■전기차용 변속기의 요구특성
전기차는 기존 내연기관차와는 완전히 다른 시스템을 가지고 있다. 전기차는 내연기관차의 핵심이 되는 엔진과 변속기가 없다는 것이고 연소 형태의 에너지 발생장치 자체가 없다. 이는 열을발생시키는 열원이 자체적으로 없고 회전력을 모터가 아니면 직접 분배할 수 있는 시스템도 구비되어 있지 못하다는 것이다. 특히 엔진의 출력은 처음 출발할 때는 토크가 발생하지 않아서 어느정도 출력이 발생해야 토크가 발생하는 특성은 전기차와 완전히 다르다.
즉 전기차는 모터의 출력이 감속기를 거쳐 직접 바퀴에 전달되는 만큼 처음부터 토크가 바퀴에 전달되어 제로백이 매우빠르고 큰 특성을 나타내는 것이라 할 수 있다. 상대적으로 내연기관차는 어느 정도 회전력이 전달되어야 토크가 발생되어 출발할 때 어느 정도 시간적인 여유가 있는 부분도 큰 차이점이다.
다시 말하면 이러한 특성의 차이를 변속기에도 나타내야 하는 만큼 내연기관차의 변속기를 그대로 사용할 수 없는 차이점이라 할 수 있다. 즉 무겁고 부피가 크며, 유압과 복잡한 구조의 내연기관차의 변속기를 구조적으로 간단하고 상대적 시스템이 간결한 전기차에 적용한다는 것은 불가능하고의미가 없기 때문이다. 결국 전기차에 내연기관차용 변속기를 적용하는 것 자체가 넌센스라는 것이다.
결국 전기차의 자동변속기는 기존 내연기관차용 자동변속기의 응용이나 방법은 물론 특성조차도 적용할 수 없어서 초기부터 다시 고안하고 설계해야 하는 특성이 요구된다. 다른 국가 대비 약 10년 정도 앞서서 전기차를 시작한 중국의 경우도 전기차 자체의 완성도가 뛰어나고 특히 효율성이나 알고리즘 적용 등 다른 국가의 전기차 대비 우수한 부분이 많은 장점이 있으나 결국 전기차의 변속기 적용은 지금까지 어려웠던 이유이다.
실제로 중국 내에서도 이미 수년 전부터 전기차용 자동변속기가 필수적으로 요구되고 적용해야하는 이유를 알고 있었으나 결국 기술적인 한계, 비용, 시간 등 여러 면에서 아직도 적용하지 못하는 이유라고 자주 언급하곤 하였다.
기존 내연기관차용 자동변속기가 지난 수십 년간 발전을이어와서 지금의 10단까지 오게 된 배경을 보면 얼마나 변속기 기술개발이 어려운가를 알 수 있는 대목이라 할 수 있다. 전기차도 예외는 아니라 할 수 있다.전기차용 자동변속기는 구조적으로 다음의 특성이 요구된다. 물론 아래의 특성은 일반 승용차의 기준이며, 중대형의 트럭 등에 적용되는 경우는 다른 방법으로 개발되어야 한다.
첫째 기존 내연기관용 변속기 기술과는 다른 새로운 기어 방식이 필요하다. 기존의 토크컨버터나 선 기어와 위성기어 방식은 적용이 쉽지 않은 만큼 다시 시작하는 개념연구가 요구된다. 물론일부에서는 낮은 변속기 개발에 기존 선기어와 위성기어를 이용한 방식도 일부 나타나고 있다.
둘째로 모터의 회전력을 감속기를 포함한 새로운 시스템으로 대체할 수 있는 구조가 요구되는 만큼 전기차용 자동변속기는 구조적으로 간단하고 용이하게 변속을 자동으로 할 수 있어야 한다.
전체적인 무게나 부피는 물론 용이하게 변속이 가능한 구조를 가져야 하며, 모터의 고회전력을 무리하게 받지 않으면서 변속을 능동적으로 하는 시스템 개선도 필수적이다. 모터의 회전력은 우리가 느끼는 정도 이상의 큰 토크를 수반하는 만큼 변속 장치가 충격을 받아서 내구성이 떨어지거나 변속 충격이 없는 것은 당연할 것이다. 물론 변속 충격은 내연기관차용 자동변속기와 같이 4단 이상이 되어야 충격의 정도도 크게 줄어들 것으로 판단된다.
셋째로 전기차가 감속되면 자동으로 회생제동하면서 에너지가 저장되는 특성을 전기차용 변속기개발에도 고려되어야 한다. 회생제동 특성은 내리막 길이나 고속 이후 속도가 줄어들 때 상당한 양의 에너지를 회수하는 핵심적인 전비개선 장치인 만큼 변속기 개발에도 그 특성이 최대한 반영하여야 한다.
넷째로 전기차 변속기는 사용할 수 있는 구동 에너지가 다르게 설계하여야 한다. 내연기관차용자동변속기와 같이 유압을 이용할 수 없고 변속기 자체에 적지 않은 전기에너지가 유입되어야 하는 구조는 전기차용 변속기에는 적용하기 어려울 수 있다. 결국 전기차용 변속기는 구조가 간단하고 부품수가 적으며, 무게도 적은 경·박·단·소형 자동변속기가 되면서 변속 단수는 최소한 4단이상이 되어야 효과가 극대화될 것으로 생각된다.
