[무선전력과 전기자동차 ①] 무선급전기술, 휴대 시장 능가한다

[무선전력과 전기자동차 ②] 무선전력에 의해 자동주행 실현될 수 있을까?

라스트 원 미터의 실현, 자계공명과 중계 코일에 달렸다 

마지막 라스트 원 미터의 무선급전을 담당하는 기술로서 주목받고 있는 것이 자계공명이다. 수십cm부터 약 1m 정도라면 고효율의 전력전송이 가능하다.

원리는 송신 코일과 수신 코일의 공진 주파수를 같게 해서 자계 에너지로 결합함으로써 고효율의 전력전송을 실현한다. 또 위치가 어긋나도 고효율로 전력을 보낼 수 있는 위치 어긋남에 대한 강점도 큰 특징이다. 코일의 위치 어긋남이 생겼을 때도 전력의 전송이 가능하며 매우 넓은 범위에서 고효율의 전송이 가능하다. 

자계공명에서는 중계 코일을 이용함으로써 전송 거리를 늘리는 것도 가능하다. 중계 코일이란 송수신 코일과 같은 주파수로 공진하는 코일이다.

중계 코일을 이용해 전력을 끊이지 않고 보낼 수 있다. 중계 코일을 두는 방향에는 약간의 제약이 있기는 하지만 기본적으로는 코일의 형상이나 방향에 대한 자유도가 높고 코일 설치상의 제약은 그다지 높지 않다.

그리고 배선이 불필요하며 단지 코일을 가까이에 두기만 하면 전력을 중계할 수 있으므로 부설이나 메인티넌스 시에는 큰 메리트가 있다.

무선급전기술 이용한 주행 중 충전 실현될 것

세계적인 에너지 정책에 영향을 미친 동일본대지진에 수반하는 탈원전은 당연히 전기자동차 업계에 미친 영향도 크다. 대참사로 인해 전기자동차의 CO2 삭감량을 예전과 같이 높은 목소리로 외치던 상황과는 분명 달라졌다. 

그러나 현 시점에서 전기자동차가 더욱 높은 주목을 받고 있는 것은 왜일까. 그것은 여전히 전기자동차는 에너지 효율이 높다는 점과 배기가스를 배출하지 않는 점을 꼽을 수 있다. 그리고 가솔린차로는 도저히 실현할 수 없는 100배 가까운 속도로 토크를 제어하고 슬립을 방지하고 100배 안전한 차를 만들 수 있다는 특징이 있기 때문이다. 

즉 전기자동차는 환경(에코)을 지나치게 강조하다 보니 오히려 그 장점이 가려져 있지만 실은 가솔린차로는 도저히 이룰 수 없는 초고성능의 차가 될 수 있는 잠재력을 갖고 있다. 그리고 무선자동급전에 의해 급유와 같은 번거로운 작업도 사라진다. 이러한 이유에서 전기자동차는 일과성의 붐이 아니라 100년이 지나도 우위의 입장에 있을 것이다. 

단, 가솔린에는 미치지 못하는 낮은 전지의 에너지 밀도라는 현실적인 문제를 해결할 필요가 있다. 1회 충전으로 달릴 수 있는 거리를 1충전 주행 거리라고 하며, 현재의 전기자동차는 에어컨 사용 없이 약 160km를 달린다. 에어컨을 사용하면 약 100km 전후이다. 이 상태로는 고속도로를 달릴 때 불안감이 생긴다. 

만약 현행의 급속충전 방식을 유지하는 경우 고속도로의 서비스 에어리어에서는 어떠한 상황이 생길까.

가령, 약 100km마다 서비스 에어리어에서 충전한 경우 50kW의 급속충전을 20~30분간 할 필요가 있다. 그 경우 약 60대의 전기자동차가 항상 서비스 에어리어에서 급속충전을 하게 되어 50kW×60대=3MW의 전력이 서비스 에어리어별로 필요해지는 문제가 생긴다.

