산업기술/제조/경영

Nikkei Business_2019. 3.18 테크노 트렌드 (p96~98)

전기자동차의 충전 기술
자율주행에서는 비접촉형이 주류로

전력을 비접촉으로 EV(전기자동차)에 충전하는 연구가 진행되고 있다. 그 끝에는 달리면서 필요한 전력을 얻는 ‘주행 중 급전’을 응시하고 있다. 가선(架線)으로부터 전력을 공급받는 방식 등의 연구도 진행 중이다.

EV(전기자동차)는 충전기술의 선택에 따라 미래의 가능성이 크게 달라진다. 기정 노선의 ‘케이블 충전’ 방식의 경우, 앞으로 여러 가지 문제가 쏟아져 나와 완전 자율주행이 본격화되는 2030년경에는 설 자리를 잃게 될 것이라는 전망이 우세하다.

케이블 충전의 과제는 직접적인 과제와 앞으로 심각해질 것으로 보이는 과제로 크게 나눠진다.

-- 급속 충전의 규격이 난립 --
직접적인 과제는 ①급속 충전 규격이 독자적인 사양을 포함해 난립하고 있다는 점, ②EV의 배터리 용량이 늘어나고 있어 가정의 AC(교류) 전원을 이용한 출력 3㎾에서의 충전으로는 하룻밤 만에 충전이 불가능하며 50㎾의 급속 충전의 경우에도 30분으로는 부족하다는 점, ③’초 급속 충전’ 규격의 경우에도 배터리 및 충전 케이블 사양의 한계로 인해 당장은 충전 시간의 단축으로 이어지지 않는다는 점으로 크게 3가지를 들 수 있다.

앞을 내다 보았을 경우, 배터리의 용량이 더욱 늘어나거나 EV의 대수가 늘어남에 따라 케이블 충전 방식의 EV의 과제는 눈덩이처럼 커질 가능성이 크다. 예를 들어 차량의 무게에 대해 배터리가 100kWh라고 한다면 현행의 배터리 기술로는 적어도 400kg이 되어 배터리만으로도 어른 6명분의 무게가 된다. 배터리 용량이 큰 EV의 대수가 늘어나게 되면 현재도 이미 발생되고 있는 EV의 충전 지연은 보다 더 심각해 질 것이다. 충전 시스템은 고출력인 것일수록 고 비용으로 간단히 숫자를 늘릴 수 없기 때문에 충전 시스템이 EV의 편리성을 높이는데 있어서 보틀넥이 된다.

가장 심각한 것은 자율주행과의 관계이다. 케이블 충전식으로는 아무리 운전이나 주차가 자동화된다고 하더라도 충전만큼은 수작업이 필요하다. 따라서 케이블 충전식의 시스템이 다수 도입된 후에 자율주행차가 보급된다면 원래의 충전 인프라는 무용지물이 될 가능성이 높다.

-- 무선(Wireless) 급전에 기대감 --
이에 반해, 전력을 비접촉으로 EV에 급전하는 ‘WPT(Wireless Power Transfer: 무선 급전)’에 의한 차재 배터리로의 충전은 용량의 증대와 충전 속도의 고출력화라는 악순환으로부터 EV를 벗어나게 해 줄 가능성이 크다. EV용 WPT에서는 노면에 매립한 송전 코일로부터 차량의 바닥에 설치한 수전 코일에 전자(電磁) 유도의 응용 기술로 전력을 급전, 그 다음에 전력을 차재 배터리 등에 충전한다.

케이블 충전과 WPT와의 커다란 차이는 ①운전자가 차 밖으로 나와서 작업할 필요가 없으며, 필요한 위치로 운전 조작만 하면 가능하다, ②송전 측의 시스템을 주차장이나 도로의 노면에 매립할 수 있기 때문에 충전 가능한 장소가 대폭 확대된다, ③자율주행과의 친화성이 높다는 3가지이다.

그렇기 때문에 자동차 회사의 대부분에 있어서 WPT는 반드시 실현시키고 싶은 기술이다. 도요타자동차의 전(前) 이사인 이시쿠로(石黒) 씨는 2018년 10월의 강연회에서 도요타가 2014년부터 일본 미국 유럽에서의 실증실험을 시작한 것에 관해 설명하면서 “EV 등에는 비접속 충전이 필요하다”고 직접 호소했다.

EV용 WPT의 실용화는 눈 앞에 와있다. 국제표준화가 2019년 중에는 완료할 예정이며 그때부터 시스템을 탑재한 차량의 발매 러시가 시작될 가능성이 높다. 자동차 제조사 및 그 부품 업체의 대부분은 2020년을 EV용 WPT의 원년이라고 정해, 개발과 영업에 박차를 가하고 있다고 한다.

경합하고 있던 2대 기술 사양의 단일화도 마침내 실현되었다. WPT 기술로는 미국 와이트리시티(WiTricity)와 퀠컴의 2대 진영이 표준화를 놓고 경쟁하고 있어 규격화가 늦어지는 이유 중 하나가 되고 있었다. 그러나 2월에 와이트리시티가 퀄컴의 EV용 와이어리스 급전사업을 매입하기로 합의. 한편, 퀄컴은 와이트리시티의 주식을 조금 가져가는 것으로 해당 사업에 대한 여지를 남겨두고 있다.

