KAIST 무선전력전송연구센터 · KAIST 무선전력전송연구센터 305-732...

KAIST 무선전력전송연구센터

305-732 전광역시 유성구 문지로 193 한국과학기술원 문지캠퍼스

Tel. 042-350-6683 Fax. 042-350-6689 www.smfir.co.kr

CONTENTS

추진경과 6

추진배경 8

세계 최초 SMFIR 원천기술 확보 9

무선충전 전기버스 기술 12

무선충전 철도 기술 14

핵심 연구성과 17

구미시 시내버스 상용화사업 22

향후 적용 가능 분야 25

보도자료 30

www.smfir.co.kr 7KAIST무선전력전송연구센터6

4. 2세 무선충전 전기버스 5. 무선충전 전기마을버스 6. 무선충전 전기승용차

1. 무선충전 전기차 초창기 모델 2. 무선충전 전기차 초창기 모델 2 3. 1세 무선충전 전기버스

7. 1세 코끼리전기열차 8. 2세 코끼리전기열차 9. 여수엑스포 무선충전 전기버스

10. KAIST 무선충전 교내셔틀버스 11. 60kHz 용량 무선급전 원천기술 시연 12. 연구중인 무선충전 무가선트램

14. 구미시 무선충전 전기버스 상용운행 15. 1 MW급 고속철도 무선충전 원천기술 시연13. 무선충전 전기버스 시범운행 개통식

신성장동력과제 선정(제29회 국가과학기술위원회)

교과부 무선충전전기자동차 원천기술개발사업

CNN “Eye on South Korea”에 무선충전전기자동차 방

서울 공원 시범사업 시험 인프라 착공

서울 공원 OLEV 열차 시범사업 완공 및 시험운행 시작

지경부 무선충전전기자동차 기반 단기수송시스템 기술개발 사업 과제

G20 정상회의 기간 중 홍보관 운

TIME지“2010년 50 발명품”에 무선충전전기자동차 선정

2010

01. 13.05. 01.10. 21.11. 09.

03. 09.05. 01.11. 11.11. 22.

2011 OLEV 심포지움 개최(KAIST)

서울 공원 코끼리전기열차 상용운행 시작

국내외 상용화 추진을 위한 회사 설립

국내 : (주)올레브(2011. 09.) 국외 : OLEV Tehc(2011. 03.)

철도시설공단 고속철도용 전력 비접촉식 급집전 기초 핵심기술 개발 과제

국토부 1차년도 비접촉 전력전달방식친환경 중교통시스템 개발 과제

2011

2012 여수엑스포박람회 OLEV 전시 및 운행

자동차안전연구원 내 표준급전인프라 구축

OLEV버스 및 급전인프라 공인인증 확보

KAIST OLEV 교내순환셔틀버스 운행 시작

국토부 2차년도 비접촉 전력전달방식친환경 중교통시스템 개발 과제

2012

60kHz 용량 무선전력전송 원천기술 초기시험 성공(오송 무가선트램 시험장)

세계경제포럼(WEF∙다보스포럼) “2013년 10 유망기술”에 OLEV 기술 선정

무선충전전기버스 시범사업 협약체결 : 구미시

60kHz 무선전력전송 기술 무가선 트램 적용 시연

구미시 무선충전전기버스 개통식

05. 18.07. 19.09.09.10.12.

제1회 제주국제전기자동차엑스포 컨퍼런스 개최

구미시 상용운행 개시

무선충전시스템관련 국회토론회 개최

1MW급 용량 무선전력전송기술 고속철도 적용 시연

국제철도연맹(UIC) “INNOVATION AWARD(혁신상)”수상

국토부 저비용 무선충전 전기버스 시스템 상용화 기술개발 과제

2014 03. 19. 03. 25.04. 17.05. 20.12. 03.12. 29.

제2회 제주국제전기자동차엑스포 기술 전시 및 시범운행개통식

콜롬비아 메데인시 MOU 체결

2015년도 발명의 날 발명품 선정 및 전시

세종시 시범사업

국토부 도시철도용 무선급전시스템 안전기술 개발 과제

2015 03. 06.~15.04. 17.05. 19.06.06.

05. ~ 08.10.10.10. 04.11.

