무선 전력: 스마트폰에서 EV까지… 앞으로의 길

오늘날 세상은 이어버드, 인덕션 쿡탑, 급성장하는 전기차 충전 분야까지 무선 인터페이스로 점점 더 구동되고 있다. 질문은 남는다: 결국 케이블 없이 자동차를 충전할 수 있을까? 송전탑과 터널 없이 원격지에 전력을 공급할 수 있을까?

무선 전력 전송은 두 대분류로 나뉜다. 첫 번째는 송신기와 수신기 간 밀착 결합(tight coupling)에 의존해 전기장이나 자기장을 생성, 짧은 간격을 가로질러 에너지를 직접 셔틀링한다. 인덕션 쿡탑, 전동칫솔, 대부분 폰 충전기 등 많은 가전제품이 이 원리로 근처 수신 코일에 전류를 유도한다.

두 번째 분류인 복사 결합(radiative coupling)은 에너지 빔(종종 고주파 라디오파)을 수신기로 향하게 해 가능한 한 많은 전력을 수확하도록 튜닝한다.

송신기와 수신자 간 정렬이 효율적 에너지 전송에 필수적입니다. (이미지: 몰렉스 벤처스)

효율과 전송 거리는 두 접근법 모두의 핵심 지표다. 밀착 결합은 정밀한 정렬을 요구한다. 예: 인덕션 쿡탑에서 팬이 자기 링 중심에서 벗어나면 즉시 가열 중단. 스마트폰은 내장 자석으로 폰을 충전 패드 중앙에 완벽히 유지해 충전 시간을 극적으로 개선하는 작지만 필수적 엔지니어링 노력을 기울인다.

더 큰 규모에서 전기차 무선 충전도 유사한 정렬 과제에 직면한다. 최근 몰렉스 설문에서 자동차 임원 36%가 2030년까지 무선 충전이 표준 기능이 될 것으로 예상. 휴대폰 충전기가 보통 수십 와트에서 동작하는 반면 EV는 내연기관과 경쟁력 있는 장거리 주행을 위해 50kW~250kW 필요. 단 몇 % 정렬 오차도 인터페이스에서 수백 와트 낭비 열로 직결된다.

전기차 무선 충전 레인 컨셉? (이미지: 몰렉스 벤처스)

SAE International J2954_202010 표준은 정지형 EV 충전용 상호운용성, 전자파 적합성, EMF 한계, 성능, 안전, 테스트를 정의해 많은 이슈를 해결한다. 사양은 현재 지상 패드만 다루고 플러시 마운트 설치는 아직 다루지 않지만 미래 동적 충전 시나리오 프레임워크를 수립한다.

표준은 운전자가 차량을 충전 패드에 정렬하도록 돕는 정렬 프로토콜도 정의하며 미래 자율 정렬 무대도 마련한다. 그럼에도 기술은 기존 충전소에 플러그 꽂는 편의성과 맞추려면 견고한 엔지니어링과 규율 있는 사용자 습관이 필요할 것이다.

차량 내 무선 충전은 현재 한계를 보여준다: 폰은 최적 코일 정렬을 위해 특정 지점에 놓아야 한다. 가장 진보한 소비자 충전기조차 여전히 고정된 위치에 사실상 테더링돼 있다.

다양한 충전 패드 형태: 랙, 패드, 컵홀더 (이미지: 몰렉스 벤처스)

최신 스마트폰은 강력한 자석으로 정렬을 단순화하지만 경험은 여전히 정의된 지점에 제약된다. 더 유연한 사용자 경험은 정확한 결합 없이 일정 부피 내 어디서든 기기 충전을 허용하는 것이다. 몰렉스 벤처스 투자 스타트업 오시아(Ossia)는 MIMO 스타일 안테나 어레이를 활용해 수신기가 직접 시야에 없더라도 전력을 빔으로 전송함으로써 정확히 그 비전을 추구한다.

오시아 시스템은 안테나에서 정기 신호를 방출해 인근 디바이스와 동기화. 각 수신기는 존재와 전력 요구를 보고하는 비콘을 방송. 송신기는 각 비콘 위상을 측정해 그 정보로 디바이스를 향한 코히어런트 에너지 빔을 조향. 다중 안테나로 각 요소에서 위상 차이를 분해해 벽에 반사돼도 수신기에 도달하는 고정밀 빔포밍 구현.

오시아 코타 전력 수신기 탑재 디바이스가 비콘으로 송신기 위치 파악, 같은 경로로 전력 전송. (이미지: 몰렉스 벤처스)

송신기는 여러 디바이스 동시 지원. 각 수신기 전력 요청 비콘 전송, 송신기가 요청에 비례해 전력 펄스 할당해 부피 내 효율적 분배 보장.

단단한 코일이 아닌 빔으로 전력을 전달함으로써 이 접근은 '무선 충전' 개념을 재정의한다. 천장 장착 연기 감지기가 무기한 작동하고 로봇 청소기가 도킹 없이 작동할 수 있다. 패러다임 전환은 충전에서 전력 전달로 이동해 유비쿼터스, 언테더드 에너지의 새로운 가능성 연다.

스마트폰이 유선 전화에서 해방시킨 것처럼, 진정한 볼륨메트릭 무선 전력 시스템은 일상 습관을 변혁할 수 있다. 이 비전 실현 열쇠는 정렬 센서, 열 관리, 고효율 빔포밍 발전이며, 전문성과 집중 연구가 점점 더 연결되고 언테더드된 세상으로 진전을 가속할 수 있다.

>> 본 기사는 자매 사이트인 EE Times Europe에 원문 게재되었습니다.

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