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Nikkei X-TECH_2023.10.13

일본 첫 ‘주행 중 급전’의 공도 실증실험
도쿄대학 등, 2028년에 오사카시 버스로 실증

도쿄대학 등의 대학과 11개 기업은 2023년 10월 3일, 일본에서는 최초로 공도에서 주행 중 급전(Dynamic Wireless Power Transfer: DWPT)의 실증실험을 개시했다. 대응 차량 2대를 준비했고, 도쿄대학 가시와캠퍼스에서 가장 가까운 역인 쓰쿠바익스프레스의 ‘가시와노하 캠퍼스역’ 근처의 교차로에 송전 코일 등을 매설했다. 실증실험은 2025년 3월까지 계속할 계획이다.

-- 배터리의 충전 작업이 불필요 --
DWPT는 도로에 매설한 송전 시스템으로부터 주행 중인 자동차에 무선으로 급전하는 기술이과 시스템이다. 이것이 실현돼 보급된다면, 전기자동차(EV)는 극히 소용량의 축전지를 적재하기만 하면 방전의 불안 없이 장거리를 주행할 수 있게 된다.

차량이 대폭 경량화되기 때문에 전비도 향상된다. 자택에 충전 시스템을 도입할 필요도 없다. 이른바 ‘충전 정체’도 일어나지 않는다. 그야말로 EV에게는 이상적인 이용 환경이 된다.

물론 그 대신에 도로에 송전 시스템 등의 인프라를 부설할 필요가 있다. 그 비용이 막대해질 우려에 대해서는 18년에 NSK와 도쿄대학이 진행한 공동연구에서 일반도로 교차로 신호 앞 30m 구간에 설치하면 계속해서 장거리 주행을 할 수 있다는 것을 알았다.

도로 전체를 공사할 필요는 없기 때문에 공사 비용은 전국의 일반도로를 대상으로 해도 수천억 엔이면 된다는 계산이다. 이는 대용량 배터리를 싣는 EV나 그를 위한 충전설비 보급에 사회가 지불하는 비용에 비해 낮다.

-- 정차를 전제로 한 무선 충전 기술과는 별개 --
또한 정차 중인 차량의 축전지에 무선으로 충전하는 기술 Static Wireless Power Transfer(SWPT)는 2010년대 초부터 유럽이나 중국의 전동 버스 등에서 널리 실용화되고 있다. 최근에는 일부 EV에도 구현하기 시작했다. 자동차용 SWPT 시스템 제조업체는 세계에 10여 개 있다.

다만 DWPT와 SWPT는 다르다. 전력을 무선으로 전송하는 원리에서는 공통적이지만, DWPT에서는 각 송전 시스템이 대응 차량의 접근을 감지하여 차량이 통과하거나 정차하는 얼마 안 되는 시간에 차량마다 최적의 형태로 급전할 필요가 있다.

현시점에서 그것을 개발 완료했다고 하는 것은 이스라엘 Electreon 등에 불과. 개발 중인 업체는 많지만 자동차 소유자가 자체 주차장 등에서 사용할 수 있으면 되는 SWPT와 달리 공도에서 이용하는 DWPT 시스템은 호환성 확보가 보급의 대전제가 된다. 이를 위한 국제표준규격의 책정은 이제 막 시작되었고, 각국 또는 각 기업이 표준 사양을 제안하기 시작한 단계다.

도쿄대학 등이 실시한 이번 실증실험도 그 국제표준규격안의 제안을 목표로 한 것이다. “이미 차량 감지 기술 초안을 도요타자동차, 덴소, 도쿄대학이 작성하고 일본자동차연구소(JARI)를 통해 International Electrotechnical Commission(국제전기표준회의, IEC)에 이미 제출했지만 실제 이용 상황에 가까운 데이터가 있다면 설득력이 달라진다”(도쿄대학 대학원 신영역창성과학연구과 첨단에너지공학전공 후지모토(藤本) 교수).

-- 차량이 통과하는 12초 전까지는 오프 --
이번에 공도에 부설한 송전시스템 중 도로에 매설한 것은 송전 코일뿐이다. 송전 코일에 대한 급전을 제어하는 부대 설비는 도로변에 설치했다. 이 부대 설비에는 차량의 위치나 배터리의 충전 상태 등에 따라 송전주파수를 최적화하는 인버터나 이를 위한 제어회로, 누전 감지용 브레이커 외에 차량이 송전시스템에 접근해 온 것을 알기 위한 4G 통신기기도 구현했다.