02. 13.02. 15.03. 06.06. 04.08. 06.

2013

2009

추진경과 Progress Achieved


한계 극복 연구 필요

석유 에너지 고갈환경오염 문제

CO₂배출규제

배터리 문제

본격적인상용화

충전 문제

전기자동차 개발 필요성 두

실시간 급속 무선충전이 가능한 신개념 전기자동차 시스템을

개발하여 배터리 문제와 충전문제 해결

충전시간

효율

안전문제

사용편의성

무게

가격

부피

주행거리

비접촉 충전기술을 이용하여 주행 및 정차 중 충전이 가능한 원천기술을 개발하여 전기자동차 상용화의 걸림돌인 배

터리 문제와 충전 인프라 문제를 해결함으로써 미래 전기자동차 시장의 탁월한 국가 경쟁력 확보

무선충전전기버스 핵심기술 개발성과를 기반으로 승용차, BRT, 철도시스템 및 기타 무선전력전송 응용분야에 적용하여

파급 창출

원천기술 확보를 통해 미래 무선충전수송시스템 시장에서 탁월한 국제적 경쟁력을 확보, 신시장 주도 및 기술을 선점하

여 부가가치 창출

세계최초로주행및정차중무선으로 용량의에너지를안전하게전달할수있는SMFIR

(Shaped Magnetic Field In Resonance, 자기공진형상화기술) 원천기술개발

SMFIR 원천기술을활용하여도로밑에매설된전선에서발생하는‘자기장’을차량하부에 장착된 집전장치를 통해

효율적으로 모아‘전기 에너지’로 변환하여 차량을 운행하는 무선충전 수송시스템 기술 개발

Amperes lawMagnetic flux B

(travels through air) Generated VoltageFaradays law

(induction)Source Current

- 무선충전전기버스 상용 운행에 필요한 이격거리, 전력전달 효율 및 용량을 확보하고 전자파 안전성 문제를 해결하여 상용화 가능성 입증

20kHz 무선전력전송 원천기술 확보

Pick-up device

Power line

CapacitorCable

Core

Shaped Magnetic Field in Resonance

※상용운행에필요한조건확보

- 이격거리 : 20cm

- 전력전달효율 : 85%

- 집전용량 : 100kW

- 전자파인체안전성 : 최 62.5mG 확보

추진배경 Background 세계 최초 SMFIR 원천기술 확보 The World’s First Development of SMFIR Technology


60kHz 무선전력전송 원천기술 시험테스트 성공

- 무가선트램, 철도 등을 위한 무선충전 기술의 활용성을 증 시키고 용량, 고효율, 저비용 60kHz 용 급집전 시스템 개발

- 오송 무가선트램 시험장에서 60kHz 무선급전 원천기술 시연행사 개최

- 2013년 6월 4일 무가선트램에 60kHz 무선급전 기술을 적용하여 공개시연

※달성성과

- 이격거리 : 10cm

- 전력전달효율 : 85%

- 집전용량 : 180kW

무가선트램

세계 최초 1MW급 용량 무선전력전송시스템 고속열차 적용 성공

- 2014년 05월 20일 고속철도에 1MW급 무선전력전송 시스템 공개시연

- 의왕 고속철도 시험장에서 시연행사 개최

- 철도 분야의 새로운 혁신 시스템으로 국제철도연맹(UIC)에서 혁신상 수상

[1.2MW급 급전인버터]

[노선배치도]Section 1 (47m) Section 2 (128m)

