머지않은 미래에 전기자동차가 달리면서 충전할 수 있게 될 전망이다.
16일 울산과학기술원(UNIST) 전기전자공학과 변영재 교수팀은 주행중인 전기자동차에 무선으로 전력을 공급할 수 있는 '무선전력 공급 트랙'을 개발했다고 밝혔다. 이 트랙을 달리면 차량에 끊김없이 전력을 공급받을 수 있어, 배터리 무게를 최소화할 수 있다.
'무선전력 공급 트랙'은 일자 형태의 전자파 발생기에 전류를 흘려보내 근처에 원형의 자기장을 만들고, 이 자기장이 전기자동차 하단에 부착된 고리 형태의 전력 수신기를 통과하면서 전력이 무선으로 전달되는 방식이다. 이 기술은 여러 개의 전선으로 넓고 강한 자기장을 형성시키는 방식으로, 자기장 범위가 넓어지면서 전력이 효율적으로 전달된다. 전기차는 이 넓은 자기장이 형성한 전력 공급 트랙 위에서 유연하게 주행할 수 있다.
연구팀은 높은 효율로 일정한 전력을 보낼 수 있게 전자파 발생기를 구성하는 전선의 가닥수와 간격을 최적화하는 알고리즘도 확보했다. 전력수신기(Receiver)는 전력발생기로부터 전력을 최소한의 손실로 받기 위해 강자성체를 포함해 H형 강자성체로 설계돼 전기차가 다양한 주행 방향과 각도에서 효율적으로 전력을 수신할 수 있도록 했다.
기존에도 도로 위에서 무선으로 전기차를 충전하는 기술이 존재했지만, 대개 아스팔트 바닥 밑에 크고 복잡한 구조물을 설치해야 했다. 또 도로 송신부와 전기차 수신부 양측 모두 고가의 강자성체를 부착해야 했다. 게다가 코일 형태의 송신부와 수신부의 전선이 맞닿을 때에만 충전이 가능해 주행과정에서 끊김현상이 반복적으로 발생하는 한계가 있었다.
이에 비해 이번에 개발된 기술은 도로에 직선 도선만 깔아놔도 자기장을 효과적으로 받아들일 수 있게끔 전기차 수신부를 획기적으로 개선했다. 도로 송신부는 값비싼 강자성체를 부착할 필요도 없어, 설치비용이 종전보다 90% 줄일 수 있다는 게 연구팀의 설명이다. 또 전선이 코일 형태가 아니기 때문에 끊김현상도 없다는 장점도 있다.
다만 직선 도선의 경우 충전효율이 떨어질 수 있는 문제가 있어 연구팀은 수신부 강자성체 내부에 생기는 자기 손실을 억제하기 위해 인위적인 공기층을 포함해 전력 전달 효율을 90%까지 끌어올렸다. 연구팀은 "최적화된 전력 발생기와 수신기를 이용해 경로의 수평 방향, 수직 방향, 회전 주행에서 효율을 측정한 결과, 최저 효율 82%, 최고 효율 90%의 안정적인 유연 주행을 보장하는 결과를 얻었다"고 밝혔다.
무선전력 공급 기술이 실생활에 적용될 수 있도록, 연구팀은 전기전자공학자협회(IEEE) 및 국제비전리복사보호위원회(ICNIRP) 표준 인증 등 인체 안전성 검증도 마쳤다.
연구팀은 이 기술이 적용되면 전기차 배터리 양을 크게 줄일 수 있어 리튬과 같은 자원채취로 인한 공해와 비용을 줄이는 등 전기차 시장이 '캐즘'을 넘어서도록 돕는 하나의 솔루션이 될 것으로 기대하고 있다.
변영재 교수는 "전기차 무선충전의 맹점 중 하나로 휴대폰 충전할 때처럼 코일끼리 마주보도록 놓여야지만 충전되는 '얼라인먼트 이슈'가 있었는데, 이번에 직선 도선으로도 자기장을 고효율로 받아들일 수 있는 수신부를 개발하면서 극복했다"고 설명했다.
조현경 제1저자는 "이 기술이 전기차에 적용되면 긴 충전 시간과 짧은 주행거리 문제를 해결할 수 있다"며 "배터리 양을 줄이면 리튬 등 자원 채취로 인한 공해도 줄일 수 있어 천연자원의 지속가능한 사용도 가능하다"고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지 '어플라이드 에너지'(Applied Energy) 12일자 온라인에 게재됐다.
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