[기고] 전선은 없애고 성능은 향상시키는 차량용 무선 충전 솔루션

글. FRANK SCHOLZ, Molex 무선 충전 제품 관리자

차 안에서 케이블로 스마트폰을 충전하는 지금까지의 방법은 이제 시대에 뒤떨어진 불편한 일이 되어가고 있다. 커넥터 단자가 늘 맞는 것도 아니고 어댑터를 분실하거나 케이블이 꼬일 수도 있으며 운전 중에 스마트폰을 연결하는 행위 자체가 위험하고 USB 커넥터의 충전 용량이 매우 부족하기도 하다.

에릭슨(Ericsson)의 ‘이동성에 관한 보고서(Mobility Report)’에 따르면, 2023년까지 스마트 폰 사용자는 72억 명에 육박할 것으로 보인다. 즉, 향후 몇 년 안에 전 세계 인구의 약 90%가 휴대폰을 사용하게 된다는 것이다. 특히 스마트 폰 없이 운전한다는 것은 상상조차 할 수 없으며, 최근 연구에 따르면 10명 중 7명이 운전 중에 스마트폰을 사용한다고 한다.

단순히 전화를 거는 차원을 넘어서 휴대폰은 이제 그 어느 때보다 더 많은 기능을 제공하고 있다. GPS 네비게이션, 인포테인먼트(팟 캐스트, 인터넷 라디오 및 플레이리스트) 옵션, 음성인식 문자 메시지, 사용자 차량 설정(에어컨 및 좌석 위치) 및 클라우드를 이용한 데이터 전송 등이 모두 휴대폰으로 가능하며 이런 기능들은 자동차 제조사의 앱을 이용할 때도 필수적이다.

휴대폰 사용이 이처럼 다양해짐에 따라 아주 많은 데이터 송수신이 필요한데 휴대폰에서 전송하는 데이터가 많을수록 배터리 수명은 더욱 짧아지게 된다. Wi-Fi 연결과 앱 사용 증가 외에도 디스플레이의 물리적 크기와 품질이 향상됨에 따라 배터리는 이전보다 더욱 빠르게 소모될 수밖에 없다. 그뿐 아니라 일상 생활에서도 스마트폰을 지속적으로 사용하려면 보다 많은 전력이 필요한데 이에 따라 배터리가 더욱 많이 소모되기도 한다. 이런 이유로 차량 내 충전이 현대인의 일상 생활에서 더욱 중요한 화두로 등장하고 있다.

입증된 기술
KeyFob 시스템의 발전으로 현재 차량 도어 잠금/열림, 트렁크 열림/닫힘 및 중요한 원격 엔진 시동과 같은 기능들이 가능해졌다. 그런데 무선 충전은 KeyFob 성능을 저해하는 전자기장을 생성함으로써 차량내의 시스템에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 그러므로 무선 충전 시스템은 KeyPob 시스템에 간섭을 일으키는 EMC를 방출하지 않도록 해야 한다

운전자가 KeyFob를 무선 충전기나 그 근처에 둘 경우를 가정하면 설계상의 어려움이 더욱 커진다. 예를 들어, 휴대폰 무선충전 중에 KeyFob가 무선 충전기 또는 플랫폼에 있을 경우 차량은 KeyFob 신호를 찾을 수 없기 때문에 시동을 걸거나 차량을 작동시키지 못하게 된다.

플랫폼에서 휴대폰으로 전력을 전송할 때에는 일부 에너지가 손실되지만 무선 충전 시스템은 완벽한 조건 하에서 약 45%의 효율성을 달성할 수 있다. EMC 차폐 및 방열 시스템이 에너지 효율을 높이는데 중요한 역할을 한다.

무선 충전기의 충전 시간은 송신기와 수신기 모듈 사이의 거리에 따라 달라진다. 몰렉스가 최근인수한 Laird CVS 사업부는 최대 브릿지 거리를 4mm로 줄이는 기술을 확보했다. 이 기술을 채용하면 보다 원거리로의 무선 충전이 가능할 뿐 아니라 송신 전력이 높을 때에만 차량 내 전자기 호환성 (EMC)에 부정적인 영향을 미치게 된다.