60kHz 급전선로

차량에 장착된 픽업

레귤레이터

무선충전 전기버스 기술 OLEV Bus Technology

KAIST무선전력전송연구센터 www.smfir.co.kr12 13

특징

일반 도로를 충전소로 활용, 달리면서 실시간으로 무선충전이 가능하여 전기자동차의 사용 편의성 및 안전성 증

1. 주행중 급전 및 충전이 가능

버스 운행 노선 중 시점, 종점, 정류장, 교차로 부근 및 주차장 등 전체 버스 운행 노선의 약 2% ~ 15%이내의 급전 인프라를 구축

하기 때문에 인프라 구축 비용 절감

2. 운행노선의 2% ~ 15%이내의 급전 인프라 구축

차량하부에 장착된 집전장치를 통하여 OLEV 차량만을 인식하여 전력을 공급하는 세그멘테이션 적용으로 안전성을 확보

3. 세그멘테이션 기술 적용으로 안전성 확보

배터리 일체형 전기자동차 비 차량 가격 및 인프라 구축 비용의 경쟁력 유지 가능

4. 전기자동차 가격 경쟁력 우위

배터리 문제(가격, 무게, 주행거리, 충전시간) 및 충전설비 문제 등 전기자동차 상용화의 제약요인을 극복하고 전기자동차 상용화의

돌파구를 마련하여 전기자동차 보급 가속화에 기여

5. 전기자동차 상용화의 새로운 돌파구 마련

융합 연구를 통한 원천기술 개발로 기술선점 및 무선충전 분야(수송시스템, 휴 기기, 가전기기)의 신성장 동력 산업 창출 가능

6. 기술선점을 통한 신성장 동력 산업 창출 가능

20kHz 무선전력전송 원천기술을 이용하여 도로 밑에 매설된 전선에서 발생하는‘자기장’을 차량하부에 장착된 집전장치를 통해

‘전기에너지’로 변환하여 차량을 운행하는 새로운 개념의 친환경 전기자동차

- 버스 운행 노선 중 시점, 종점, 정류장, 교차로 부근 및 주차장 등 전체 버스 운행 노선의 약 5%이내 정도의 급전 인프라를 구축 하여

OLEV 차량인 경우에만 인식, 전력을 공급하는 세그멘테이션 적용

개념 및 원리

급전레일

집전장치

배터리 1/3로 용량축소

세그먼트 형식의 저렴한 도로급전

차량하부에서 고효율로 집전

인버터

3phase

440V/60Hz

200A

20kHz

급전구조물

급전

인버터

3phase440V/60Hz

200A20kHz

레귤레이터

세그먼트 세그먼트 세그먼트세그먼트 세그먼트

배터리

모터인버터

버스전용차선 배터리 가격을 획기적으로 절감 감전위험이 없는 비접촉 무선 충전방식

사용자의 안전성과 편의성 확보

주유소 5배 이상 고가의 충전시설 불필요

기존 전기차에 비해 월등한 경제성 확보

무선충전 철도 기술 OLEV Train Technology


용량 고효율, 저비용 60kHz 용 급집전 시스템 원천기술을 이용하여 철도 레일위에 구축된 급전선로에서 발생하는

‘자기장’을 철도 하부에 장착된 용량 집전장치를 통해 효율적으로 모아‘전기에너지’로 변환하여 열차를 운행

개념 및 원리

배터리 집전장치 급전레일

급전 장치

집전 장치

인버터

3phase440V/60Hz

400A60kHz

하부 급전 선로

배터리

모터집전모듈

전차선/판토그래프 제거

터널 단면 축소 및

공사비 절감

도시 미관 개선 /

마모에 의한 유지보수비

절감 및 소음저감

특징

무선충전 용량의 증 를 위한 60kHz 용 급집전 시스템을 개발, 무가선 트램 및 고속철도에 적용 가능

1. 무선충전 기술의 활용성을 증

기존 철도시스템의 상부가선 방식에서 발생하는 문제점을 해결하고 철도시스템 전반에 한 패러다임 변화에 기여

2. 새로운 미래철도 기술경쟁력 강화

비접촉 방식으로 전력을 공급받기 때문에 급전장치의 마모가 없어 유지보수 비용 절감

3. 철도시설의 유지 보수 비용 절감

높은 속도에서도 팬터그래프와 전차선 간에 이선문제와 소음문제 등 해결

4. 고속 주행시 안전성 확보와 소음문제 해결

전신주 등 전차선 설비가 필요하지 않아 도시미관이 개선되고, 철도부지 소요면적이 줄어들고

터널단면적도 크게 축소돼 건설비 감소

5. 도시 미관 개선과 건설비 감소

6. 전기자동차 상용화의 새로운 돌파구 마련

인버터

� 국제철도연맹 혁신상 수상 (2014. 12.03.) - 무선전력전송시스템으로 국제철도연맹(UIC) Innovation Awards 수상

www.smfir.co.kr 17

핵심 연구성과 Key Research Achievement

� 세계 10 미래 유망기술 선정 (2013. 02.15.) - 세계경제 포럼(WEF : 다보스 포럼)에서 2013년 세계 10 미래 유망기술로 선정

