무선화: 전기차의 새로운 충전 방식
사상 최고 속력의 McLaren 차량을 무선으로 충전하기
McLaren Speedtail Hyper-GT는 영국 자동차 제조업체가 만든 역대 가장 빠른 차량입니다. 테스트가 끝나갈 무렵, 세련된 가스-전기 하이브리드 스포츠카의 프로토타입이 플로리다에 있는 NASA 활주로인 Johnny Bohmer Proving Grounds에서 시속 403km(시속 250마일)의 속도를 기록했습니다. 2020년 생산 모델의 사양에 따르면 13초 안에 시속 0에서 300km(186마일)까지 도달할 수 있다고 합니다.
공기 역학적인 3인승 차량을 사용하지 않을 때마다 경량 배터리를 충전하기 위해, McLaren은 Lumen Freedom과 협력하여 WEVC(무선 전기차 충전) 시스템을 도입했습니다. Speedtail은 세계 최초로 이 기술을 탑재한 차량입니다.
"미래에는 다양한 형태의 충전이 제공될 것입니다. 현재는 정적이지만, 앞으로는 준동적 방식으로 전환할 예정입니다. 마지막 단계는 완전 동적 충전으로, 시속 100km 이상의 속도로 달리며 충전할 수 있습니다."
Lumen Freedom의 총괄 매니저인 Rod Wilson과 소프트웨어 팀 책임자인 Radek Pesina에 따르면, 유도 또는 무선 충전이 휴대전화, 스마트워치 및 기타 소형 기기에 점점 더 보편화되고 있지만, Lumen Freedom의 Speedtail용 무선 시스템은 전기차에 대한 고유한 솔루션입니다.
![차량 바로 앞 지면에 놓인 베이스 패드에 접근하는 McLaren Speedtail의 측면.](https://kr.mathworks.com/company/mathworks-stories/wireless-charging-for-electric-vehicles/_jcr_content/mainParsys2/columns_1912233028_c/02542e5d-1b7b-48e6-aacb-5a47c2a43a5c/columns_963905119_co_220301073/d2de9858-1875-47d0-b599-1cdb27f41cfa/image.adapt.full.medium.jpg/1735057859792.jpg)
베이스 패드에 접근하는 McLaren Speedtail. (이미지 출처: McLaren Automotive Ltd.)
무선 충전은 전기차 고객, 특히 장애인에게 더 편리합니다. 또한, 이러한 시스템은 도시 지역의 시각적 혼잡을 줄이고 기존 플러그인 충전소보다 적은 공간을 차지합니다.
결국 무선 시스템은 신호등에서 멈춘 차량과 고속도로를 따라 달리는 차량을 충전함으로써 주행거리 관련 불안을 없앨 수 있을 것입니다. Wilson은 '미래에는 다양한 형태의 충전이 제공될 것'이라고 말했습니다. "현재는 정적이지만, 그다음에는 준동적 방식으로 전환할 예정입니다. 마지막 단계는 완전 동적 충전으로, 시속 100km 이상의 속도로 달리며 충전할 수 있습니다."
Lumen Freedom에게 Speedtail 프로젝트는 단지 시작일 뿐입니다. 생산에 바로 투입 가능한 이 시스템은 현재의 자동차 설계, 운송, 심지어 전력망까지 혁신시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
충전 성능 테스트
WEVC 시스템은 코드, 플러그, 부피가 큰 충전소 대신 공진 유도 자기 결합을 사용합니다. 전원에서 나온 전류는 차량 아래 지면에 있는 송신 패드에서 공극을 거쳐 차량에 내장된 수신 패드로 이동합니다. 전력 전달 효율은 92% 이상입니다.
그라운드 어셈블리와 차량 어셈블리는 무선으로 통신합니다. 운전자는 차량에 장착된 10인치 터치스크린이나 스마트 기기의 앱을 사용해 충전 시스템을 모니터링할 수 있습니다. 높은 지상고 덕분에 이 시스템은 고성능 스포츠카부터 가족용 세단과 SUV에 이르기까지 모든 차량 유형과 호환됩니다.
Lumen 충전 패드를 사용한 전기차 충전. (비디오 출처: Lumen Freedom)
Lumen Freedom은 2016년 창립 이래 WEVC의 개념을 개선하고 세계 최초의 단일 박스 11KW 시스템을 개발했습니다. Lumen Freedom은 이제 완전한 Witricity의 인정 라이센스를 취득했습니다.
Lumen Freedom은 물리적 테스트를 위해 다양한 방식을 채택하고 있습니다. 갠트리라고 불리는 대형 알루미늄 프레임이 고전압 Regatron 전원 공급 시스템에 연결되어 실제 작동 및 전력 요구사항을 시뮬레이션하는 데 도움을 줍니다. "당신은 얼마나 많은 전력이 주변으로 소산되는지, 그리고 얼마나 많은 전력이 실제로 결합되는지 알아낼 수 있어야 합니다."라고 Pesina는 말했습니다.