보다 효율적인 솔루션
무선 충전 모듈이 동일한 부품을 갖추고 있는 경우는 거의 없다. 수신 장치로 전력을 전송할 때의 효율성은 사용되는 부품들의 설계 및 구축과 관련된 전문 기술에 따라 달라진다.

CVS의 최신 차량용 무선 충전 모듈은 다른 시스템과 비교해 매우 효율적이다. CVS의 설계는 TX 코일(무선충전모듈)과 RX 코일(스마트 폰) 사이에서 4mm의 범위만으로도 최대 62% (차량 내 무선충전기에서 스마트 폰 충전 시)의 효율을 5W로 제공한다.

독특한 파워 스테이지 드라이버와 혁신적인 EMC 차폐 및 보호 입력 회로가 결합된 스위치 설계는 무선 충전 시스템이 자동차 EMC 요건을 능가하도록 해준다. EMC 차폐는 안테나 보드에 직접 연결되어 휴대폰의 모든 수평 위치에서 GSM, UMTS 및 LTE 신호의 송수신을 증가시키기도 한다.

보다 스마트한 솔루션
몰렉스는 집적 무선 충전 컨트롤러가 장착된 스마트 무선 충전 기기를 제공한다. 예를 들어, 충전 시 5W의 경우, 정확히 5V를 휴대 전화의 배터리 위치에서 최대 1 암페어 전류로 사용할 수 있다. 몰렉스의 무선 충전기는 표준 충전 케이블과 동일한 성능을 제공한다. 배터리가 완전히 충전되었거나 전화기를 빼내면 자동으로 충전이 종료된다. 최종 사용자의 스마트폰이 Qi 표준과 호환되지 않는 경우, 해당 시스템이 즉시 꺼지면서 일체의 전파 방해로부터 전화기를 보호한다.

CVS 의 무선 충전 모듈은 자동차 제조사가 규정한 차량 관련 구성 내에서 제공된다. 모든 CVS의 제품은 제품 설계자의 요구 사항에 따라 무선 충전 플랫폼에서 개별적으로 설계 및 개발된다. 차량 제조업체를 위한 모듈은 스마트 폰의 수신 슬롯과 함께 OEM에서 요구하는 사이즈 설계에 맞춰 제공된다.

이 ‘플러그 인’ 타입의 기기는 중앙 콘솔에 설치하도록 설계되었는데 업스트림 Compenser®(안테나 엠플리파이어)와 동축 케이블로 연결되어 있으며 CAN Bus를 통한 시스템 및 전원 공급용 커넥터를 장착하고 있다. 눈으로 보이는 유도 영역(패드)은 각각의 스마트폰을 안전하게 받칠 수 있는 중앙 팔걸이 또는 중앙 스택 아래에 놓여 진다. 전자 부품 및 커넥터는 유도 영역 아래에서 해당 구조로 배치된다

차세대 제품은 여러 기기들을 동시에 충전할 수 있으며 향후 2 ~ 3년 내에 하위 호환성을 획득할 예정이다. 특히 자동차 부문의 무선 충전 시장에서 흥미로운 개발은 전통적으로 높은 수준의 데이터 보안이 요구되는 다른 어플리케이션에서도 구현할 수 있는 근접 무선 통신(NFC) 표준을 통합하게 된다.

NFC를 통합한 무선 충전 기술은 인증, 페어링 뿐 아니라 관심항목 전송 등의 기능을 제공한다. 그뿐 아니라 인터넷 연결 기능이 많은 차량에서는 자동차 키로도 사용이 가능하다.

또 다른 예로는 자동차 공유 렌탈 서비스의 자동 종료, 최신 및 추가 카드 정보 또는 증강 현실 정보 다운로드와 같은 자동 결제 프로세스를 들 수 있다. 이처럼 고품질 표준을 갖춘 무선 충전 기술은 OEM 회사들에게 고유한 솔루션을 개발할 유연성을 줄 뿐 아니라 사용자에게도 매우 편리한 기능을 제공해주게 된다.