그리고 60대분의 주차장 확보 문제, 60대분의 급속충전기 설치 장소와 비용 문제가 있다. 이것은 어디까지 유저가 휴식을 취한 후 바로 돌아오고, 더구나 전체 차량의 10%가 전기자동차인 경우를 가정했기 때문에 그 이상으로 전기자동차가 증가한 경우에는 문제가 더 심각해진다. 

하나의 해결 방법으로 전지 개발을 계속하는 노선은 필수이지만 현재로서는 리튬전지를 능가하는 혁신적 축전지의 출현에 의존하는 상황에 빠져 있다.

이러한 폐쇄적인 상황을 타개할 수 있는 새로운 길이 바로 주행 중 충전이다. 가솔린차가 주행 중에 급유하는 일은 어렵지만 라스트 원 미터를 극복할 수 있는 무선급전기술에 의해서 전기자동차에 주행 중 급전이 가능해진다.

당연히 기술적 과제를 남아 있다. 주행 중 충전을 실현시키기 위해서는 도로 조건에 따라 코일 간의 에어갭이 최저라도 60cm는 필요하다. 또 코일의 크기도 차량 아래에 최대한 작게 해서 설치하고 싶어 하는 자동차 업계의 희망사항도 있다. 

이처럼 매우 엄격한 조건에서 고효율의 코일을 실현해야 할 필요성이 있는 점과 여러 대의 차가 급전 라인에 들어오고 나가도 시스템이나 각 차별의 효율은 높이면서 전력 분배를 임의의 상황에서 실현시키는 점 등 많은 과제가 산적해 있다. 그러나 이들 과제에 대해 많은 연구자가 연구하고 있으며 장래적으로는 해결될 것이다. 

그러면 비용면에서는 어떨까. 주행 중 충전을 실현하기 위해서는 도로 아래나 옆에 급전용 코일이 필요하다. 보통은 모든 코일에 전원에서 전기 코드를 배선하지만 앞서와 같이 중계 코일이라는 기술을 사용하면 코일을 설치하는 수고는 물론 비용도 줄일 수 있다.

중계 코일을 사용하면 코일 자체의 가격은 저렴해질 가능성이 있다. 그러나 전원 비용은 그에 비해서는 높아질 것으로 예상된다.

탈것의 전동화 흐름

전기자동차가 세계를 석권하는, 조금은 과장된 내용을 다룰까 한다. 그 전에 현재의 상황을 보면 적재적소에서 발달해 온 교통 시스템은 다양화가 진행되고 있다.

자전거, 퍼스널 모빌리티, 바이크, 연료전지차, 가솔린차, 전기자동차, 초소형차, 라이트레일(LRT : Light Rail Transit), 버스, 전차, 비행기 등 다양한 탈것이 존재한다. 

여기서 주목해야 할 것은 다양화되는 동시에 차뿐 아니라 자전거나 바이크나 비행기 등 많은 탈것이 전동화되고 있다는 것이다.

전동화하면 무선자동충전에 의해 급유와 같은 사람손이 필요한 작업을 하지 않아도 된다. 그리고 전동화에 의한 제어성의 향상이라는 큰 메리트는 설명한 바와 같다. 

또 전동화하면 풍력발전이나 태양광발전 같은 클린 에너지를 그대로 사용할 수 있는 메리트가 있다. 그리고 전동화한 때에는 전차와 같이 항상 인프라에서 에너지를 받아 언제 어디서나 급전이 가능하다.

전차는 정해진 구간을 달리며 가선에서 전력을 접촉하면서 공급받지만 무선급전을 이용하면 비교적 자유롭게 에너지를 공급받을 수 있으므로 전기자동차라도 주행 중 충전도 가능해진다. 비행기의 경우는 마이크로파 전송이라는 꿈의 급전기술도 생각할 수 있다.

