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세계 첫 무선 충전 전기 버스, 일반도로 달린다 - 30년간 11조 7000억 원 편익 창출
2013년 2월 28일 (목) 15:00:53 |   지면 발행 ( 2013년 2월호 - 전체 보기 )



충전을 위해 멈출 필요 없이 '무선 충전'하면서 무제한 달리는 전기 버스를 7월부터 탈 수 있다. 시범적으로 구미에서 2대의 전기 버스가 운행을 시작하는데 KAIST 주도로 개발한 무선 충전 전기자동차는 2010년 미국 시사주간지 ≪타임Time≫이 꼽은 세계 최고 50대 발명품 가운데 하나로 선정되기도 했다. 그간 전기자동차는 배터리의 주행 거리, 무게, 가격, 용량, 충전 소요 시간, 인프라 구축 등이 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔는데 이번에 대중 앞으로 성큼 다가선 무선 충전 전기자동차는 이러한 문제들을 동시에 해결한 것으로 평가받는다.

정리 박지혜 기자 자료협조 KAIST 무선전력전송연구센터 042-350-6683 http://olev.kaist.ac.kr

2009년 개발 착수한 무선 충전 전기 버스(온라인 전기 버스, OLEV)가 개발을 완료하고 상용화에 성공, 7월부터 구미시 일반도로를 운행할 예정이다. 전기 버스 2대가 구미시 버스 노선 왕복 24㎞ 구간 시범 운행한다. 주행 중에 무선으로 충전하는 전기 버스가 도로를 달리는 일은 전 세계 처음으로, KAIST가 개발한 이 기술은 세계 친환경 자동차 시장을 선점함으로써 얻는 경제적 효과도 상당할 것으로 전망된다.
48억 원 규모의 이번 시범 사업은 구미역과 인동지역을 잇는 간선버스 노선을 대상으로 실시하며 2월 인프라 구축 공사를 시작한다. 이번 사업을 위해 KAIST는 지난해 10월 지자체를 대상으로 설명회를 개최했으며, 11월에는 유치 희망을 제안한 지자체를 대상으로 무선 충전 전기 버스 시범 사업 선정 평가를 실시했다. 구미시는 전력 공급을 위한 기반시설이 잘 갖춰져 있어 전력 공급의 안정성이 높고, 행정 및 재정 지원 의지가 높아 시범 운영의 최적지로 평가받아 선정됐다.
무선 충전 전기자동차는 도로에 전기선을 매설해 자기장을 발생시킨 후 발생된 자기력을 차량이 무선으로 공급 받아 이를 전기로 변환, 동력원으로 사용한다. 일반 전기자동차는 충전소에 들러 충전을 해야 하는 반면 무선 충전 전기자동차는 달리면서도 실시간 충전이 가능해 배터리 크기가 획기적으로 작아져 가격, 무게 등 측면에서 기존 전기자동차보다 상용화에 유리한 조건을 갖추고 있다.
따라서 기존 배터리 충전식과 비교해 경제성 면에서 더 탁월한 것으로 평가받는다. 엔진 관련 부품이 없어지고 집전장치와 소용량 배터리가 장착되기에 차량 가격이 저렴하며, 잦은 배터리 충전과 긴 충전시간 등으로 시간을 낭비하지 않아도 되고, 충전소가 불필요해 더욱 빠른 기간에 경제적인 비용으로 인프라 구축이 가능하다.
요약하자면, 무선 충전 전기자동차의 장점은 ▲정차 및 주행 중에도 전력 공급 ▲기존의 배터리 충전부담 해결 ▲차량 가격과 인프라 구축 비용 등 경제성이 우수 ▲기존 전기자동차의 기술적 한계를 극복하는 친환경적이고 경제적인 운행 시스템 ▲자동차, 건설, IT융합 산업 활성화 및 세계 시장 선점, 신규 고용 창출을 통해 국가 경제 발전에 기여 등이다.
KAIST 무선 충전 전기자동차 연구단장 조동호 교수는 "도로에 매설되는 급전 인프라는 도로 환경이나 버스 운행 조건에 따라 최적으로 설계돼 이번 구미시 시범 사업의 경우 전체 노선 중 10% 이하로 급전 인프라를 구축하면 된다"며 "무선충전전기버스인 경우에만 자동으로 인식해 전력을 공급하는 세그멘테이션 기술을 적용하므로 다른 차량이나 보행자가 지나가도 안전에는 전혀 문제가 없다"고 밝혔다.
구미시 관계자는 "이번 시범 사업을 통해 구미시가 저탄소 기반 대중교통 체계를 구축함에 따라 살기 좋은 명품 도시의 브랜드 가치가 향상될 것"이라며 "KAIST의 무선 충전 전기자동차는 친환경 교통시스템을 대중적으로 보급하는 첫 걸음이 될 것으로 기대한다"고 말했다.
KAIST 측에 따르면, 서울특별시 및 6대 광역시, 제주도에 무선 충전 전기 버스(내구연한 9년)를 30년간 총 5만 4000대 보급할 경우 원유 수입 절감, 탄소 배출 감소, 대기 오염 물질 발생 감소, GDP 증대 효과 등으로 11조 7000억 원의 편익 창출, 약 2만 3000명의 일자리창출효과가 있는 것으로 분석됐다.