세계 10 미래 유망기술 및 세계 50 발명품 선정, 철도연맹 혁신상 수상

� 세계 50 발명품 선정 (2010. 11.22.) - 시사주간지 타임지에서 2010년을 빛낸 세계 50 발명품으로 선정

� 우수 논문 게재

- Proceedings of the IEEE, Coil Design and Shielding Methods for a Magnetic Resonant Wireless Power Transfer System(Apr. 2013.)- IEEE Spectrum, Charging Up the Road(Apr. 2013.)

핵심 연구성과 Key Research Achievement


● 순환도로 내에 급전인프라 구축하여 주행 및 정차 중 충전, 세그먼테이션, 최적 동력 배분, EMF 차폐 등 연구성과 검증

● 서울 공원 전기코끼리 열차 운행권 획득(2012. 12.)

● 급전인프라 구축 : 총 2.2km 순환도로 중 372.5m, 16%

서울 공원 시범사업을 통한 급전인프라 구축 완료하여 2011년 7월부터 상용운행 개시

● 엑스포 기간 동안 에너지파크 체험시설과 생산시설 사이 약 600m의 노선 운행(2012. 05. ~ 08.)

● 급전인프라 구축 : 총 600m 도로 중 36m, 6%

2012 여수엑스포 OLEV 시범인프라 구축 및 운행

● 총 3,760m의 순환 노선을 42인승 무선충전전기버스 2 가 운행되며 1일 동안 각 16회씩 운행하여 일일 최 1,344명 수송

● 향후, [본원-문지캠퍼스] 및[본원-월평역] 셔틀 추가 운행 검토 예정

● 급전인프라 구축 : 총 3,760m 도로 중 60m, 1.6%

2012 OLEV 상용 급전인프라 구축 및 교내셔틀버스 운행(2012. 10.~)

● 세계 최초로 일반도로 시내버스 구간 도입 및 운행

● 구미역과 인동지역을 잇는 간선 버스노선으로 운

● 급전인프라 구축 : 총 32km 왕복노선 중 144m, 0.6%

구미시 상용운행 개시(2014. 03.25.)


세계 최초 신기술 상용화를 위하여 세계 최초 법제도 기반 마련

구분 진행상황

∙전파응용설비용 주파수 배분(19~21kHz, 59~61kHz)완료주파수

협조부처

방송통신위원회

∙도로법시행령 개정완료

- 전기자동차 충전시설의 경우 매설깊이 예외조항 신설도로구조 국토교통부

∙OLEV 전기안전 상용기준

- 사도로 인증규격 : 완료 - 공공도로 인증규격 : 완료전기안전 지식경제부

∙OLEV 차량 안전기준

- 폐쇄지역 운행차량 인증규격 : 완료 - 개방지역 운행차량 인증규격 : 완료차량인증 국토교통부

∙무선충전시스템 국제표준

- IEC TC69 WG4에서 61980(전기자동차 무선충전시스템)에 한 국제표준방안 : 채택협의중국제표준 기술표준원

구분 인증 내용 인증 기준 결과

차량전자파 인증자동차안전기준에 관한 규칙 제111조의 2,

전자파적합성 시험

고전원전기장치 인증자동차안전기준에 관한 규칙 제18조의 2,

고전원 전기장치

30MHz~1GHz 역

자동차안전기준 만족

절연저항 500㏁ 이상

(실측 : 870 ㏁)

차량공인인증

검증기관

자동차안전연구원

급전인버터EN 50178 Electric equipment for use in

power installations

급전 Cable LSS12-3A48 Rev.1(전력선 전기안전 기준)

만족

만족

집전 Cable LSS12-3A116 Rev.1(전력선 전기안전 기준) 만족

전기

안전

전기안전공사

안전인증센터

한국기계전기

전자시험연구원

한국기계전기

전자시험연구원

차량 전자파 자동차안전기준에 관한 규칙 제111조의 2

EMF(전자파인체

보호기준) 전자파

IEC 62110 기준 62.5mG (6.25uT) /

20kHz 기준

만족

만족

압축강도 KS F 2405 / 30 MPa 이상31.2 MPa

(적합)

전자파 안전

도로

안전

부산테크노파크

표준과학연구원

한국건설생활환경

시험연구원

휨강도KS F 2408 / 3등분점 하중법

(0.7 MPa 이상)적합

한국건설생활환경

시험연구원

사업화 추진 예정 현황

구 분 내 용

미국

덴마크

콜롬비아 콜롬비아 메데인시 MOU 체결(2015. 04.17.)

