1) 내연기관차용 변속기와 전기차용 변속기의 비교
내연기관차용 자동변속기는 토크컨버터라는 장치를 통하여 유압의 힘으로 동력을 전달하고 선 기어와 위성 기어를 활용하여 변속을 하는 원리로 매우 복잡한 구조를 가지고 있다.
특히 단수가 올라갈수록 높은 기어비와 기어수가 많아지고 유압제어 시스템이 복잡해지면서 각종 장치 중 가 장 복잡한 구조를 가진 구조물이다. (그림1 참조)
즉 이 변속기는 크기가 커지고 무게 및 부피가 크며, 동시에 복잡하고 동작원리가 다원화되며, 역시 가격도 매우 높아지면서 고장이 발생할 경우 역시 수리비용도 기하급수적으로 증가한다. 이러한 장치를 활용할 경우 각종 부품을 유기적으로 동작 시키기 위하여 에너지 낭비가 발생하고 역시 유압을 이용하는 관계로 변속기 오일이 필요하 고 정기적인 교환도 필요하며, 상황에 따라 고장의 정도가 크면 수리비용이나 교체비용도 크게 증가한다.
그럼에도 불구하고 내연기관차용 자동변속기가 보편화된 이유는 운전자의 조작 편의성을 들 수 있다. 운전자가 용이하게 별도의 시스템을 구동 및 연계할 필요없이 자동으로 모든 도로 상황(가 감속, 등판 등)에 대하여 가장 편하게 대응할 수 있어 상기한 다수의 단점에도 불구하고 대다수의 소비자가 선택하게 되었다.
내연기관차용 자동변속기가 다단화 되면서 연비효율도 증가하여 현재 대부분의 내연기관차에 이용되고 있다.
물론 미국이나 한국, 일본의 경우 대부분의 자동차에는 경차임에도 불구하고 모두가 자동변속 기기 이용되고 있는 반면에 유럽의 경우 실용적인 부분이 강조되면서 대중 모델의 경우 일반적으 로 수동변속기가 장착되어 저렴하게 실용적으로 활용되고 있다. 유럽 시장에서의 자동변속기는 전체의 과반 정도이고 나머지 과반은 수동변속기 시장이다. 유럽에서는 자동변속기가 선택옵션으 로서 준비되어 필요한 소비자에게 공급되고 있다.
■전기차용 변속기가 필요한 이유
전기차용 자동변속기의 개발은 필연적이라 할 수 있으나 전기차 보급 자체가 최근에 급속도로 변화한만큼 변속기를 개발할 시간적 여유가 없었다. 특히 전기차용 변속기의 필요성에 대한 인식 자체도 없는 상태여서 일반 정격 모드에서 사용하는 모터의 속도제어 방법으로 전기차의 바퀴에 전달하면 된다는 인식이 보편화되어 있었다고 생각된다. 실제로 변속기 없이 전기차의 모터를 그 냥 제어하면 움직이는 만큼 굳이 필요성을 느끼지 못하였다고 할 수 있다. 더욱이 모터 제어는 정격 규정 내에서 제어하는 관계로 90%가 넘는 효율만을 근거로 제어하는 만큼 전기차 제어도 같은 방법으로 하면 된다는 인식이 일반적이었다. 그러나 전기차에서의 모터 의 구동영역은 급가속이나 급제동은 기본이고 높은 언덕을 올라가는 등판능력과 초고속 구동 등, 일반적인 모터 제어영역을 벗어난 구동이 일반적이어서 생각하는 만큼의 효율이 나오지도 않고 도리어 무리한 운행으로 모터의 수명에도 큰 영향을 줄 수 있다. 이러한 정격 규격을 벗어난 제 어는 인버터의 효율은 물론 모터의 효율에도 상당한 영향을 주어 효율이 반감되는 등의 문제가 발생한다. 그럼에도 불구하고 현재에도 모든 전기차는 단순한 모터 제어 방법을 통하여 운행되고 있어, 에너지 효율의 문제점을 크게 안고 있다는 것이다.. 높아진 모터의 온도 제어를 위하여 배터리 냉 각과 더불어 모터에도 냉각수를 돌리면서 강제로 냉각시키는 등 에너지 낭비는 물론 그에 따른 장비의 추가 등 여럿 문제점도 더불어 증가한다는 것이다. 현재의 전기차는 인버터를 활용하여 모터를 제어하는 단순한 속도제어를 하고 있다. 특히 상기 한 단점이 다양하게 있음에도 불구하고 현재와 같이 무리하게 사용하는 이유는 바로 변속기의 필 요성이 아직은 약하고 심지어 개발할 수 있는 시간적 여유와 비용 등 여러 면에서 개발 보급이 어렵기 때문이다. 