1월 도쿄에서 열린 Automotive World 2017에서 헤일로(Halo)로 전기차 무선충전 시대를 열고 있는 퀄컴의 비즈니스 개발담당 사이먼 알버스넛 이사와 현재와 미래 무선충전에 대해 이야기를 나눴다. 퀄컴의 비포마켓 전기차 무선충전 솔루션이 드디어 메르세데스 벤츠를 통해 올해 상용화된다. 알버스넛 이사는 “무선충전은 현재 준비돼 있는 기술”이라고 강조했다.

무선충전 자율주행차 

자율주행 전기차 시대가 다가온다는 사실에는 의심의 여지가 없다. 구글, 우버, 테슬라, BMW, 닛산 등 많은 기업들이 이미 이를 미래로 잡았고 주변의 모든 것들이 그렇게 돌아가고 있다. 이는 전기차 무선충전 솔루션을 중대한 미래 포트폴리오로 설정한 퀄컴과 같은 회사들에게 반가운 소식이다.

상상해보자. 예를 들어 자율주행 온디멘드 서비스를 가정하면, 이 차는 누군가의 호출에 따라 스스로 고객을 찾아가 태우고 목적지에 내려주는 것을 반복할 것이다. 그런데 차에 운전자가 없기 때문에 충전이 필요할 때면 무선충전이 요구될 것이다. 바꿔 말하면 무선 공공충전소가 필요하다. 자율주행 전기차는 충전소에서 차례를 기다리고 충전 패드 위에 정차해 충전하고 다시 충전소를 빠져나갈 것이다. 모든 것을 스스로 할 것이다.

퀄컴의 헤일로 비즈니스 개발담당 사이먼 알버스넛(Simon Arbuthnot) 이사는 “퀄컴은 이 부분을 굉장히 중요한 포인트로 보고 있고, 실제로도 고객들이 묻는 주요 질문 중 하나”라며 “전기차의 충전은 유선이든 무선이든 충전시간이 길고 불편하기 때문에 업계는 차 스스로 무선충전소에 가 차례를 기다리고 충전을 마친 후 빠져나가는 식의 미래 콘셉트를 만들고 있다”고 말했다.

무선충전은 이제 적용되기 시작한 가정을 시작으로 좀 더 미래에는 자율주행과 함께 공공충전소 등에서 매우 중요한 솔루션이 될 것이다. 퀄컴은 이처럼 가정, 수퍼마켓, 몰, 공공충전소 등 어디를 가더라도 전기차가 심리스하게 충전할 수 있는 전기이동성 에코시스템 구축은 물론, 나아가 주행 중 노면에서 충전하거나, 전기차가 무선으로도 전기 그리드에 접속해 고객의 희망에 따라 가장 효율적인 시간대, 가격대에 충전을 결정하고 진행하거나 차량의 전력을 그리드에 되파는 스마트 충전, 무선 양방향 V2G와 같은 미래의 스마트시티 구축에도 나서고 있다.

알버스넛 이사는 “퀄컴은 주행 중 충전(dynamic charging)에 대한 왕성한 R&D 활동을 하고 있는데, 예를 들어 FABRIC(Feasibility analysis and development of on-road charging solutions) 컨소시엄에 참여해 기술을 개발 중”이라며 “양방향 무선 V2G의 경우엔 기술적으로 구현이 가능한 상황이지만 아직 고객의 요청은 없는 상태”라고 말했다.

FABRIC은 이미 프랑스, 이탈리아, 스웨덴에 테스트 사이트를 구축했거나 예정하면서 기술 검증에 들어갔다. 다이내믹 충전은 전기차의 불편한 충전, 짧은 주행거리 문제를 개선하고 차량에 장착된 배터리의 소형화를 통해 비용을 저감하는 것을 목표로 한다.

한편, 이같은 전기이동성 비전이 현실이 되기 위해서는 전기차의 광범위한 보급은 물론 상호 운용성이 중요하다.

거의 표준화가 마무리돼 전기차의 급성장과 함께 보급이 크게 늘고 있는 유선 급속충전기처럼 무선충전도 이제 상호 운용성 표준 마련을 통해 호환성, 비용 저감, 보급화 등 편리한 사용자 경험을 보장하기 위한 노력이 요구되고 있다. 때문에 퀄컴은 ISO, IEC, SAE 등 관련 국제표준 기구의 표준화 활동에 적극적으로 참여하고 있다.