서울특별시 서울특별시-KAIST MOU 체결(2009. 08.11.)

세종시 무선충전전기버스 시범사업(2015. 06. ~)

Massport Authority 보스톤 로건공항 시범사업 검토(2013. ~)

콜딩시 시범사업 검토(2013.)해외사업

국내사업

� 2013년 07월 09일부로 차량 인증까지 완료하여 모든 인증 확보 완료

상용화 기술에 한 전문기관 검증 및 공인인증 확보(전기, 전자파, 도로 및 차량)

콜롬비아 메데인시 MOU 체결(2015. 04.17.)

핵심 연구성과 Key Research Achievements

콜롬비아 OLEV 버스 LOI (한국어) 콜롬비아 OLEV 버스 LOI (서어)

구미시 시내버스 상용화사업 Pilot Project for Gumi City Bus Service


인증을 확보한 상용 수준의 무선충전 전기버스 기술을 시범 노선을 상으로 실제 도로에 구축하여 운 함으로서

현장 운 시 발생할 수 있는 문제점을 도출하고 보완하여 무선 충전 전기버스의 보급 촉진

OLEV 사업화 추진

구미시 향후 계획

� 전기버스 중심의 중교통 체제로 일 혁신

- 간선도로 전기버스, 각 도로중심으로 지선도로 방사순환 운행

� 2015년도 간선도로 전기버스 운행 도입 및 연차적 확 계획

기 효과

� 저탄소 녹색성장의 일환으로 구미시에서 추진하고 있는‘탄소제로도시’이미지 확보

- ‘구미시 100 공약’사업에 의한 온실가스 감축 목표 달성 가능성 증

�‘구미시의 녹색정책 추진의지를 외적으로 홍보가 가능하여 도시 브랜드 증 효과

� 시민들에게 전기버스 체험기회 제공, 친환경 중 교통에 한 관심과 긍정적 인식 확산

� 중교통 이용률이 높은 구간에 적용하여 무선 충전 전기 버스의 우수성 홍보 극 화

무선 충전 전기버스 : 2 (저상버스 모델)

구축 규모

노선 : 구미역과 인동 지역을 연결하는 왕복 32km 노선

구간 거리(km) 내용

계 구미역~인동고등학교 입구 12

1구간 구미역~KBS네거리 2.6 왕복 4차선 도로

2구간 KBS네거리~수출탑로터리 1.8 왕복 8~10차선 도로

3구간 수출탑로터리~인동광장 5 왕복 6차선 도로

왕복 6~8차선 도로4구간 인동광장~인동고등학교 입구 2.6

급전구조물

급전

인버터

3phase440V/60Hz

200A20kHz

레귤레이터

세그먼트 세그먼트 세그먼트세그먼트 세그먼트

배터리

모터인버터

버스전용차선


향후 적용 가능 분야 Future Challenges and Tasks

- 1단계 : 무가선트램, 고속철도, 경전철

- 2단계 : KTX, 전동차 등 모든 가선을 이용한 철도 차량

1. 철도차량에 적용할 수 있는 무선 전력 전송 기술 개발

- 중교통(버스, 철도)와 연계 할 수 있는 Sharing 소형 무선 충전 전기자동차 개발

- 소형 무선 충전 전기자동차 개발로 전기자동차의 보급 증 가능

2. 소형차용 무선 충전 시스템 개발

- RTG 집전장치 개발

- YT용 집전장치

- 항만용 급전 인프라 개발

3. 친환경 항만 시스템 구축을 위한 무선 충전 항만 수송시스템 기술

1. 미래 시장 선점 가능

2. 광범위한 전기 산업 분야 활용 가능

3. 고용창출 및 경제효과 발생

4. 기 효과

휴 기기/가전 분야

노트북, 휴 폰, 휴 플레이어,

TV, 가전제품

로봇 분야

가정용, 산업용, 군용

자동차 분야

시내버스, 마을버스, 고속버스,

택시, 승용차, 골프카, 공장 항만 등

규모 단지내 이송차량, 트럭

공항/항만 분야

항공기, 선박

레저 분야

사파리, 보트, 놀이공원

철도 분야

BRT, PRT, 경전철, 지하철, 고속철

SMFIR원천및 파생기술



자료출처 : KRRI

1. 도시 교통시스템

�바이모달트램

�수송능력 : 93명(좌석 29석)

