전기차의 무선 충전: Qi2 기술과 미래 전망

환경친화성과 경제적 이점을 둘 다 갖춘 전기 자동차(EV)는 차량 환경을 빠르게 이끌고 있습니다. 국제에너지기구에 따르면 2030년까지 총 1억 3천만 대의 전기차가 운행될 것으로 예상됩니다¹. 이와 동시에 전기자동차 무선 충전 시스템 시장 또한 2027년까지 8억 2,500만 달러²에 달할 것으로 예상됩니다.

미국에서 신차 및 중고 전기차³에 대해 각각 최대 7,500달러와 4,000달러의 전기차 세액을 공제하는 등 혁신적인 교통 수단에 대한 큰 관심과 지원이 놀라운 일이 아닙니다. 하지만 에너지 효율과 제조 배출량에 대한 제한을 우회하여 전기차가 진정한 주류로 채택될 수 있을까요? 

전기차는 충전 없이 얼마나 멀리 갈 수 있나요?

지금까지 전기차는 고정식 충전소에 연결된 케이블을 통해 전력을 공급 받았습니다. 평균적으로 전기차는 한 번 충전으로 110~300마일을 주행할 수 있습니다. 이는 대부분의 출퇴근에는 충분하지만, 충전 시간 동안 30분에서 20시간⁴ 동안 전기차를 사용할 수 없다는 점은 전기차 보급에 큰 장애물이었습니다. 게다가 도시에 충분한 충전소를 설치하는 것은 모든 정부나 관할 구역에서 감당하기 쉽지 않은 일입니다.

출처: Energy5

동적 무선 충전으로 전기차의 주행 거리를 더욱 늘리기

대부분의 도시에서 현재 인프라 수준은 운전자와 승객의 '주행 거리 불안^'5을 해소하기에 충분하지 않습니다. 50kW 급속 충전기를 사용하면 기술적으로 35분 이내에 약 100마일을 충전할 수 있지만⁶ 엔지니어와 도시 계획가들은 보다 편리한 솔루션, 즉 동적 무선 충전이라는 솔루션을 고안해내고 있습니다.

자동차 엔지니어들은 2022년 스웨덴 고틀란드의 1.6km 도로에서 시범적으로 아스팔트 도로에 매립된 구리 코일과 차량 내 수신기 사이의 충전을 유도하는 데 성공했습니다. 일본의 가시와노하 스마트 시티 프로젝트⁷의 도시 계획가들은 이 개념을 더욱 발전시켜 도로 매립형 전력 전송 코일의 내구성을 장기간에 걸쳐 관찰하고 있습니다.

대부분의 무선 충전 시스템은 충전 패드와 송신기처럼 에너지를 많이 소모하는 구성 요소로 이루어져 있으며, 사용하지 않을 때에도 전력망에서 지속적으로 전력을 끌어옵니다. 도로가 비어 있을 때 에너지 낭비를 최소화하기 위해 스마트 시티 프로젝트의 코일은 대기 상태에 놓이게 됩니다. 지바현 가시와시 관계자는 이 테스트(2025년 3월까지 진행)가 성공하면 2030년까지 도로 내 충전으로 자동 셔틀버스를 운행하는 것을 목표로 하고 있습니다. 전력 전송을 도로 인프라에 통합하면 더 낮은 배터리 용량으로도 전기차를 운행할 수 있어 더 가볍고 제조 집약적인 전기차를 만들 수 있으며 고정 충전소의 필요성도 완화할 수 있습니다.

전기차에는 어떤 유형의 무선 충전이 사용되나요?

무선 충전 기술은 유선 충전 기술보다 느리다고 생각하는 경우가 많지만, 최근 고도로 결합된 인덕터를 사용하는 근거리 충전 시스템이 개발되면서 방사선을 통한 에너지 손실을 방지하고 무선 유도 충전 시스템의 효율이 직류(DC) 고속 충전기보다 1~2% 포인트 더 높은 것으로 나타났습니다⁸. 무선 충전 방식을 자세히 살펴보고 현재 전기차가 충전되는 방식과 앞으로 충전될 수 있는 방식을 이해해 보겠습니다.

유도 충전 (Inductive charging)

유도 충전은 무선 전기차 충전에 가장 일반적으로 사용되는 방식입니다. 자기 코일을 사용하여 송신기와 수신기 간에 에너지를 전송합니다. 송신기 코일 내에서 생성된 교류 자기장이 수신기 코일 내에서 교류를 유도하며, 전송되는 에너지의 양은 두 코일 사이의 거리의 제곱에 비례합니다. 이 충전 방식은 2012년 9월에 Qi 규격⁹에 기반한 무선 충전 기능을 갖춘 최초의 상용 스마트폰인 Nokia 920에 의해 처음 대중화되었습니다. 