다섯째 전기차 변속기 탑재에 있어 경제성이 확보되어야 한다. 현재에도 전기차는 '반값 전기차'라는 숙제를 안고 진행 중에 있는 경쟁 모델이다. 자동변속기가 개발되어도 비용이 고가이고 중량이 무거우면 상대적으로 같은 배터리 용량으로 주행거리가 짧아지는 만큼 가장 최적의 고단 자동변속기 적용을 통하여 경제성도 보장받아야 한다는 것이다. 결국 한마디로 '고단 경·박·단·소형보급형 자동변속기' 특성이 요구된다는 뜻이다.
상기한 특성이 보장된 전기차용 자동변속기 개발은 결국 비용, 시간, 전문 인력 투입 등이 보장되어야 하고 개발에도 상당한 기간이 요구된다는 의미이다. 꼭 필수적인 장치이지만 개발하기 그리 쉽지 않은 전기차의 게임체인저 기술이라 하겠다.
■전기차용 자동변속기 개발에 필수적인 조건은?
전기이륜차용의 변속기 개발도 좋은 전기차 적용 사례이다. 전기이륜차는 일반 전기차 대비 구조적으로 더욱 단순하고 외부로 부품이 노출되어 구조변경 등 다양한 장점이 있어서 변속기 적용이 용이하기 때문이다.
중요한 것은 전기차의 적용 대상이 변해도 같은 원리로 적용하는 만큼 확장개념과 응용도를 높이는 것이 중요하다고 할 수 있다. 전기차용 변속기의 경우는 전기이륜차용 변속기와 마찬가지로 특징이나 조건 등이 더욱 까다롭고 시간적 비용적 특성이 더욱 강하다는 것이다.
전기차용 자동변속기 개발에 있어서 필수적인 조건은 다음과 같다.
■전기차용 변속기의 차종별 개발 조건
전기차용 자동변속기는 기존 내연기관차용 변속기를 응용할 수 있는 여건이 아닌 만큼 백지상태에서 완전히 새롭게 개발하는 특성상 시간, 비용적인 측면은 물론 연구인적자원 등 여러 면에서 용이하지 않은 분야이다. 특히 전기차 자체가 최근에야 본격적으로 보급되는 특성상 더욱 환경적 인프라가 조성되지 못한 부분도 어려운 환경이다. 여기에 전기차에의 적용은 설사 개발한다
고 해도 검증과 안전을 전제로 한 문제점 파악과 내구성 등 여려 면에서 더욱 최종 양산형 적용까지 어려움이 가중된다는 것이다. 여기에 복잡한 하드웨어의 구성도 어렵지만 이를 구현하는 소프트웨어인 알고리즘 개발은 더욱 융합적인 측면에서 가장 난이도가 높다고 할 수 있다. 실제로내연기관차용 자동변속기 10단에 개발되기까지 시간이 많이 소요된 이유도 바로 알고리즘을 개발하는 과정이 더욱 난해하고 어려운 분야이기 때문이다. 이른바 변속기 컨트롤 설계인TCU(Transmission Control Unit)라고 할 수 있다.
따라서 전기차용 자동변속기 개발을 진행하기 전에 구조적으로 조금은 단순하고 구조적 측면에서 명료한 전기이륜차용으로 우선적으로 적용한다면 더욱 용이하게 전기차로의 접근이 쉬워진다고 하겠다. 즉 새로운 기술적 적용은 전기차보다는 우선적으로 전기이륜차에의 적용이 용이하다고 하갰다.
물론 일반 승용 전기차용 변속기와 달리 중대형 전기트럭이나 전기트레일러 등에 적용하는 변속기의 경우는 활용되는 모터 용량이 크고 모터의 속도도 낮으며, 저속 고토크 특성이 커서 변속기 특성이 완전히 다르다는 것이다. 한편으로는 기존 내연기관용 대형 트럭에 사용되던 변속기 특성을 응용하여 손쉽게 개발할 수 있는 여력은 더욱 풍부하다고 하겠다. 그 만큼 대형 전기차는공간이나 출력 특성 등이 일반 전기승용차 대비 크게 달라서 다른 개발 방향을 지니고 있다고 할수 있다. 전체적으로는 대형 전기차의 경우는 소형 승용전기차 대비 전용 변속기 개발의 유연성이 크다는 것이다.
우선 전기 이륜차에서의 변속기 적용 예시의 경우 다음과 같은 특징으로 인해 변속기 적용 효과를 알아보기 쉽다.
결국 전기이륜차용 자동변속기는 탑재 비용 대비 더욱 두드러진 경제성이 부각되어야 탑재가 가능하고 내구성과 상당한 기술력을 보유하여야 차별화가 가능하다. 즉 전기이륜차용 자동변속기의 특성은 더욱 경·박·단·소(가볍고 구조적으로 얇고 단순하며, 작은 크기)의 조건 지녀야 한다는 것이다. 여기에 경제성을 가질 정도로 내구성과 저렴한 조건까지 갖추어야 한다는 뜻이다.