무선 전력 전송 기술, 철도 · 승용차에도 적용



KAIST는 세계 최초로 차량 주행 및 정차 중 무선으로 대용량의 에너지를 안전하게 전달하는 SMFIR(Shaped Magnetic field in Resonance, 자기 공진 형상화) 원천 기술을 개발하고 상용 운행에 필요한 이격거리(20㎝), 전력 전달 효율(85%) 및 집전 용량(100㎾)을 확보했다.
2010년까지 무선 전력 전송 원천 기술과 전력급 · 집전 시스템 기술을 개발하고 구현 가능성을 입증하는 등 전기자동차의 핵심 기술 개발을 완료했다. 또 2012년에는 차량 공인 인증, 전기 안전, 전자파 안전(최대 56mG), 도로 안전 인증을 완료해 상용화를 위한 발판을 마련했다.
이번 구미시 시범 운행에 앞서 2011년 7월부터 서울대공원 내 전기 열차 운행(급전 인프라 구축: 총 2.2㎞ 순환도로 중 372.5m, 16%)을 시작했으며, 2012년 5월 여수엑스포 시범 사업(급전 인프라 구축: 총 600m 도로 중 36m, 6%), 2012년 10월 KAIST 교내 셔틀버스(급전 인프라 구축: 총 3760m 도로 중 60m, 1.6%) 운행 등 사업화를 추진해 왔다. 현재 서울시, 세종시, 대전 대덕연구단지 등에서 시범 사업을 검토 중이며 국외는 보스턴 로건 공항, 맥알렌 시티, 덴마크 콜딩시에 상용화를 추진 중이다.
무선 충전 전기자동차 사업은 국내 및 아시아 지역은 ㈜올레브가, 미국 지역은 OLEV Technologies가 담당한다. 이들 업체는 급전선로 인프라 구축 및 차량 제작 · 운영 관리 사업을 진행한다.
우선 버스 중심의 대중교통 시스템에 적용해 경제성 및 안전성 검증 후 철도 및 항만 시스템 그리고 무선 충전 버스 급전 인프라를 공유하는 승용차 시장에 접목할 계획이다. 공공기관, 대형 빌딩 주차장과 택시정류장 등에 비접촉 충전인프라사업도 추진한다.

무선 충전 전기자동차 적용 기술

고효율 자기 유도식 급 · 집전장치
3상 60㎐ 440VAC 전원을 20㎑ 고주파 전류원으로 변환하는 고효율 인버터와 도로에 매설된 급전선로는 전기자동차에 비접촉식 자기 유도 방식으로 고효율 교류 전력을 공급한다. 차량 하부에 장착된 Pick-up coil, Capacitor bank 및 Rectifier는 교류 유도 자기를 정류된 DC 전압으로 변환, Regulator가 정류된 DC 전압을 배터리 전압에 맞게 강압한다.

자동차 탑재용 전력 시스템
배터리 BMS와 연계된 효율적인 충 · 방전 알고리즘 및 Super capacitor의 최적 용량 및 동작 설계를 통해 배터리 전압 상승 및 정류장에서 순간 급전 충전 시 이를 Super capacitor에 충전한다.

에너지 효율 높은 동력 관리 플랫폼
배터리 센서 인터페이스, 모터드라이브 인터페이스, 집전장치 인터페이스 기술 등을 적용한 BMS는 무선 충전 전기자동차의 에너지 효율을 최대로 한다.

도로 급전 세그먼트 제어
급전 도로를 일정 길이의 세그먼트로 분할해 설치 및 시공이 용이하다. 시점, 종점, 정류장, 교차로, 주차장 등 전체 버스 노선의 20% 정도에 급전 인프라를 구축, OLEV 차량인 경우에만 인식해 전력을 공급하는 급전 세그먼트 제어 기술 적용으로 대기전력 손실을 감소한다. 일반 도로를 충전소로 활용, 달리면서 실시간으로 무선 충전이 가능하도록 했으며 OLEV의 사용자 편의성 및 감전 위험으로부터의 안전을 확보했다.

무선 충전 전기자동차용 HW/SW 플랫폼
OLEV 구성 모듈인 집전 시스템, 모터, 배터리 등 전자 · 전력 장치들을 부착할 수 있는 포트가 여러개 있어 규격화된 차량 인터페이스를 통해 쉽게 탈 · 부착할 수 있다. 또한 HW플랫폼 포트는 기존 차량용 표준 통신 프로토콜인 CAN포트와 전력 포트가 하나로 통합돼 있으며 여러 개의 포트 중 모듈이 부착된 포트를 인식할 수 있어 부착된 모듈이 HW플랫폼 시스템 및 기존 부착된 다른 구성 모듈들의 고장을 유발하지 않는다.
OLEV에 새로운 전력 장치(집전기, 배터리, 모터, 공조기, 슈퍼캡 등)의 탈 · 부착 시 발생할 수 있는 과전압, 과전류와 같은 오류를 사전 방지하며 전력장치 상태 정보 저장 및 전송을 이용해 차량 상태 정보를 차량 외부 혹은 내부에서 파악 할 수 있다.

자기장 양방향 통신 센서로 도로 위치 인식
급전선 설치 후 아스팔트나 콘크리트로 도로 표면을 포장할 경우 급전 시스템에 부착된 센서와 차량간의 무선 전파 통신이 불가능하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 자기장 송수신 모듈을 이용해 양방향 지중 통신을 수행하며, 자기장 양방향 통신 센서를 통해 차량 위치를 정확하게 획득하도록 했다.

<Energy News>

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