[EV·PHEV와 인프라 설비의 최신기술동향 5] EV·PHEV용 비접촉 급전의 기술 동향

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[EV·PHEV와 인프라 설비의 최신기술동향 5] EV·PHEV용 비접촉 급전의 기술 동향

2015년 1월 1일 (목) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2015년 1월호 - 전체 보기 )

[EV·PHEV와 인프라 설비의 최신기술동향 5]
EV·PHEV용 비접촉 급전의 기술 동향

비접촉 급전 시스템이란 말 그대로 비접촉 상태로 이동체에 전력을 공급하기 위한 시스템을 말한다. 비접촉 급전은 전기 케이블과 커넥터 연결에 의한 접촉 급전에 비해 편리성이 높고 안전하며 보수가 용이하다는 등의 장점이 있으나, 갭의 길이, 위치 오차 허용범위, 누설자계의 안전성 등 앞으로 해결해야할 과제도 많이 남아 있다. 본고에서는 비접촉 급전의 이론과 효율에 대해 알아보고, EV·PHEV용 비접촉 급전의 과제와 해결책, 아울러 최신 EV·PHEV용 비접촉 급전 트랜스를 소개한다.

번역·정리 김대근 기자

비접촉 급전은 1993년에 Auckland 대학의 J.T.Boys가 발표한 이동형 비접촉 급전 시스템을 일본의 ㈜다이후쿠와 독일의 Wampfler사가 클린룸 및 자동차 공장용 반송 시스템으로서 제품화하여 세계에 보급한 것이다. Wampfler사는 그 후 전기버스용에 원형 코어 방식의 비접촉 급전 장치를 제품화했다. 이 장치는 원형의 페라이트 코어의 한쪽 면에 팬케이크 코일을 배치한 송전부(1차측), 그리고 이와 같은 구조의 수전부(2차측)로 구성되어 있으며, 자계 구조는 도넛형이다. 이것을 원형 코어 편측권(片側卷) 트랜스 구조라고 부르기로 한다. EV·PHEV용 비접촉 급전 시스템의 구성을 [그림 1]에 나타냈다. 비접촉 급전은 현재의 전기 케이블과 커넥터 연결에 의한 접촉 급전에 비해, 연결이 불필요하기 때문에 편리성이 높고 안전하며 보수가 용이하다는 특장점이 있다. 그러나 원형 코어 방식은 승용차용으로 소형화하면 갭의 길이 및 주차 시의 위치 어긋남 허용범위가 작아지는 단점이 있었다. 사이타마 대학 공학부 교수, 아베 시게루(阿部茂) 등은 소형화와 갭의 길이, 위치 어긋남의 문제를 해결하기 위해서는 자계 구조를 원형 코어 방식(도넛형)에서 다른 방식으로 변경할 필요성이 있다고 보고, 2009년에 자계구조가 아치형인 각형(角形) 코어 양측권(兩側卷) 트랜스 구조(Solenoide라고도 함)를, 2011년에는 H형 코어 방식을 발표했다. 2010년에는 원형 코어 방식을 채용해왔던 Auckland 대학도 Flux Pipe이라고 하는 양측권 트랜스 구조를, 2011년에는 같은 아치형 자계구조인 DD구조와 DDQ구조를 발표했다. 상기의 비접촉 급전 장치는 모두 전자유도방식으로 불리고 있다. 이에 대해 MIT의 A.Kurs 등은 2007년에 자기공명방식을 발표하여 급전거리(갭의 길이)를 전자유도방식에 비해 비약적으로 확대할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다. 그들이 설립한 WiTricity사는 2010년에 Delphi사와 함께 EV용 비접촉 급전 장치를 발표했다.

비접촉 급전의 이론과 효율

전자유도방식에서 비접촉 급전의 기본은 갭의 길이가 큰 트랜스이다. 누설 자속이 크고, 결합계수 k가 0.1~0.5로 작다. 급전전력을 크게 하려면 2차전압을 올릴 필요가 있으며, 2차측에 병렬공진 콘덴서를 배치한다. 1차측에는 누설 리액턴스 보상용에 직렬 또는 병렬 콘덴서를 배치한다. 전원 주파수를 10KHz 이상으로 하면 코어와 코일과 콘덴서를 소형·경량화할 수 있다. 코어에는 페라이트가 사용되며, 코일에는 표피효과를 방지하기 위해 리츠선이 이용된다. 주된 손실은 리츠선에서 발생하는 동손과 페라이트에서 발생하는 철손이며, 이 동손과 철손을 작게 하면 급전 효율이 상승한다. [그림 1]의 비접촉 급전 시스템의 주회로구성을 [그림 2]에 나타냈다. 트랜스의 1차측에는 직렬 콘덴서 Cs를, 2차측에는 병렬 콘덴서 Cp를 배치한 SP방식이다. 자기공명방식도 등가회로로 나타내면 1차측, 2차측 모두 직렬 콘덴서의 SS방식으로 표현 가능하다. 트랜스 부분의 급전효율은 [그림 2]의 저항부하 RL의 값에 의해 즉, 급전전력에 따라 변한다. 트랜스의 철손은 무시하고 동손만을 생각하면, 급전효율의 최대치는 1차측 코일의 Q1, 2차측 코일의 Q2, 결합계수 k에 의해 SP방식, SS방식 모두 (1)의 식으로 나타난다. 즉, 동손만을 고려한 경우, 전자유도방식도 자기공명방식도 모두 최대효율이 같아진다. [표 1]에 전자유도방식과 자기공명방식의 비교와 대표적 장치인 k, Q의 값을 나타냈다. 전자유도방식의 30KHz·거리 70mm인 트랜스에서는 (1)식의 효율이 98%가 되어 실험효율 95%(철손 포함)에 거의 일치하고 있다. 자기공명방식의 9.9MHz·거리 2000mm인 코일에서는 (1)식의 효율이 48%이며, 실험치 40%에 근접하고 있다. 이상의 사실로부터 비접촉 급전에서는 k와 Q가 중요하며, 이 값들을 크게 하면 효율이 상승한다는 것을 알 수 있다.