와이트리시티는 2007년에 창업한 벤처 기업으로 도요타, TDK, IHI, 다이헨, 신전원(新電元)공업과 같은 일본 대형 제조사와 라이선스 계약을 체결. 닛산자동차, 혼다의 미국 법인 등과도 협업하고 있으며 타회사와의 연대로 거인인 퀄컴을 압도시켰다.

한 발 먼저 움직인 제조사도 있다. 다이헨은 자체적으로 WPT시스템을 탑재한 초소형 EV를 다지마EV(도쿄)와 공동 개발. 뿐만 아니라, 스마트폰에 의한 결재 시스템 및 주차 시의 맞춤형 위치 지원 시스템 등을 폭넓게 제품화시켜 국제 표준화의 완료를 기다리지 않고 2018년 5월에 발매하고 있다.

WPT는 주차장 등에서의 정차 중의 이용에 그치고 있다가는 본래의 잠재력을 끌어내지 못한다. WPT의 다음 단계에 있는 것이 일반 도로의 주요 장소나 고속 도로 상에도 WPT의 송전시스템을 부설해, 달리면서 필요한 전력을 확보할 수 있는 ‘주행 중 급전(다이나믹 WPT)’의 추진이다.

다이나믹 WPT가 실현된다면 장거리 주행용에 크고 무거운 대용량 배터리를 탑재할 필요가 없어져, 거의 ‘빈 손’으로 거리 무제한의 드라이브가 가능해진다. EV의 본연의 모습을 연구하고 있는 도쿄대학 교수인 호리(堀) 씨도 그것이 이동을 위한 에너지 효율 중 가장 높은 방법이라고 지적. 최근 2년 정도에 높은 실현 가능성과 매리트에 눈을 뜨게 된 국내외 연구 기관 및 자동차 관련 제조사 등이 잇따라 연구 개발에 나섰다.

시가지에서의 주행 중 급전의 가능성을 실제 검증한 것이 일본정공(日本精工)과 도쿄대학 대학원 신 영역창성 과학연구과 조교수인 후지모토(藤本) 씨의 연구 그룹이다. 가나가와(神奈川) 현 내의 간선 도로 214.9km를 실제 자동차로 주행해 어떤 장소에 어느 정도 머물러 있었는지에 관한 데이터를 수집했다. 그 결과, 신호등의 정지선으로부터 30m 구간에 멈춰있었던 시간이 전체 주행시간의 약 25%를 차지한다는 것이 밝혀졌다. 다시 말해 주행 시간 중 4분의 1은 자동차가 신호등 주변에 있다는 것을 나타내고 있다.

이 데이터를 기반으로 신호등 앞 30m까지의 구간에만 WPT시스템을 부설해 그 위를 정차, 또는 통과하는 EV를 급전할 경우에는 어떻게 되는 지를 시뮬레이션 한 결과, 거의 차재 배터리의 전력을 사용하지 않고도 주행할 수 있다는 것을 알 수 있게 되었다.

테스트에서는 동시에 충전률의 차이는 최대 4.09kWh인 것이 판명. 즉 배터리의 용량이 최소한 이 정도 있다면 이 도로 전체를 달릴 수 있다는 것이 된다. 도쿄대학의 후지모토(藤本) 연구실에서는 이 주행 중 급전을 위해 WPT시스템과 EV의 차량도 개발 중에 있다. 지금까지 도요전기제조(東洋電機製造), 일본정공, SINTEF와 공동으로 개발한 EV를 사용한 시연도 시행하고 있다.

다이나믹 WPT의 시스템에 대해서는 덴소 등도 연구개발을 추진하고 있다. 해당사도 타이어를 사용한 근미래의 EV의 이미지를 공개했으나, 특징은 주행용 전력을 도로 측 벽에 설치한 송전 코일에서 무선으로 EV를 급전한다는 것이다. “측벽이라면 공사할 때 차선을 막지 않아도 되기 때문에 송전 코일 등의 부설이 비교적 쉽다” (어느 WPT 연구자)는 장점이 있다.

-- 가선 경유의 연구를 진행하는 혼다 --
고속도로를 상정한 EV로의 ‘주행 중 급전’을 실증한 제조사도 있다. 퀄컴이 시작(試作)한 시스템에서는 송전 코일의 출력은 20㎾이며 시속 100km의 주행에 필요한 전력을 확보할 수 있다.

실은 주행 중의 급전은 무선에 한정된 것은 아니다. 과거의 시영 전차 및 트롤리버스, 전차와 신간선 등은 모두 가선으로부터 전력을 얻는 ‘주행 중 급전’이 실현된 사례이다. 혼다는 이것을 EV에서도 실현하기 위해 연구를 추진하고 있다. 혼다의 주행 중 충전 시스템은 가드레일의 하부에 설치한 가선과 EV에 장착한 집전 Arm으로 이루어진다. 집전 Arm은 평상시에는 차량 안에 장착되어 있다가 급전을 할 경우에만 Arm을 뻗어 가선에 접촉하는 구조이다.

 -- 끝 --