알버스넛 이사는 “우리는 표준화의 중요성을 잘 인식하고 있고 ISO, IEC, SAE의 무선충전 표준화 제정 활동에 적극적으로 참석하고 있다”며 “예를 들어 이 표준화 활동에만 전념하는 3명의 스페셜리스트를 두고 있다”고 말했다.
무선충전의 표준화는 아직 초기 단계로 기본적인 충전 효율, 정확성 등을 높이는 부분에 역점을 두고 있다.

S 550e로 최초 론칭

Automotive World 2017 전시장에서 퀄컴은 BMW i8 플러그인 하이브리드와 여러 규격의 헤일로 솔루션을 선보였다.
전기차 시장의 성장은 무선충전기를 부르고 있다. 자동차 OEM에게 배터리 전기차와 플러그인 하이브리드는 당국이 요구하는 배출가스 감축 목표치를 달성할 수 있거나 무효화할 수 있는 중대 솔루션이고 전 세계 주요 시정부들은 이같은 차량을 장려하는 각종 인센티브 정책을 펼치고 있다.

알버스넛 이사는 “강력한 배출규제는 영국은 물론 헤일로 기술센터가 있는 독일, 실질적인 헤드쿼터가 있는 미국 등 어디서든지 마찬가지”라며 “영국은 유럽의 배출가스 정책에 동조하면서 동일한 방향으로 가고 있는데, 예를 들어 런던 중심가에 진입하는 전기차는 통행료를 지불하지 않고 주차료도 면제받는다. 반면 가솔린 차량은 정상적인 요금, 디젤 차량은 두 배를 지불해야 한다”고 설명했다.

전기차의 보급이 늘면 늘수록 전기차의 단점은 두드러질 수밖에 없다. 그 중 하나가 바로 충전을 위해 빈번히 충전 케이블을 전원에 꽂아야만 하는 점이다. 이는 전기차에 대한 당연한 수고로 받아들여질 수 있지만, 실제로는 매우 불편하고 번거로운 일이다. 또 케이블은 쉽게 지저분해질 수 있고, 공공충전기는 도시 외관, 도로통행에도 바람직하지 않다. 이런 것은 무선충전에서는 일어날 수 없는 일들이다.

알버스넛 이사는 “무선충전은 미래가 아닌 현재의 기술이라는 점을 강조하고 싶다. 무선충전 시스템은 최근 들어 괄목할 만한 발전을 거듭했고, 전기차 시장의 급성장에 따라 널리 채택될 준비가 됐다”며 “퀄컴의 무선 전력전송은 매우 효율적이면서 콤팩트하고 쉽게 적용할 수 있으며 안전하고 대량생산에 대한 경제성도 있다”고 말했다.

무선충전 기술은 이미 버스와 같은 제한적이면서 전문적인 영역에서의 실증은 물론 에바트랜(Evatran)과 같은 애프터마켓을 통해 이미 상용화됐다. 5년 전만 해도 가능하지 않았지만 지금은 얼리어댑터들의 찬사 속에 보급되고 있다.

퀄컴의 헤일로 시스템의 경우엔 혁신적인 더블 디(DD)와 바이폴라(BiPolar) 코일 기술을 통해 크게 향상된 전력전송, 포지셔닝 허용 오차 개선, 소형화, 시스템 저전력화, 비용 저감을 이뤄내고 몇 년 전부터 다수의 OEM과 티어1 서플라이어들을 통해 시장 최초의 비포마켓 무선충전 솔루션으로서 보급 준비를 마쳤다.

알버스넛 이사는 “우리는 글로벌 OEM, 티어1 파트너들과 협력해왔고, 이 과정에서 기술력과 경험이 축적되면서 상용화 단계에 진입했다”며 “앞으로 헤일로의 론칭 발표가 잇따를 것인데, 그 최초는 메르세데스 벤츠가 출시할 예정인 S 550e 모델”이라고 말했다.
메르세데스 벤츠 외의 발표는 2018 ~2019년 사이에 집중될 전망이다.

7.4 kW로 에어갭 35 cm

지상의 전력 송신 패드에서 차량 아랫부분에 장착된 수신 패드까지 퀄컴 헤일로 무선전력 전송 시스템은 자동차, 버스 및 트럭을 포함 3.3~22 kW까지 가능하다.

최초의 3.3 kW와 6.6 kW 시스템은 델타 E-4 스포츠 쿠페 등 다양한 전기차를 통해 테스트됐고, 7 kW급은 롤스로이스 팬텀 102EX 등에서 테스트됐다. 또 20 kW급 이상은 드레이슨 B12/69 전기 레이스카를 통해 무선충전의 미래를 보여주기도 했다.

