1. 서 론

지구 온난화로 인한 글로벌 탄소중립 정책에 발맞추어 바야흐로 전기차의 시대로 급격하게 변화되고 있다. 2023년 현재 전기차량의 규모는 국내만 보더라도 등록된 누적 전기차량이 39만대를 넘어선 상태이다. 이는 전년 대비 68.4% 증가한 수치로 해를 거듭할수록 전기차의 판매 비중은 기하급수적으로 늘어날 것으로 예상된다⁽¹⁾. 그와 더불어, 전기차의 충전기 시장도 확대와 변혁을 거듭하고 있다. 현재 전기차를 충전하는 방식은 유선충전 방식이 주류를 이루고 있다. 하지만, 일부 선진국의 제조업체를 주도로 전기차에 적합한 미래형 스마트 충전 솔루션 방법들을 다양하게 모색하고 있다⁽²⁾-⁽⁴⁾. 그 중, 최근 가장 주목을 받고 있고 다양한 실증 사례 및 상용화에 근접한 방식은 바로 무선충전 방식이다. 스마트 충전 방식의 여러 대안 중 무선충전 방식에 최근 이목이 집중되는 기술적 배경은 다음과 같다.

그림 1은 각 연도별 글로벌 전기차의 예상 시장 규모 및 판매량을 예측한 그래프이다⁽⁵⁾. 그래프를 통해, 전기차의 판매 비율은 해를 거듭할수록 점진적으로 증가할 것으로 예상된다. 또한, 가까운 미래인 2030년에는 전기차 판매량의 비중이 전체 차량 판매량의 절반에 육박할 정도로 고성장이 예상되고 있다. 이러한 전기차 시장의 고성장과 더불어, 전기차의 충전기 시장도 동시에 급격히 성장 중이다. 그림 2는 각 연도별 전기차 충전기 시장의 성장 추이와 그 규모를 보여준다⁽⁶⁾. 그래프를 통해, 전기차의 충전기 시장은 완속충전기와 급속충전기 모두 그 규모가 점차 증가함을 알 수 있다. 여기서 더욱 주목할 사항은 완속충전 대비 급속충전의 수요가 두드러지게 급격한 상승세를 보인다는 점이다. 이러한 구별된 특징은 두 가지 형태의 충전 방식을 통해 살펴볼 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 전기차의 충전기 형태는 충전 용량을 기준으로 그림 3과 같이 완속충전기와 급속충전기로 나뉜다. 먼저, 완속충전기는 충전용량이 통상 11kW이하인 충전기들로 분류된다. 완속충전기를 활용하여 충전에 소요되는 시간을 현재 보급된 전기차의 평균 배터리 용량인 70kWh의 용량을 예로 접근해보면 다음과 같다. 우선, 완속충전 방식을 활용하는 경우, 차량에 장착된 고전압 배터리가 완전히 충전되기까지 비교적 긴 5~7시간이 소요된다. 반면, 급속충전기는 그림 3과 같이 충전 용량이 50~400kW급의 충전 용량을 지원하는 고출력의 충전기이다. 급속충전기를 활용하여 동일한 70kWh의 고전압 배터리를 완전히 충전하기 위해 소요되는 시간은 5분에서 1시간 정도로 완속 대비 매우 짧은 충전시간만 필요하여, 충전기를 활용하는 소비자 입장에서 더 선호된다. 이를 구체적으로 살펴보면, 전기차량을 소유한 소비자 입장에서 차량을 운행하는 도중에 충전이 필요한 상황이 빈번히 발생한다. 이 경우, 전기차를 소유하기 이전에 기존 내연기관 차량의 연료 주입에 소요되는 비교적 짧은 시간에 익숙한 소비자 입장에서 고속의 급속충전에 대한 선호도가 높은 경향은 너무나도 자연스러운 일이며 앞으로도 더욱 그 수요가 가속화될 것이다. 따라서, 향후 미래형 충전기는 소비자의 고속 충전에 대한 요구에 부합하여 완속충전보다는 급속충전에 대한 시장의 수요가 급격히 증가할 것으로 예상된다.

하지만, 현재 유선의 급속충전 방식은 표 1과 같이 충전건의 무거운 무게가 큰 걸림돌이 될 수 있다. 구체적인 예로, 전기차량을 소유한 소비자가 충전을 위해 200kW급의 급속충전기 제품을 활용하게 되는 경우를 생각해보자. 소비자가 충전을 위해 다루는 200kW의 급속충전기에서 충전건과 충전케이블의 총 무게는 무려 23kg에 달한다. 이 정도의 무게는 일반 성인의 경우에도 충전건을 다루기가 비교적 용이하지 않고, 교통약자들인 장애인, 임산부, 노약자분들이 다루기에도 더더욱 쉽지 않다.