![차량 내부의 휴대폰에 이물질 경고 메시지가 표시됩니다.](https://kr.mathworks.com/company/mathworks-stories/wireless-charging-for-electric-vehicles/_jcr_content/mainParsys2/columns_1912233028_c/02542e5d-1b7b-48e6-aacb-5a47c2a43a5c/columns_copy/2a73297d-9b42-4329-91c9-01484f11c9e3/image.adapt.full.medium.jpg/1735057860058.jpg)
충전 패드에서 이물질이 감지되면 운전자의 휴대폰으로 경고가 전송됩니다. (이미지 출처: Lumen Freedom)
무선 전기차 충전의 경우, 시스템에 고급 하이브리드 위치 지정 기술이 통합되어 있으므로 차량이 베이스 패드 위에 정렬되지 않는 문제가 발생하지 않습니다. Lumen 팀은 컴퓨터 제어 스테퍼 모터로 높이를 조정하고 정렬 연구를 위해 X와 Y 위치를 조정하여 정렬을 테스트했습니다.
팀은 시뮬레이션을 통해 시스템 소프트웨어에 안전 프로토콜을 구축하여 패드 센서에서 감지된 극단적인 정렬 오류가 자동으로 전체 충전 시스템을 끌 수 있도록 했습니다. WEVC 시스템은 지면 패드 위에 있는 종이 클립만큼 작은 금속 물체를 감지할 수 있는 이물질 감지 시스템을 통합했습니다. 그런 다음 앱을 통해 운전자에게 장애물에 대한 경고를 보냅니다. 이물질이 제거될 때까지 시스템이 종료됩니다.
모델 기반 설계로 개발 가속화
Wilson은 자동화된 안전 제어 기능이 Lumen Freedom 제품뿐만 아니라 모든 시스템에 표준으로 적용된다는 점을 빠르게 지적했습니다. 그러나 모델 기반 설계를 도입함으로써 제어 개발 공정이 가속화되었습니다.
그라운드 어셈블리 및 차량 어셈블리를 비롯한 전체 시스템의 핵심 소프트웨어 모델과 주요 로직은 MATLAB® 및 Simulink®로 설계되었습니다.
구체적으로, MATLAB 및 Simulink는 차량 및 그라운드 어셈블리 간의 통신을 관리하는 전기차 통신 컨트롤러를 개발하는 데 중요한 역할을 했습니다. 이 컨트롤러는 차량 충전 패드와 차량 내부 배터리 관리 시스템에 중요한 메시지를 보냅니다. Pesina는 이 통신이 유선 컨트롤러에서 Wi-Fi 기반 컨트롤러로 전환되어야 한다고 설명했습니다.
"[MATLAB 및 Simulink에서 시스템을 모델링하는 것은] C 코드로 작성하는 것보다 몇 배나 더 빨랐습니다. 시뮬레이션하고 테스트하기가 훨씬 간단하다는 것은 말할 것도 없습니다."
Lumen의 개발자는 메인 상태 머신을 모델로 빠르게 옮길 수 있었습니다. Pesina는 "대략 3~4일 만에 초안이 완성되었습니다"라고 말했습니다. "그것은 완벽하게 작동하고 있었고, C 코드에서 상태 머신이 수행하던 것과 동일한 작업을 수행했습니다."
![(좌) 충전패드 위의 고양이 일러스트 (우) 전기차 통신 컨트롤러](https://kr.mathworks.com/company/mathworks-stories/wireless-charging-for-electric-vehicles/_jcr_content/mainParsys2/columns_1912233028_c/02542e5d-1b7b-48e6-aacb-5a47c2a43a5c/columns_copy_1259692_1875101885/f9d86f37-c7a9-4013-91c3-4fda42f87ca1/image_copy_copy_copy.adapt.full.medium.jpg/1735057860222.jpg)
전기차 통신 제어기가 관리하는 생체물체 알림. (이미지 출처: Lumen Freedom)
새로운 요구사항 변경으로 인해 상태 머신을 완전히 재구성해야 했습니다. 개발자는 그것을 하루 만에 끝냈습니다. Pesina는 "C 코드로 작성하는 것보다 훨씬 빠르게 완료되었습니다."라고 덧붙였습니다. "시뮬레이션과 테스트가 훨씬 간단하다는 것은 말할 것도 없습니다."
통신 모델, 전력전자, 상태 머신을 모델로 구현함으로써 시스템 전체의 작동을 더 쉽고 안전하게 시뮬레이션할 수 있게 되었습니다. 개발자들은 전력 전송을 하지 않고도 실험대에서 무선 충전 시스템을 한 사이클 내내 실행할 수 있었습니다. 이를 통해 고전압 및 전류 레벨을 사용하는 별도의 통제된 테스트를 위해 갠트리 및 기타 장비를 확보할 수 있게 되었습니다.