유도 충전의 이온화 효과에 대한 건강상의 우려가 있었지만, 스위스 연방 에너지청에서 유도 충전 제품의 비흡수율(SAR)이 허용 한도보다 1,000배¹⁰ 낮은 것으로 밝혀짐에 따라 이러한 우려는 곧 해소되었습니다. 그러나 유도 충전의 유효 거리가 10mm 미만으로 짧고 코일 정렬에 민감하다는 점은 여전히 한계로 남아 있습니다.

자기 공명 (Magnetic resonant) 

유도 기술의 원리를 기반으로 하는 자기 공진 충전은 송신기 코일 내에서 특정 주파수의 진동 자기장을 생성합니다. 이러한 자기장 주파수는 수신기 코일의 주파수와 일치하므로 약 32~50mm의 먼 거리에서도 전력을 전송할 수 있으며 코일 정렬 제한을 없애 하나의 송신기에서 여러 수신기로 전하를 전송할 수 있습니다¹¹. 현재까지 자기 공진 충전은 안전한 SAR을 유지하면서 테이블과 데스크톱에 성공적으로 적용되었습니다. 

무선 주파수 (Radio frequency, RF) 

RF 충전은 자기장 대신 최대 15피트 거리에서 효과적인 전자기파를 통해 전력을 전송합니다. 이 충전 방식은 전자 수신기가 RF 파를 직류 전압으로 변환하는 충전 수신 방식에서 그 이름을 따왔습니다. 다양한 유형의 무선 충전 중에서 RF 기술은 크기와 모양 면에서 가장 자유롭고 하나의 송신기로 여러 대의 디바이스에 동시에 전원을 공급할 수 있습니다.

RF 무선 충전 방식은 아직 널리 사용되지는 않지만 향후에는 게임 컨트롤러, 연기 감지기, 보안 카메라, 의료 기기, 재고 스캐너는 물론 차량 내 및 사무실 내 충전에 RF 기술이 통합될 수 있을 것으로 보입니다.

전기차의 종류와 환경에 미치는 영향

충전 만이 전기차가 극복해야 할 유일한 장애물은 아닙니다. 친환경성을 강조하는 모든 주장에도 불구하고 중형 전기차는 여전히 제조 과정에서 기존 자동차에 비해 2~3톤의 이산화탄소를 더 배출하며¹³, 이러한 배출량의 대부분은 충전식 배터리 제조에서 발생합니다. 

즉, 전기차는 무탄소 추진 시스템¹⁴ 덕분에 약 15,000~20,000마일 주행 후 탄소 배출량이 손익분기점에 도달할 것으로 예상되며, AI 통합과 재생에너지가 에너지 그리드에 빠르게 통합되면 이 한계점은 더욱 낮아질 것으로 예상됩니다. 

새로운 무선 충전 표준의 도입이 전자 폐기물의 증가로 이어질 수 있다는 우려도 있습니다. 이미 널리 알려진 Qi 무선 충전 표준은 스마트폰, 공용 공용 충전기, 차량용 충전기 등 600여 종의 기기¹⁵에서 사용되고 있습니다. 배터리와 관련된 토지 및 수질 오염을 방지하기 위해 연구자들은 전기차 배터리 재활용 공정을 연구하고 있습니다. 재활용 재료로 새로운 EV 배터리를 생산하는 것이 성공할 경우, 생산 과정에서 배출되는 이산화탄소를 최대 28%까지 줄일 수 있습니다¹⁶.

전기차가 환경에 미치는 영향과 친환경 기능의 전체 범위를 이해하기 위해 전기차를 통해 배기가스가 어떻게 발생하고 방지되는지 자세히 살펴보겠습니다.

배터리 전기 자동차(Battery electric vehicles, BEV)

플러그인 또는 순수 전기차라고도 하는 BEV는 전기 모터에 의존하며 배터리 전원으로만 작동합니다. 이는 또한 BEV가 주행 과정에서 배기가스를 전혀 배출하지 않는다는 것을 의미합니다. 또한 일부 BEV에는 제동 시 발생하는 운동 에너지를 다시 전기로 변환하여 차량을 재충전하는 회생 제동 시스템이 장착되어 있습니다.

하이브리드 전기 자동차 (Hybrid electric vehicles, HEVs)

기존의 연료와 배터리 동력을 결합하여 작동하는 하이브리드 전기차는 기존 내연기관(ICE)과 전기 모터의 동력을 활용합니다. 순수 EV와 달리 HEV 배터리는 충전을 위해 플러그를 꽂을 수 없습니다. 대신, 사용자는 동일한 회생 제동 시스템을 사용하여 배터리를 충전함으로써 가솔린 엔진에서 더 많은 주행 거리를 얻을 수 있습니다. 따라서 HEV는 배출가스를 발생시키기는 하지만 일반적으로 기존 자동차보다 환경 파괴가 적습니다.