차량에도 GPS와 함께 4G 통신기기를 탑재하고 있어, 이 통신을 통해 송전 시스템은 차량과의 대략적인 거리를 알 수 있다. 차량과의 거리가 100m 이상일 경우는 인버터에는 전력이 전송되지 않는다. 100m 이내에 가까워지면 송전시스템은 송전 준비 상태가 되고, 제어회로 등이 가동된다. 이번에 4G 통신기기를 이용한 접근 감지는 차량이 속도 30km/시로 주행하고 있는 것을 상정했다고 한다. 즉, 차량이 오기 약 12초 전까지는 송전시스템은 오프 상태다.

다만, 송전 준비 상태가 돼도 송전 코일에는 아직 전력이 전송되지 않는다. 차량의 수전 코일이 송전 코일 위에 있다는 것을 직접 감지해야 비로소 전력 전송이 시작된다. 물론 이번 실험에 참여하지 않는 일반 차량에는 송전되지 않는다.

“이때 차량의 주행 속도는 일반적인 자동차의 주행 속도에는 모두 대응 가능하며, 상한 속도는 사실상 없는 것 같다”(도쿄대학). 도쿄대학은 원거리와 근거리 감지를 조합한 시스템으로 함으로써 대기전력을 크게 줄일 수 있었다고 한다.

이러한 일반적으로는 전원이 오프였다가 필요할 때만 켜지는 시스템은 ‘Normally Off’라고도 불린다. 따라서 사람이 송전 코일 위를 걸어도 안전성에 전혀 문제가 없다.

이전의 주행 중 급전 시스템의 경우는 송전시스템을 상시 온으로 해 놓고, 차량 통과를 감지하지 않고도 급전이 가능한 'Normally On’으로 하는 것도 검토했었다. 이 경우 차량이 통과하지 않는 시간이 길면 대기전력 등의 전력손실이 커진다.

또한 가동 중인 송전시스템 위를 사람이나 기타 생물이 걸으면 위험하기 때문에 보행자가 출입하지 않는 고속도로나 전용도로로 한정하거나 생체/이물질 감지 시스템을 설치해 보행자가 있을 경우는 송전을 멈춰야 했었다.

금속 조각 등이 송전 코일 위에 떨어져 있는 경우는, Normally Off라도 송전시스템이 켜졌을 때 그것들이 가열돼 위험한 상태가 될 가능성이 있다. 하지만 도쿄대학 후지모토 교수 연구실은 22년 송전회로 대기시간에 약한 전압을 송전 코일에 인가하고, 그 전류 응답으로 금속 이물질을 감지하는 시스템도 개발했다.

금속의 자성 상태 등도 판별할 수 있기 때문에, 그것이 예를 들면 알루미늄인지 철인지도 추정할 수 있는 것 같다. 이 방식이라면 금속 이물질 감지 기능을 구현하는 것도 크게 비용이 상승하지 않는다고 한다.

-- 얇은 섬유강화 콘크리트로 높은 송전 효율을 실현 --
이번 시스템에서는 송전출력은 송전 코일당 최대 25kW. 차량당 최소 2코일에서 송전하기 때문에 총 50kW의 전력을 받을 수 있다. 그때의 송전 효율은 약 96% 또는 그 이상으로 높다.

이 송전 효율은 송전 코일과 수전 코일 사이의 거리에 의존하며, 기본적으로는 거리가 짧을수록 효율이 높다. 즉, 송전 코일 위에 까는 포장재의 두께는 얇은 편이 좋다. 그러나 너무 얇으면 노면의 내구성이 떨어진다.

이번에 높은 송전 효율을 실현할 수 있었던 이유는, 오바야시구미가 개발한 ‘고성능 섬유보강 시멘트 복합재료(HPFRCC)’ 또는 ‘Universal-Crete’라는 포장재를 사용해 높은 내구성을 유지한 채 포장재 두께를 2.5cm로 줄일 수 있었기 때문이라고 한다.

도쿄대학 등은 앞으로 오사카시 고속전기궤도(오사카 메트로)가 조만간 도입하는 EV 버스를 이용해 이번 주행 중 급전 시스템의 업그레이드판 시스템의 실증실험을 추진할 계획이다. 구체적으로는 25년에 열리는 오사카/간사이 엑스포에서 주행 중 급전 데모를 실시한다. 그리고 28년에는 통상의 시내버스 운행 서비스에서도 주행 중 급전을 계획하고 있다고 한다.

 -- 끝 --

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