질 뿐만 아니라, WPT자체의 편리성을 높이는 것에도 플러스로 작용한다. 주차할 경우에 WPT 시스템과 차량의 위치를 맞추는 것을 자동화한다면 운전자의 주차 기술은 크게 중요하지 않기 때문이다.

대부분의 자동차 회사들도 WPT는 절실할 정도로 실현하고 싶은 기술 임에 틀림없다. 실제로 도요타자동차의 전 이사였던 구로(黒) 씨가 2018년 10월의 공연회에서 도요타가 2014년부터 일본과 미국, 유럽에서의 실증 실험을 개시한 것을 가리키며 “PHEV, EV에는 비 접촉 충전이 필요하다”며 직접적으로 어필했다.

-- 실용화의 선두 경쟁이 시작된다 --
EV용 WPT의 실용화는 눈 앞에 와있다. 구체적으로는 국제 표준화가 앞으로 1년 뒤에 완료될 예정이며 그로부터 시스템을 탑재한 차량 발매가 앞다투어 시작될 가능성이 높다.

이런 상황에서 WPT기술의 진영 구축에도 박차가 가해지고 있다. 미국 와이트리시티(WiTricity)와 퀄컴(Qualcomm)의 두 진영으로 나눠지지만, 와이트리시티는 도요타, TDK, IHI, 다이헨, 신전원공업(新電元工業)과 같은 일본 대형 제조사와 라이선스 계약을 체결. 협업의 경우에는 닛산자동차, 혼다의 미국 법인 등도 포함된다. 특히 2018년에 와이트리시티의 세력이 또다시 눈에 띄는 상황이 되어 있다.

자동차 제조사 및 그 부품 제조사의 대부분은 2020년을 EV용 WPT원년으로 정하고 개발과 영업에 박차를 가하고 있다고 한다. 그러나 이미 도약을 결정한 제조사도 있다. 다이헨(DAIHEN)은 자체 WPT 시스템을 탑재한 초소형 EV를 다지마 EV와 공동으로 개발. 또한 스마트폰에 의한 결재 시스템 및 주차장의 위치 맞춤 지원 시스템 등을 폭 넓게 제품화해, 국제 표준 완료를 기다리지 않고 2018년 5월에 발매에 들어갔다. 당사는 2018년 12월 10일~2019년 1월 31일 동안에 개발한 EV 등을 사용해 오사카 시와 함께 오사카성 공원에서의 실증실험에 나선다.

-- 기술적인 과제는 크게 3가지 --
한편, WPT에는 기술적인 과제가 적지 않게 남아있다. 그 중, 주요 과제로는 (1) 자율주행을 실현하기까지 정차 시의 운전 지원이 필요, (2) 특히 쌍방향의 WPT에서는 차재 측 WPT 시스템의 무게 절감이 필요, (3) 인체 등으로의 안전성 확보 및 출력 향상을 위해 누설 전자계의 절감이 더욱 필요하다는 3가지 점이다.

(1)에 대해서는 현재, 표준화되고 있는 규격에서는 송수전 코일 간의 수평 방향이 어긋나는 허용치를 100mm 이하로 설정하고 있다. 자율주행 기능 또는 운전 지원이 없을 경우, 운전자가 정확하게 차량의 수전 코일의 위치를 송전 코일 위에 맞춰 정차시키는 것은 쉽지 않다.

그러나 이미 다이헨과 같이 타이어 가이드를 설치해 위치 맞춤을 지원하는 사례가 등장했다. 앞으로 EV의 비교적 상위의 모델에서는 ‘차저(車低) 카메라’로 위치 맞춤을 지원하는 사례가 나올 지도 모른다.

-- 쌍방향 WPT에 긍정적으로 --
(2)의 쌍방향 WPT는 노면 측 코일로부터 차재 코일에 급전하는 것뿐만 아니라, 차재 코일에서 노면 측 코일에도 급전할 수 있게 만든 WPT를 가리킨다. 그러나 그 실현에는 차재 측 시스템에 DC/DC 컨버터 등의 추가가 필요. 차재 코일도 대형의 것이 요구되므로 자동차 제조사의 대부분이 차량이 무거워지는 것을 우려해 이용을 기피하고 있었다. 그러나 최근에는 EV의 차재 배터리의 전력을 주택이나 전력 계통에 보내는 ‘V2H’ 및 ‘V2G’가 주목을 받고 있어, 쌍방향 WPT에 관심을 보이는 자동차 회사가 늘어나고 있다.

-- AI 선 코일로 대폭 경량화가 가능해져 --
-- 누진전자계 절감으로 고출력화에 길이 열려 --
-- 코일 자체에 PF 기능을 발견 --

Part 3. 이상적인 길
‘빈손’으로 장거리 여행, 주행 중의 가선식 급전(給電)도 등장

도로에서부터 급전을 받아 달리는 주행 중 급전이 실현된다면 불필요한 배터리를 실을 필요 없이 거리가 무제한인 장거리 주행이 가능해 진다. 이를 위해서는 와이어리스 급전을 사용하는 것 외에도, 급전용 가선(전력공급용 전선)을 사용하는 방법이 있다. 시가지 및 고속 도로에 이와 같은 급전 기능을 도입하기 위한 비용은 대용량 배터리를 탑재한 EV를 보급시키는 비용에 비해 크게 저렴하다고 할 수 있다.

와이어리스 급전(WPT)을 주차장 등에서의 정차 중에 이용하는 것만으로는 본래의 잠재력을 끌어내지 못하게 된다. 대부분의 주차 장소에 WPT를 도입한다면 배터리 용량 증가를 줄이는 효과는 있을 것이다. 그러나 장거리 주행 시에는 해결책이 되지 않으며 배터리 용량을 크게 줄이는 것은 어렵다. 급전 시의 출력이 작은 것도 장거리를 주행하는 경우에는 불안감의 원인이 될 수 있다.

발본적인 해결책으로는 일반 도로의 주요 장소나 고속 도로 상에도 WPT의 송전 시스템을 설치해, 달리면서 필요한 전력을 얻을 수 있는 ‘주행 중 급전(Dynamic WPT)’을 추진하는 것이다. 실현된다면, 장거리 주행 용으로 크고 무거운 대용량 배터리를 탑재할 필요가 없어져, 거의 ‘빈손’으로 거리 무제한의 드라이브가 가능해 진다. EV의 본연의 모습을 연구하고 있는 도쿄대학의 호리(堀) 교수도 그것이 무엇보다 이동을 위한 에너지 효율이 높은 방법이라고 지적했다.

그러나, ‘주행 중 급전’의 인프라 시설 비용이 천문학적으로 높을 것이라고 의심하는 사람들도 있을 것이다. 차후에 자세히 설명하겠지만, 결론은 ‘의외의 저비용’이다. 실제로 최근 2년간, 실현 가능성이 높다는 것과 그 이익에 눈을 뜨게 된 국내외의 연구 기관 및 자동차 관련 제조사 등이 잇따라 연구 개발에 뛰어들고 있다.

-- 주행 시간의 1/4은 신호등 앞에 있다 --
-- 탑재 배터리는 4kWh(超)면 좋다 --
-- 송전 측 시스템은 심플하게 --
-- 타이어 개수만큼 수전(受電) 전력이 늘어난다 --
-- 차재 배터리와 타이어 사이에도 WPT --
-- 덴소는 도로 벽 측으로부터의 WPT를 연구 --
-- 가선식으로 초 고출력도 급전 가능하게 --
-- ‘주행 중 급전’의 부설 비용은 저렴하다 --

 -- 끝 --