따라서, 미래형 충전기는 고속의 급속충전을 지원하면서 동시에 무거운 충전건을 다룰 필요가 없는 스마트한 솔루션이 필요하며, 그 대안으로 최근 무선충전이 큰 주목을 받고 있다고 볼 수 있다.

무선충전이 주목을 받고 있는 또 다른 이유는 기존 유선충전 방식의 여러 이슈와 밀접한 관계가 있다. 우선, 표 1과 같이, 눈이나 비가 오는 외부 환경에서 충전을 진행할 때, 소비자 입장에서 전기가 공급되는 통로인 유선 충전건을 다루기가 심리적으로 꺼려진다는 사실이다. 물론, 충전기 제조사에서는 안전을 위해 충전건의 기구적 절연 설계를 충분히 반영하여 제작한다. 하지만, 비가 오는 외부 환경에서 사용자의 감전 방지 및 안전을 위해 젖은 충전기를 충분히 닦아 물기를 제거하고 사용하도록 권고되고 있어 사용자 입장에서 편이성이 낮고 잠재적인 위험성이 존재한다. 다음 이슈로 주목할 사항은 적지 않은 유지보수 비용이다. 표 1의 왼쪽 하단과 같이, 충전건과 충전 단자의 지속적인 접촉이 발생되면 층전을 사용할수록 접촉이 되는 부위인 접점의 저항이 지속적으로 증가하게 된다. 이러한 접점의 저항 증가는 결국 충전 효율을 서서히 저감시켜 초기에 높았던 효율을 항상 유지할 수 없는 문제를 초래한다. 따라서, 초기 높은 효율을 지속적으로 제공하기 위해서 일정 주기마다 적지 않은 비용의 충전건을 교체할 필요가 있게 된다. 이는 충전기를 이용하는 소비자에게도 적절한 경제성을 일정하게 제공하기 어렵고, 충전기제조사 입장에서도 적지 않은 유지보수 비용이 부담이 되므로 이를 해결할 솔루션이 필요하다. 마지막으로, 기존 유선충전 방식의 낮은 호환성을 들 수 있다.

현재 널리 활용되는 충전건의 구성과 구조는 표 1의 오른쪽 하단 그림과 같이 각 나라마다 그 모양이 상이하다. 또한, 전기차에 장착된 충전단자도 제조사별로 출시하는 모양이 상이하므로 기존 유선충전기의 호환성이 매우 낮은 점을 들 수 있다. 앞서 살펴본 기존 유선충전 방식은 충건건의 무게, 잠재적 감전과 화재의 위험성, 높은 유지보수 비용, 충전단자와 충전건의 낮은 호환성이라는 이슈를 가지고 있다. 따라서, 향후 미래형 충전기의 방향은 기존의 유선충전 방식 대비 보다 더‘스마트한 충전’, ‘안전한 충전’, ‘빠른 충전’을 동시에 만족하는 솔루션으로 귀결되며, 이러한 요구를 모두 충족할 수 있는 대안으로 무선충전 방식이 각광을 받고 있다. 구체적으로, 최근 유수의 제조업체는 앞다투어 전기차 무선충전 개발에 역량을 쏟고 있다. 또한, 일부 주요 제조업체는 무선충전 기술을 활용한 최신 실증 사례를 공개하고 있다. 향후 전기차는 고전압 배터리의 충전에 인간이 개입하지 않는 스마트한 무선충전을 채택하는 방향으로 진보할 것으로 예상된다. 따라서, 본 논문에서는 전기차 무선충전 기술의 실증 사례를 통해 현재의 기술 수준과 앞으로 상용화를 위한 방향에 대해 다루고자 한다.

2. 전기차 무선충전 시스템의 개요

무선충전 기술의 실증 사례를 다루기에 앞서, 본 장에서는 전기차 무선충전 시스템의 구성과 특징에 대해 간략히 다루고자 한다. 본 장에서 다루는 각 구성의 용어는 현재 한국전기설비규정(KEC)에서 제정중인 전기차 무선충전 시스템 구성의 명칭을 반영하여 설명한다.

3. 전기차 무선충전 최신 실증 사례 및 상용화 방향

본 장에서는 앞서 언급한 정차중, 준주행중, 주행중 무선충전의 세 가지 방식에 대한 최신 실증의 대표적 사례와 각 방식의 개별 이슈 사항들, 그리고 그에 따른 상용화 방법과 방향에 대해 다루고자 한다.