기존 내연기관차용 변속기 개발과 같은 수십 년의 과정이 되풀이 되어야 하는 것이다. 물론 전기차용 자동변속기 개발의 필요성은 앞서 언급한 내연기관차용 자동변속기와 같다는 것 이다. 자동차 변속은 주변 환경적 상황에 능동적으로 대처할 수 있는 최적의 방법으로 적용하지 않을 이유가 없다고 할 수 있다. 우리가 주변에서 가장 많이 보고 있는 자전거의 변속방법을 참고하면 가장 이해가 빠를 것이다. 높은 언덕을 올라가기 위해서는 변속 기어가 없으면 더욱 페달을 큰 힘으로 눌러야 간신히 올라 갈 수 있지만 기어를 도입하여 작은 기어와 큰 기어를 활용하면 적은 힘으로도 어렵지 않게 등판 각도가 큰 언덕을 올라갈 수 있다. 이러한 수동적인 변속방법을 자동으로 변속하는 장치가 마련 되면 적은 힘으로 큰 힘을 내면서 각종 주변 도로의 상황에 대하여 능동적으로 대처가 가능하다. 현재의 내연기관차용 자동변속기가 바로 이러한 특성을 지니고 있어 활용되어 왔으나, 변속기 가 다단화 되어 변속기 구동을 위한 유압과 각종 액튜에이터와 기어는 물론 다양한 센서를 내장 한 상당히 복잡하고 거대한 장치가 되었다. 이 상황에서 유사한 자동변속기를 그대로 전기차에 적용할 수는 없다. 역시 크기와 무게, 부피 는 물론 변속기 오일과 유압을 활용하는 각종 시스템 구성, 복잡한 구조와 형태 등은 단순한 전 기차와 궁합이 맞지 않는 만큼 그대로 적용은 불가능하다고 할 수 있다. 어느 하나 그대로 전기 차에의 적용은 불가능하다는 뜻이다. 즉, 전기차에 맞는 자동변속기 개발은 시작부터 다시 하여 전기차에 적용할 수 있는 기준부터 마련되어야 하는 만큼 상당히 어려운 과제이다.
■기존 내연기관차용 변속기의 전기차에의 호환가능성
전기차는 엔진이나 변속기가 없고 대신 배터리와 모터가 장착되어 구조적으로 간단하고 에너지 가 직접 전달되는 만큼 고장이 나거나 복잡한 구조가 아닌 단순 구조이다. 아직 대부분의 전기차 는 모터의 속도를 감속기로 감속시키고 바퀴로 전달되는 특성이 있으나 상기와 같이 주변 도로 여건에 따라 능동적으로 대처하기 위하여 현재의 모터방법으로는 한계가 있다. 즉 언덕을 올라가 거나 정지 상태에서 출발할 경우, 최고속도로 달릴 경우 등 다양한 조건에 따라 능동적으로 속도 를 모터만으로 제어하기는 무리가 갈 수밖에 없다. 특히 모터의 경우는 정격속도로 운영해야 무 리가 가지 않는 반면 전기차에의 모터의 사용은 정격을 넘어 사용되면서 한계점을 넘기 일쑤이기 때문이다. 모터의 운영 특성을 나타내는 각종 자료들도 공장 등 일정한 공간 내에서 사용하는 정 격 영역에 대한 자료인 만큼 극한치를 오가는 전기차에의 적용은 그대로 사용할 수 없다. 즉 일 반적인 모터의 각종 자료는 졍격 내에서 모터는 물론이고 전력을 제어하는 인터버 등도 모두 95% 이상의 효율을 언급하고 있으나 전기차 등에 적용할 경우에는 이 정격 범위를 벗어나면서 효율이 약 50% 수준으로 떨어지는 등 과열로 인한 효율저하 등 여러 문제가 발생한다 다시 말하면 제공 되고 있는 각종 모터의 자료는 전기차 등에 그대로 적용되지 않는다는 것이다. 결국 전기차에도 변속기가 필요한 상황이지만 그렇다고 내연기관차용 자동변속기를 사용하기도 어렵다. 우선 내연기관차용 자동변속기를 전기차에 유사하게 사용하려고 해도 유압 시스템이 별 도로 있어야 하고 무게나 부피가 큰 것은 물론, 구조적으로 너무 복잡하여 각 부품을 움직이기 위한 전기에너지도 공급되면서 유기적으로 동작되어야 하는 만큼 현실적으로 적용이 어려운 상황 이다. 즉 현재의 내연기관차용 변속기는 엔진에 안성맞춤으로 설계 발전되어 온 장치라 전기차에 는 적용 자체가 어렵고 매우 비효율적이다.