�추진 : 하이브리드(CNG+Fuel Cell)

�최소 회전반경 12m, 자동운전 및 정 정차

�버스의 운 유연성, 경전철의 정시성 및 수송수요

자료출처 : KRRI

�한국형PRT

�수송용량 : 1,200명/시간

�급전방식 : 비 접촉 급전

�세계 시장 전망 : 약 16.2조원(2020년기준)

자료출처 : KRRI

�무가선트램

�최고속도: 70km/h

�수송능력 : 200명/편성

�차량 : 5모듈 1편성(수요에 따라 7, 9, 11 모듈)

�최소 곡선반경 25m, 실내소음 70dB(A) 이하

�온라인전기버스

�비접촉 용량 에너지 전달기술

�배터리 용량 감소(기존 전기차의 1/5)

�전체 노선의 약 20%에 급전인프라 구축

�도로 주행중 충전

자료출처 : KRRI

�한국형경량전철

�최고속도 : 70km/h

�수송능력 : 100명/량

�제어방식 : 무인자동운전

�알루미늄차체 및 고무차륜형식 1축 차

자료출처 : KRRI

�차세 전동차

�에너지소비(-20%) : 차체경량화, DDM

�유지보수성(+20%) : DDM, 완전 전기제동, 부품 수 최소화

�신뢰성(+20%) : 분산추진제어, 제어장치 2중화

�수송능력(+10%) : 가감속도 향상, 운전시격 단축

�승객편의성(+30%) : 확장형 갱웨이, 공조설비

�환경친화성(+10%) : 재활용 내장재, 친환경 냉매

자료출처 : KRRI

�저심도지하철도

�최소곡선반경 : 15m

�종단경사 : 9%이내

�저소음 레일, 저비용 건설

�자동차와 주행성능이 같은 철도차량

자료출처 : KRRI

�산악철도


�수송능력 : 300명/편성

�등판능력 : 200‰



자료출처 : KRRI

2. 지역∙ 륙간 교통시스템

�500km/h급고속열차

�수송능력 : 93명(좌석 29석)

�추진 : 하이브리드(CNG+Fuel Cell)

�최소 회전반경 12m, 자동운전 및 정 정차

�버스의 운 유연성, 경전철의 정시성 및 수송수요

자료출처 : KRRI

�신소재틸팅열차


�수송능력 : 278석/편성

�틸팅성능 : 최 8도

�탄소섬유 복합소재 차체

�전기기계식 틸팅 EMU

자료출처 : KRRI

� 심도급행열차

�최소곡선반경 : 15m

�종단경사 : 9%이내

�저소음 레일, 저비용 건설

�자동차와 주행성능이 같은 철도차량

자료출처 : KRRI

�해중철도

�터널 단면적 : 98m²

�구조체 : 강철+콘크리트

�중력식 계류장치

�탈선방지 가드레일

자료출처 : KRRI

3. 물류 시스템 및 기타

�고속화물철도수송시스템

�300km/h으로 고부가가치 화물 수송

�기존 고속철도망에서 운행

�KTX-산천으로 1편성당 최 166톤 수송

자료출처 : KRRI

�철도∙항만연계시스템

�선박의 항만내 기시간 단축

�동시 상하역 가능

�조수 간만차 해결

자료출처 : KRRI

�미래지하물류시스템

�도심 지하 공간을 활용한 미래 화물 수송 시스템

�주요 부도심 구간을 연계한 지하 물류 통로

�중앙 통제 및 자동 운전을 통한 운 효율성 제고

자료출처 : KRRI

�모노레일

�낮은 점유면적

�저비용 건설

�급곡선운행 가능

�소음, 진동공해 적음

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