알버스넛 이사는 “헤일로 최초의 상용 시스템 파워가 3.7 kW인 것은 전적으로 메르세데스 벤츠의 선택으로 퀄컴은 3.7~22 kW까지 다양한 시스템을 보유하고 있다”며 “일반적으로 소형 전기차일수록 소형 배터리를 갖고 있고, 따라서 낮은 파워의 시스템이 요구되지만 이것을 공식화하기는 힘들다. 이는 OEM의 전략에 따라 달라질 수 있기 때문”이라고 설명했다.
메르세데스 벤츠 S 550e는 플러그인 하이브리드다.

자기공진 유도충전 기술과 관련된 전자제어 장치의 비약적인 발전은 효율성은 물론 광범위한 위치 공차, 다양한 지상 패드와 차량 패드 간 이격거리(air gap)를 안전하게 수행할 수 있게 만들었다. 정교한 코일과 패드 구성, 차량의 배터리 관리 시스템(BMS)과의 긴밀한 협조 및 최적화 작업을 통해 가능해졌다. 따라서 퀄컴의 헤일로는 늘고 있는 전기 SUV에도 대응한다.

알버스넛 이사는 “DD의 핵심 장점은 높은 파워를 통해 큰 에어갭을 소형 패키징 사이즈로 제공하는 것인데, 이에 따라 SUV 전기차와 같은 큰 에어갭을 요구하는 부분에도 충분히 대응한다”며 “OEM과 서플라이어에게 데모한 최대 에어갭은 7.4 kW 기준으로 35 cm”라고 설명했다.

DD와 바이폴라 패드를 포함하는 퀄컴의 헤일로 시스템은 쉽고 안전하며 효율적이다. X, Y 위치에 대한 넓은 허용오차는 물론 낮은 에어캡의 스포츠카에서 높은 SUV까지의 폭넓은 Z 간격에 대응한다. 매립형, 평면형 또는 표면 장착형 기본 패드의 디자인은 콤팩트하고 심플하며 오목한 온보드 패드는 눈에 잘 띄지 않는다. 1차 및 2차 측 제어를 위한 기본적인 전자제어장치와 차량 전자제어장치 간 통신을 통해 자동적으로 최적의 최대 에너지 전달을 달성한다.

집, 사무실, 공공장소 등에 주차해 있는 동안 완전히 통합된 포지셔닝 지원으로 전기차 충전을 지원하고 이물질이나 움직이는 물체를 감지하고 보호하는 시스템을 통해 안전한 이용을 가능하게 한다. 호환성 측면에서도 DD 시뮬레이션 모드를 CR 모드 동작으로 전환하는 바이폴라 기반 패드를 통해 CR 차량 패드의 후방 호환성을 갖는다. 

퀄컴의 무선충전 기술의 핵심에는 코일 설계와 최신의 전력/전자장치가 있고, 이는 다년간의 연구개발 노력을 바탕으로 한다. 예를 들어 1988년부터 오클랜드 대학교는 IPT R&D를 개척해왔고 1995년부터 오클랜드 유니서비스(Auckland Uniservices), 가장 최근인 2010년부터는 헤일로IPT(HaloIPT)가 이 기술을 개발, 상용화했다. 수많은 박사급 인력, 시뮬레이션, 프로토타입을 통해 자기공진 유도충전 기술을 개발했다. 

특히 기술적인 혁신에는 여러 개의 코일이 있는 패드의 코일 및 페라이트 구성, 리츠(Litz) 와이어의 간격 및 반경의 디자인 레이아웃(사용 빈도가 높은 스킨 효과 극복), 전력/전자 장치의 다양한 요소와 정교한 제어가 포함된다. 

수년에 걸쳐 코일과 충전 패드 기술은 크게 향상돼 왔다. 서큘러와 CR 코일 구성은 경우에 따라 적절한 전력전송 속도를 달성할 수 있지만, 이런 설계는 상대적으로 큰 패드와 이들의 비극성 자기장 패턴의 개선을 요구했다. 따라서 이후의 주요 기술개발은 주어진 크기 또는 질량의 패드에 대해 더 높은 파워 전달을 제공하는 다양한 솔레노이드 설계를 사용하는 것이었는데, 이것 또한 다른 전기 시스템에 과도한 가열 및 유해 전자기 간섭을 발생시킬 수 있는 수용할 수 없는 높은 플럭스(flux) 손실 문제를 안고 있었다. 결국 수년에 걸친 차량의 DD 코일과 바이폴라 패드의 사용에 대한 추가 개발로 가장 효율적이고 호환 가능한 설계가 가능해졌다. 유선충전과 비슷한 충전 속도와 효율성은 물론 CR과 솔레노이드 디자인을 뛰어넘는다. 