코드 절단
Lumen Freedom 팀은 OEM과 인프라 제공업체가 WEVC 시스템을 도입하여 광범위한 변화를 가져올 것으로 예상합니다. 하나의 이점은 전기차 배터리의 크기가 결국 작아진다는 것입니다. "무선 충전과 무선 충전 접근성이 보다 일반화됨에 따라, 탑승 시 많은 에너지를 휴대할 필요가 없기 때문에 배터리 크기가 줄어들 것이라는 전망이 나오고 있습니다."라고 Wilson은 말했습니다.
"우리 시스템은 수요가 있을 때 vehicle-to-home, vehicle-to-grid 시나리오로의 전환에 대비할 준비가 될 것입니다."
무선 충전으로 인해 vehicle-to-home, vehicle-to-grid 시나리오가 더욱 가까워질 수도 있습니다. Wilson은 전기자동차가 주택에 전력을 공급하거나 전력망에 전기를 판매하는 통로 역할을 할 것이라고 예측합니다. 사용자는 원하는 보존 수준으로 배터리 저장량을 설정하고 자동차나 집에서 버튼을 누르기만 하면 에너지 전송이 시작됩니다. 완전히 충전된 차량에서는 조명, TV, 소형 가전제품을 작동할 수 있습니다. 고전력 가전제품의 경우 시스템은 전력망에서 전력을 공급받습니다.
Wilson은 "그 테스트와 개념 증명은 모두 완료되었고, 플러그인 시스템이 있는 많은 국가에서 실제로 시행되고 있습니다."라고 말했습니다. "수요가 생기면 우리 시스템은 그 전환에 대비할 준비가 될 것입니다."
Pesina는 이러한 시스템이 전력망을 안정화하고 에너지 회사가 정전 발생 가능성이 있는 지역에 배치할 수 있는 추가 에너지를 제공할 것으로 예상합니다.
Vehicle-to-grid 연결은 재생 에너지 활용을 촉진할 수 있습니다. Pesina는 테슬라 파워월이 전원이 꺼져 있어도 집에 전력을 공급할 수 있다는 점을 지적했습니다. 전기차도 비슷한 방식으로 작동할 수 있는데, 지역에서 정전이 났을 때 가정용 태양광 발전 시스템을 충전하는 것입니다.
WEVC 시스템 자체도 발전하고 있다. Wilson은 "충전 패드가 아스팔트 아래 야외에 묻혀 있을 경우, 눈이나 우박에 덮여 있어도 차량으로 계속 전송됩니다."라고 말했습니다.
Lumen의 시스템은 정지해 있는 차량, 신호에서 기다리는 차량, 심지어 장비가 장착된 차선에서 주행하는 차량도 충전할 수 있습니다. (비디오 출처: Lumen Freedom)
Lumen Freedom은 영국에서 탄소 배출이 없는 택시와 소형 상용차를 위한 준동적 충전 시스템을 개발하고 있습니다. 반동적 충전 방식은 차량을 멈추고 전원을 연결할 필요가 없습니다. 그 대신, 시스템은 택시 대기열을 통과할 때 요금을 청구하고, 픽업 라인에서 각 자리를 올라갈 때마다 약간씩 재충전합니다.
완전 동적 충전도 현실에 더 가까워졌습니다. Fabric이라는 다년간의 유럽 프로젝트에서는 일반적인 주행 속도로 움직이는 전기 자동차의 동적 무선 전력 전송을 분석했습니다. 2018년에 마무리된 테스트에서는 프랑스의 100m 길이의 테스트 시설을 이용해 시스템을 테스트했습니다. 이 프로젝트는 중기적으로 도시 버스와 장거리 화물 운송로, 물론 국내 자동차에 동적 무선 전송이 가능해 보인다는 것을 보여주었습니다. 동적 충전 기능은 장거리 고속도로 주행 시에도 주행 거리에 대한 불안감을 없애고 끊김 없는 충전을 제공합니다.
자율주행 차량 테스트가 늘어나면서 무선 EV 충전이 등장하고 있습니다. 2020년 8월, 미시간주는 Ann Arbor와 Detroit 사이에 자율주행차 전용 도로인 64km(40마일) 도로를 건설하는 방안을 검토할 계획이라고 발표했습니다. 몇몇 주요 자동차 제조업체가 의견을 제공하기로 동의했습니다. 아이디어는 공유 차량으로 시작한 다음 개인 차량과 화물 차량으로 확장하는 것입니다.
Wilson은 전 세계 도시들이 이동하면서 충전이 가능한 자율주행 전기차를 위한 구역을 지정할 것으로 예상합니다. "급격하게 다가오고 있어요"라고 그가 말합니다. "우리는 크고 밝은 무선 미래를 기대하고 있습니다."