플러그인 하이브리드 전기차동차 (Plug-in hybrid electric vehicles, PHEVs)

PHEV는 HEV와 매우 유사하게 작동하지만, 가장 큰 차이점은 전원 콘센트와 공공 충전소를 통해 PHEV 배터리를 충전할 수 있다는 점입니다. 또한 PHEV는 배터리 전원만으로 더 먼 거리를 주행할 수 있습니다. 연료 탱크는 배터리 전력이 특정 임계값 이하로 떨어질 때만 작동합니다. 다시 말해, PHEV는 연료 탱크가 안전장치 역할을 하는 일반 전기차와 같은 방식으로 작동합니다.

수소 또는 연료전기 전기자동차 (Hydrogen or fuel cell electric vehicles, FCEVs)

수소전기차는 현재 호주에서 연구 중인 신흥 기술입니다. 수소와 산소 사이의 전기 화학 반응에 의존하여 전기 모터에 동력을 공급합니다. 아직 일상적으로 사용할 수 있는 것은 아니지만 수소전기차는 향후 매우 효율적인 청정 교통수단이 될 수 있습니다. 기존 자동차와 마찬가지로 수소전기차는 5분 이내에 수소 가스를 충전할 수 있으며 300마일 이상의 주행 거리를 제공합니다¹⁷.

모든 언론 보도에 따르면, 태양광 발전소의 재생 가능 에너지¹⁸와 LiDAR 센서의 AI 지원 내비게이션과 같은 더 많은 구성 요소가 현재 구체화되고 있어 EV 산업이 여전히 발전하고 있다는 점을 인식하는 것이 중요합니다. 전기차 산업이 어떻게 발전하든, 전 세계 기업과 정부가 이미 전기차 산업 발전을 위해 많은 투자를 하고 있는 것은 분명합니다. 전기차를 통해 더 깨끗하고 편리하며 비용 효율적인 자동차 소유가 가능해지기를 기대합니다.

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엔지니어링 테스트 서비스 및 자동화 테스트 솔루션 분야의 글로벌 리더인 GRL의 목표는 제조업체와 OEM이 상상할 수 있는 최고의 전기차를 실현하도록 돕는 것입니다. 여기에서 자동차 관련 컴플라이언 테스트 서비스를 확인하거나 테스트, 설계 및 디버깅에 대한 문의사항이 있으면 GRL에 문의하세요.

References

1. Energy5 Your Way. The Future of Electric Vehicle Charging: A Convenient Solution for Autonomous Vehicles.
2. EV Charging Summit. Everything You Need to Know About Wireless EV Charging.
3. Courtney Lindwall. Nov 17 2023. Electric vs. Gas Cars: IsIt Cheaper to Drive an EV? NRDC.
4. Energy5 Your Way. 14 Nov 2023. The Cost of Electric Car Charging Stations: Are They Worth the Investment?
5. U.S. Department of Energy. At a Glance: Electric Vehicles.
6. Pod Point. 16 Nov 2023. How Long Does It Take to Charge an Electric Car?
7. Dan Robinson. 17 Oct 2023. Japan cruises ahead with drive-thru EV charging trial. The Register.
8. Florian Nägele and Shivika Sahdev. April 3 2023. Perspectives on wireless and automated charging for electric vehicles. McKinsey & Company.
9. Lucas Mearian. Mar 18 2018. Wireless charging explained: What is it and how does it work? ComputerWorld.
10. Electronics Devices & Networks Annex (EDNA). July 2019. Global Forecast of Energy Use for Wireless Charging.
11. invisQi. Wireless Charging at a Distance - How Long Is Too Long?
12. PTI. 23 Nov 2023. Wireless EV charging? Here’s how e-transport will look like in 10 years. The Economic Times.
13. Russell Campbell. 17 Aug 2022. Car pollution facts: from production to disposal, what impact do our cars have on the planet? Auto Express.
14. James Morris. 18 Jun 2022. We Need To Measure Total Lifecycle Emissions For Cars — But EVs Still Win. Forbes.
15. Zens. Qi enabled phones with wireless charging-compatible devices.
16. McKinsey & Company. 13 Mar 2023. Battery recycling takes the driver’s seat.
17. U.S. Department of Energy. Alternative Fuels Data Center.
18. Beth P. 15 Jan 2024. Wireless Charger for Car: Tesla Confirms Development of Groundbreaking Charging Technology. Energy Matters.