DD와 바이폴라의 구성은 좁고 비교적 큰 ‘플럭스 파이프(flux pipe)’를 만든다. 이는 CR보다 콤팩트한 디자인과 낮은 플럭스 방출을 가능하게 한다. 또 넓은 위치 공차와 큰 에어 갭으로 베이스 패드와 차량 패드 사이를 최대 전력으로 커플링할 수 있게 한다. 이 구성의 기술적 특징 및 이점은 서큘러 코일 구현 대비 제품 성능 및 경제적 이점으로 해석할 수 있다. 표준화 측면에서도 이 기술은 CR을 포함한 다른 코일 기술의 사용을 배제하지 않는다. 전력/전자 및 소프트웨어 최적화를 포함한 광범위한 개발 노력의 결과 바이폴라 베이스 패드는 CR 및 DD 모드로 전환될 수 있어 CR 또는 DD 패드가 장착된 차량을 충전소가 효율적으로 충전할 수 있다.

무선충전 시대 개막

퀄컴은 엄밀히 말해 글로벌 브랜드 전기차의 무선충전 상용화의 파이오니어는 아니다. 이미 에바트랜이란 회사가 OEM의 전기차에서 무선충전 시스템을 상용화했다. 양사 모두 OEM과 협업하는 것은 맞지만, 에바트랜은 어디까지나 에프터마켓 레트로핏 솔루션이다. 

알버스넛 이사는 “퀄컴은 기본적으로 차량 출시 이전 개발단계부터 헤일로 시스템을 적용하기 위해 OEM과 직접 일하기 때문에 출시까지의 긴 리드타임, 철저한 타임 투 마켓 과정을 거쳐야만 한다”며 “같은 시장을 지향하지만 서로 일하는 방식과 포커스하는 시장이 완전히 다르기 때문에 퀄컴에게 에바트랜은 경쟁사가 아니다”라고 말했다. 

헤일로 무선충전 기술은 OEM과 티어1을 통해 광범위하게 구현될 준비를 마쳤다. 시스템은 티어1 서플라이어와 시스템 서플라이어들의 제품 개발 및 생산을 위한 라이센스 계약에 따라 레퍼런스 디자인과 기술 이전을 제공해 자동차 산업의 공급구조에 최적화돼 있어 티어1은 그들이 익숙한 방식으로 OEM에 제품을 공급하게 된다. 

알버스넛 이사는 “헤일로 라이센스 계약을 체결한 티어1으로는 미국의 리어(Lear)를 비롯해 독일의 프레이(Preh), 영국의 리카르도(Ricardo), 호주의 루멘(Lumen), 스위스의 브루사(Brusa), 인프라스트럭처 부문의 영국 차지마스터(Chargemaster), 이파섹(Efacec) 등이 있다”며 “예를 들어 리카르도는 헤일로 기술 풀 라이센싱을 통해 로우 볼륨 스포츠카 OEM의 무선충전 기술 통합 및 컨설팅을 진행한다”고 말했다. 

퀄컴의 시장 공략 중점은 지역 자동차시장이 아니라 어떤 OEM이 무선충전 시스템을 더 빨리 적용할 것이냐는 것이다. 따라서 헤일로 기술의 최초 타깃은 유럽의 OEM들이고, 그 다음은 일본 OEM이다. 이들이 북미, 유럽, 아시아 등 글로벌 시장에 헤일로를 보급하게 될 것이고, 그런 이유에서 Auomotive World 2017에도 출전한 것이다. 

알버스넛 이사는 “퀄컴은 Auomotive World 전시회에 여러 번 참가했는데, 이 쇼는 업계의 매우 중요한 지역 전시회”라며 “퀄컴은 일본의 OEM, 티어1만 타깃으로 하는 것이 아니라 이곳에 참석하는 한국, 중국, 홍콩 등 아시아 고객 모두를 보고 있으며, 특히 퀄컴은 현대기아자동차와 같은 OEM과 중요 서플라이어들이 포진한 한국시장을 매우 집중해서 보고 있다”고 말했다. 

업계의 신기술인 만큼 퀄컴 헤일로의 첫 적용 브랜드인 메르세데스 벤츠에서 가격 이슈가 있는 것은 당연하고, 때문에 타깃층도 신기술에 여유가 있는 프리미엄 OEM과 그들의 고객들이다. 그러나 무선충전 시스템 비용은 시간이 갈수록 낮아지고, 전기차와 함께 가는 기술이 될 것이다.  

AEM_Automotive Electronics Magazine