전기차 상용화의 걸림돌인 배터리 문제 선결돼야
전 세계 자동차 기업에서는 전기차의 무선충전 시스템 상용화에 힘쓰고 있다. 이에 OLEV에서 개발한 무선충전 기술의 콘셉트와 세계 각국과 국내에선 어떤 노력을 하고 있는지 그 상용화 사례에 대해 알아본다.
전기자동차(이하 전기차)에 대한 내용은 많이 접할 수 있지만 현실적으로 전기차를 타보거나 운행하는 것을 보는 경우는 굉장히 드물다. 왜 전기차가 생각보다 상용화되지 못했을까? 가장 큰 문제점은 바로 배터리다.
배터리는 무게가 많이 나가고 가격이 굉장히 비싸다는 근본적인 취약점이 있다. 전기차가 비싼 이유도 배터리가 비싸기 때문이다. 또한 배터리가 차지하는 부피가 상당히 큰데, 기존의 엔진 차에 비해 최소 2배, 많게는 3배 이상의 공간이 필요하다. 또한 충전에 소요되는 시간에 비해 오래 운행하지 못한다.
그리고 전기감전에 대한 불안감이 있다. 배터리와 연관되어 있는 이런 요소들 때문에 그동안 전기차가 상용화에 어려움을 겪은 것이고, 지금도 여전히 문제가 되고 있다.
이 문제를 극복하는 것은 우리나라뿐만 아니라 닛산, BMW 등 전기차를 개발하는 전 세계 기업들의 공통된 과제다. 그리고 이 과제를 극복하기위한 기술적 구현 방법은 각 기업마다, 기술에 대한 특허마다 달라질 것이다.
OLEV의 기술 콘셉트
KAIST·OLEV는 배터리를 절반으로 줄이고도 버스를 운행할 수 있을 정도의 충분한 에너지를 공급하는 것, 접촉하지 않고도 충전이 가능하도록 하는 것, 이 두 가지 콘셉트에서 출발했다.
현재 구미에서 전기버스(그림 1 참조)를 운행 중인데, 도로 내부에 케이블을 배치해 버스가 도로의 노란선 위에 정차하면 자동으로 충전이 되는 시스템이다.
▲ 그림 1. 무선충전식 전기버스의 SWOT 분석
이 전기버스는 배터리 용량을 많이 줄였다. 보통 버스 한 대가 움직이려면 용량 250km/h가 필요하지만 100km/h정도의 배터리가 탑재되어있다.
보통의 무선충전은 60Hz를 사용한다. 60Hz에 산업용은 380V, 일반용으로는 220V를 사용한다. KAIST·OLEV에서 만든 인버터는 60Hz를 20kHz로 바꾸고 전압 380V로 나오던 것을 정전류 방식으로 400[A]로 공급을 한다.
굵은 전선을 땅에 묻어 400[A] 전류를 흘려주면 자기장이 발생하면서 2차 픽업 모듈에 유도전류가 생기고, 그 유도전류로 충전을 해 모터를 구동하는 원리다.
문제는 바로 1차축과 2차축의 거리를 얼마나 띄워줄 수 있는지이다. 기본적으로 1차축과 2차축의 코일은 모든 변압기에서 쓰이고 있는데 공급이라고 말하기 어려울 정도로 굉장히 가깝게 붙어있다. 이것을 얼마만큼 띄울 수 있는지가 핵심이다. 그리고 그렇게 띄우기 위해서 어떤 방식을 이용했는지가 효율을 결정한다.
차량 무선전력전송 기술 사례
(1) 일본의 HINO
일본은 현재 투자대비 수준이 낮고, 공급을 많이 하지 않으면서 남의 기술로 접목하는 수준이다. 일본에서 기술이 어느 정도 있는 곳은 히노가 있다.
히노의 전기버스는 2003년 일본 하네다 공항에 투입되어 하네다 공항 내의 셔틀버스로 운행했다. 약 1년 8개월 정도 운영을 했으나 2007년부터 배터리 문제로 운행을 중단했다.
전기버스 제작 시 사용한 돈이 당시 한국 돈으로 20억 원 정도인데, 20억 원 중에서 10억 원 정도가 배터리에 사용됐다. 버스 무게가 보통 10톤 정도인데, 이 버스는 2배나 됐다.
그런데 문제는 배터리의 수명이 5년이라 배터리를 교체해야 했다. 10억 원에 바꾸려니 부담이 되어 셔틀을 CNG(압축천연가스, Compressed Natural Gas) 차량으로 교체했다. CNG 차량은 2억 원 가량 들기 때문에 비용 부담이 비교적 적기 때문에 CNG 차량 3대를 도입하고 전기버스는 운행을 중단하게 됐다.