EV·PHEV용 비접촉 급전의 과제와 해결책

EV용 비접촉 급전의 과제를 [표 2]에 나타냈다. 갭의 길이는 자동차의 최저 지상고가 약 150mm이기 때문에 송전부를 지표에 둘 경우에는 70~150mm 정도가 좋지만, 지중에 매설하는 경우에는 200mm 정도가 필요하다. [그림 1]에서와 같이 바퀴막이를 이용하면 전후 방향의 위치 어긋남을 작게 할 수 있지만, 좌우 방향은 ±150mm 정도의 위치 어긋남을 허용할 필요가 있다. 각형 코어 양측권(아치형 자계)이 원형 코어 편측권(도넛형 자계)에 비해 트랜스를 대폭적으로 소형화할 수 있는 이유를 [그림 3]에서, 좌우방향의 위치 어긋남에 강한 이유를 [그림 4]에서 설명한다. [그림 3]의 단면도에서 결합계수 k는 코일 폭 c/갭의 길이 g로 결정되기 때문에 각형은 원형에 비해 전후좌우의 길이가 약 절반으로 충분하며 대폭적인 소형화가 가능하다. 각형에서 문제가 되는 배면(背面) 자속은 알루미늄판으로 차폐 가능하며, 과전류에 의한 효율저하도 1% 정도이다. [그림 4]는 위치 이탈 시의 자속분포를 나타내고 있다. 원형에 있어서는 지상 1차코일이 발생시키는 자속은 차재 2차코일을 위치(A)에서 위로 관통하지만, 위치(B)에서는 아래로 관통한다. 따라서 위치(A)와 위치(B)의 사이에서 차재 코일을 관통하는 자속의 총합이 0(k=0)이 되는 위치가 있으며, 급전이 불가능하게 된다. 이 때문에 원형에서는 위치 어긋남 허용범위의 약 4배의 직경이 필요하게 된다. 한편, 각형에서는 차재 코일이 y 방향으로, 위치(A)에서 위치(B)로 변화하여도 차재 코일을 관통하는 자속량의 변화는 적고 결합계수 k의 저하가 작기 때문에 위치 어긋남에 있어 강하다.

최신의 비접촉 급전 장치

최근 발표된 EV·PHEV용 비접촉 급전 트랜스를 소개한다. 외형이 각형(角形)인 트랜스의 사양은 모두 △급전전력 3~3.3kW △갭의 길이 160~200mm △좌우방향의 위치 어긋남 허용량 ±200mm △트랜스효율 90% 이상으로, 주파수는 30~150KHz 채용하고 있다. 사이타마 대학의 연구기관은 [그림 5]의 각형 양측권의 장(長) 갭용 H형 트랜스를 발표했다. 트랜스의 치수 320×300×40mm와 중량 5.5kg은 세계 최소급이다. 누설자계도 트랜스 중심에서 700mm 떨어지면 ICNIRP(국제 비이온화 방사선 보호위원회, International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection)의 인체에 대한 안전 기준인 27μT 이하로 감쇠한다. Auckland 대학은 [그림 6](a)(b)의 각형 양측권 방식의 Flux Pipe 구조, 자계구조는 같고 코일을 편측권으로 변경한 [그림 6](c)의 DD 구조, 그 DD 구조에 Q코일을 추가한 원형 코어와 호환성을 지니는 [그림 6](d)의 DDQ 구조를 발표했다. 그리고 2011년 가을에 Qualcomm사가 Auckland 대학의 haloIPT사를 인수하자, 다음 해인 2012년도 EV국제 심포지엄 EVS26에서는 Qualcomm halo사로서 [그림 7](a)의 실물 모형을 전시했다. EVS26에서 Delphi사는 차재 트랜스의 치수를 작게 한 [그림 7](b)의 최신형을 전시했다. 원형 코어 방식에 관해서는 Siemens사가 논문을 발표하여 3.6kW의 타원형(440×380×25mm)으로 중량 6.5kg인 제2세대 시스템을 개발 중에 있다고 밝혔다. 일반적으로 각형 코어 방식은 소형화와 갭의 길이, 위치(좌우) 어긋남 성능이라는 점에서 뛰어나며, 원형 코어 방식은 누설자계 레벨의 낮다는 점에서 우수성을 평가받고 있다.

이상, EV·PHEV용 비접촉 급전의 기술동향에 대해 소개했다. 현재 미국의 SAE International과 유럽의 IEC에서 2015년을 목표로 세계표준화 작업이 진행되고 있으며, 일본도 JARI(일본자동차연구소)가 참가하고 있다. 표준화의 과제는 자계구조가 다른 각형과 원형의 2가지 방식의 취급법 및 각국의 전파규제의 정비가 있다.