4. 전기차 무선충전 국제표준 현황

본 장에서는 전기차 무선충전의 상용화와 밀접하게 연관된 최신 국제표준 현황과 내용에 대해 다루고자 한다. 전기차와 관련된 국제표준은 ISO와 IEC로 나뉜다. 우선, ISO는 전기적 안전, 연비, 배터리팩, 전기구동시스템, 무선충전 VA측 전자 장비의 표준화가 이에 속한다. 반면, IEC는 배터리셀, 전기부품, 충전시스템, 무선충전 인프라인 GA의 표준화와 연관되어 있다. 2019년 이전만 하더라도 전기차 무선충전 국제표준은 IEC 61980-1로 단일한 표준이 전부였다⁽²⁶⁾.

하지만, 현재는 전기차의 미래형 충전기의 대안으로 무선충전 방식이 큰 주목을 받으면서 국제표준에서도 이에 상응하여 다양한 형태로 발전을 거듭해오고 있다. 그림 6은 2023년 6월 이후 기준으로 전기차 무선충전 국제표준의 최신 현황을 보여준다. 우선, IEC와 관련된 표준은 크게 정차중 무선충전과 주행중 무선충전의 표준으로 나뉜다. 정차중 무선충전과 관련된 표준은 IEC 61980-1부터 IEC 61980-4까지 포함된다. 또한, 주행중 무선충전 시스템과 관련된 표준은 IEC 61980-5와 IEC 61980-6이 이에 해당된다. 다음으로 무선충전의 VA와 깊게 관련된 ISO는 두 가지의 표준인 ISO 5474-4와 ISO 5474-6이 활발히 제정중이다. 또한, 미국의 자체 표준이라고 볼 수 있는 SAE(국제자동차기술협회)는 세 가지의 표준인 SAE J2954 / J2847 / J2836이 제정중이다. 앞서 살펴본 바와 같이, 최근 전기차 무선충전 시스템과 관련된 표준은 다양한 형태로 활발히 발전되고 있다. 이러한 무선충전 국제 표준화의 주도는 글로벌 시장 선점 및 진출과 밀접하게 연관되어 있기 때문에 주요 제조업체간 표준을 주도하기 위한 첨예한 경쟁을 진행 중이다.

5. 결 론

향후 전기차의 충전시장은 고전압 배터리의 충전에 인간이 개입하지 않는 스마트한 무선충전을 채택하는 방향으로 진보할 것으로 기대된다. 이는 주요 선진국인 미국의 사례만 보더라도 정차중 무선충전의 경우, 미국 테슬라社의 최근 Investor day에서 공개한 미래형 무선충전 방식에 대한 언급 사례로도 살펴볼 수 있다⁽²⁷⁾. 더불어 주행중 무선충전의 경우, 현재 미국 주요 5개주(미시간, 플로리다, 인디애나, 펜실베니다, 유타)에서 실증사업을 본격적으로 진행중이다⁽²⁸⁾. 즉, 현재 전기차 무선충전 방식은 정차중 충전방식부터 주행중 무선충전 방식에 이르기까지 다양한 형태로 발전되고 있다. 이에 본 논문에서는 주요 세 가지 무선충전 기술과 다양한 이슈, 그리고 상용화를 위한 방향에 대해 심도있게 다루었다. 상용화를 위한 기술적인 측면으로는 정렬의 문제를 극복하기 위해 자율주행과 주차보조 시스템 등과 같은 미래 기술과의 융합이 반드시 필요하다. 또한, 소비자 입장의 경제성을 고려하여 크기/무게/부피의 개선을 통해 소비자에게 합리적인 비용으로 제공할 수 있는 솔루션이 반드시 요구된다. 더불어, 무선충전 방식은 자기장을 활용한 전력전달이므로 인체 안전과 주변기기의 오동작 방지를 위해 전자파적합성과 전자기파를 반드시 준수하는 해결책이 필요하다. 또한, 준주행중과 주행중의 경우, 제도와 법규를 준수한 충전 인프라의 설치와 관련된 다양한 이슈들을 해결하는 스마트한 솔루션이 확보되어야 상용화에 가까워질 것으로 예상된다. 마지막으로, 상용화를 위해 주요 선진국의 제조업체를 필두로 다양한 무선충전 표준이 제정되고 있다. 무선충전 국제 표준화의 주도는 글로벌 시장 선점 및 진출과 밀접하게 연관되어 있다. 따라서, 전기차 무선충전의 개발 진입을 고려한 업체들은 반드시 국제 표준화에도 각별한 관심과 주의를 기울어야 한다.