(2) 뉴질랜드의 Auckland University
오클랜드 대학에서 2008년에 무선충전 기술을 개발했다. 이 기술은 차가 정차해 있을 때 차에 있는 충전 코일이 도로 아래로 내려가 충전을 하고, 충전 후 다시 차에 올라와 부착이 되어 출발을 한다. 이는 효율을 좋게 개선하기 위한 대책이다.
이렇게 만든 기술을 오클랜드 대학이 퀄컴에 500억으로 팔았고, 퀄컴은 닛산에 200억을 주고 기술을 팔아 같이 개발하자고 제안했다.
현재 이 기술은 퀄컴, 일본 등에서 갖고 있고, 여기서 파생되어 나온 것이 맨홀 위에 정차하면 충전이 되게 하는 기술이다.
(3) 미국의 PATH Program
1960년 미국은 이미 무선충전을 시도했었다. 버클리 대학에서 공극을 7.5cm 정도 띄워 소형차를 만들었는데 결과는 좋지 않았다.
그 당시에는 현 과제라 할 수 있는 효율과 전자파 문제보다 더 심각했던 것이 주파수 문제였다. 이 때 당시에 버클리에서 썼던 주파수는 400Hz였다.
400Hz를 쓴 이유는, 100kW의 출력을 내기 위해서 20kHz 주파수를 썼는데, 스위칭을 할 때 20kHz는 1초에 2만 번 스위칭을 해야 한다.
그런데 1990년 당시 기술은 100kW정도의 출력으로 400Hz밖에 못 만든다. 왜냐하면 한 번 스위치가 붙었다 떨어질 때 마다 엄청난 암페어가 발생하기 때문이다. 한번 암페어가 발생하면 스위치가 녹아버린다. 그것을 어떻게 제거할 것이냐가 숙제였는데 그 기술을 확보 못했다.
그런데 400Hz는 가청주파수 계열이라서 소리가 굉장히 시끄러워 오디오 노이즈가 심했다.
또 지금 200A, 400A 쓰고 있는데, 당시에는 효율이 떨어져 공급을 더 많이 해야 했다. 그래서 1000A를 흘렸는데, 그러다 보니 주변에서 커져나가는 자기장이 엄청나서 근처 미디어가 동작을 하지 않았다. 그런데 그 때 당시에 미국에서는 이미 모바일 폰을 시범 운영 하는 중이었는데 모바일 폰이 동작하지 않았다.
주파수가 굉장히 높은데 왜 동작을 안했냐면, 이것은 자기장에 의한 간섭이기 때문이다. 주파수의 간섭이 아니라, 자기장이 워낙 세니까 기계 자체에서 생기는 모든 전류를 잡아먹어버려 아예 동작을 못해 완전히 실패했다.
국내 상용화 모델
(1) 서울대공원 코끼리열차
서울대공원에서 탈 수 있는 코끼리열차는 무선충전 전기자동차다. 열차 모두가 전기차인 것은 아니고, 디젤차와 전기차로 구성되어 있다. 전기차 1대 제작비용이 2억 원, 디젤차 1대 만드는 금액이 1억 원이다. 금액의 차이가 상당하기 때문에 아직 반반씩 운행하고 있다.
(2) 카이스트 캠퍼스 셔틀버스
유일하게 처음으로 버스에 적용을 한 예로, 2012년부터 운행되고 있다.
무선충전 전기차를 상용화하려고 하니, 안전에 문제가 없다는 것을 인정받는데 걸리는 시간이 차를 만드는데 걸린 시간보다 더 많이 걸렸다.
(3) 구미시 전기버스
국토교통부에서 200억 원의 연구비를 지원받아 구미에서 2년에 걸쳐 그동안 나왔던 여러 문제들을 해결하고, 실제로 상용화하기 위해 1년 동안 운행하여 문제가 발생하는지 지켜본다.
계절이나 날씨의 변동, 승객이 많을 때와 적을 때 등 여러 가지 변수를 겪어보고 문제가 없으면 앞으로 구미에 있는 모든 버스를 전기버스로 바꾼다고 한다. 그래서 현재 실제로 2대가 운행되고 있고, 총 6대가 운행될 예정이다.
(4) 오송 철도
새 도심 지하철과 고속철도 60kHz의 인프라시스템 성능평가를 위한 테스트베드를 구축했다. 테스트에 이용하는 5개의 객차로 이루어진 열차이다. 총 500m의 테스트 레일 중 전력선 길이는 30m이다.
전양배 (주)올레브 팀장
신아현 인턴기자 (tls2246@hellot.net)