자동주행 실현될까? 차를 운전하지 않게 되는 날

교통 시스템이 진보함에 따라 안정성은 서서히 높아져 가지만 비약적으로 안전이 높아지는 변혁기가 있다. 바로 자동주행의 실용하다.

IEEE의 예측에 따르면 2040년에는 75%의 차가 자동주행할 것으로 보인다. 차는 온디맨드로 자택에서 목적지까지 자동으로 운반해 주는 편리한 탈것이 된다.

언젠가 드라이브라는 개념은 희박해지고 차 안은 프라이빗 공간이 되어 이동 중에는 넷을 하거나 영화를 보거나 컴퓨터로 일을 하는 시대가 될 것이다. 그리고 모든 차의 움직임이 정체 예측에 반영되어 원하는 곳으로 데려다 주기 때문에 교통사고는 제로에 가까워질 것이다.

이것은 안전면에서는 기쁜 일인 동시에 드라이빙(수동운전)이라는 하나의 즐거움의 종언을 의미하기도 한다. 절대적인 안전을 우선하는 거라면 드라이빙은 불필요하지만 차를 운전하는 것의 즐거움이 사라지는 것은 매우 유감스러운 일이다. 

유일하게 수동운전이 살아남을 길은 가솔린차에 대해 100배 안전한 전기자동차의 압도적인 강점을 이용해서 수동운전이라도 자동운전에 필적할 만한 안전성을 담보할 수 있음을 증명하는 것이다.

 
어쨌든 언제 어디서나 자동으로 차가 사람을 운반하는 일이 계획적으로 이루어지면 정체를 줄이기 위해 신호의 타이밍도 리얼타임으로 계산되어 사회 전체의 시스템으로서 에너지가 최소가 되도록 운용될 것이다. 당연히 에너지는 끊임없이 무선급전에 의해서 공급된다. 

이러한 사회에서는 카 셰어가 보편화될 가능성이 있다. 개인 소유 차의 메리트는 원하는 시간에 언제라도 차를 사용할 수 있다는 점과 드라이빙의 즐거움에 있다. 

그러나 완벽한 온디맨드형 무인주행 시스템을 갖춘 카 셰어링에 의해 개인 소유 차의 메리트와 거의 동등한 이점을 누릴 수 있을 뿐 아니라 주차장도 필요하지 않는 메리트도 생긴다.

사라지는 것은 자신의 차라는 소유권과 애착이다. 즉 현재로는 개인이 차를 소유해도 하루 중 통근 이외에는 거의 가동하지 않고 주차장에 놓여 있기 때문에 가동률이나 주차장 점유율에서 생각하면 매우 아까운 상황이다. 

이 문제는 카 셰어링에 의해서 가동률이 압도적으로 증감함으로써 자연스럽게 해결될 것이다.

특히 지역과 시간대별 이용자 분포를 생각해서 리얼타임으로 차가 무인으로 이동하고 최적 배치되어 있다면 항상 가까운 장소에 사용하지 않는 차가 대기하고 있으므로 대기 시간 없는 온디맨드의 교통 시스템을 구축할 수 있다. 

즉 이것이 온디맨드형 무인주행 시스템을 갖춘 카 셰어링이다. 반복하지만 잊어서는 안 되는 것이 무선급전이다. 에너지의 공급을 사람이 수동으로 충전한다면 이 콘셉트는 붕괴한다. 

그렇게 간단히 자동운전 사회가 실현될 수 있을까 하는 회의적인 의견도 있다. 당연히 그렇게 생각하지만 하나의 방향성으로 제시해 봤다.

다종다양한 탈것이 존재하고 그리고 전기자동차에서도 수동운전과 자동운전이 공존하고 이행하는 기간에는 혼돈이 이어질 것이다.

새로운 기술이 탄생하는 여명기·과도기는 혼란과 함께 새로운 기술이 생겨나는 시대이기도 하며 기회가 찾아올 것이다.

정리 : 김혜숙 기자 (atided@hellot.net)