닛케이 Automotive_25.10월호 (p18~21)

미쓰비시자동차, 도그 클러치를 채택한 새로운 HEV 기술 개발
약 1년 만에 전환

미쓰비시자동차(三菱自動車)가 주력인 동남아시아국가연합(ASEAN) 시장에 투입하는 독자적인 하이브리드차(HEV) 기술을 개발했다. 엔진 및 모터와 차축의 분리에 사용되는 마찰식 습식 다판 클러치(Wet Multi-plate Clutch)를 맞물림식 도그 클러치(Dog Clutch)로 전환하고, 2단 변속 기능을 새롭게 추가했다. 아이신과 협업해, 1년 2개월이라는 짧은 기간에 개선했다. ASEAN에서는 2030년에 HEV 판매가 3배로 증가할 것으로 전망되고 있다. HEV의 연비와 주행 성능을 서둘러 높여 ASEAN에서 반전을 도모한다는 전략이다.

미쓰비시자동차는 올 4월, 태국에서 발매한 SUV ‘Xforce’에 새로운 HEV 기술을 채택했다. 이 새로운 HEV 기술은 1년 2개월 전에 투입한 HEV 기술을 크게 개선한 것이다. 미쓰비시자동차가 독자적으로 개발한 HEV를 ASEAN에 최초로 투입한 것이 2024년 2월에 발표한 MPV(다목적 차량) ‘Xpander’이다. 엔진으로 발전해 모터로 구동하는 시리즈 방식을 기반으로 하고 있으며, 고속주행 시에 엔진과 차축을 직결할 수 있다는 것이 특징이다. 지금까지 추진해온 플러그인하이브리드자동차(PHEV) 기술을 기반으로 한다.

하지만, 태국 등에서의 HEV 사용 방식을 분석해본 결과, 많은 인원이 승차하는 과부하 시나 고속주행 시의 연비 성능 등에 과제가 있다는 것을 알게 되었다. 미쓰비시자동차는 아이신과 협업해 아이신의 변속기 기술을 활용하여 단기간에 도그 클러치 및 2단 변속 기능 채택 등을 추진한 결과, 연비 성능을 20% 높일 수 있었다. 미쓰비시자동차 프로젝트 추진실의 우에히라(上平) 부장은 “고속주행과 다인원 승차 시의 연비를 신속하게 개선하고 싶었다”라고 말한다.

미쓰비시자동차는 오랜 기간 중시해온 PHEV를 ASEAN에 투입하고 있었다. 하지만 ASEAN에서는 충전 인프라가 적어 PHEV 보급에는 시간이 걸릴 것으로 보고, HEV로 중심축을 옮기고 있다. 태국 등에서는 HEV에 세제 우대도 있다. 미국의 조사회사 S&P Global Mobility에 따르면, ASEAN의 HEV 판매는 2030년에 약 86만 대로 증가해 2025년의 3.3배에 달할 것으로 전망된다. 세계의 HEV 시장은 2030년에 1.7배로 성장할 것으로 전망되고 있어, ASEAN의 HEV 수요 성장은 세계 시장의 성장률을 크게 상회할 것으로 예상된다.

아이신과의 HEV 기술 개발에는 약 2년 반 걸렸다. ASEAN 시장의 니즈를 고려해 기존 기술과 병행해 이번 기술개발을 추진해온 것으로 보인다. 아이신은 구동모터와 기어박스를 일체화한 부품 개발을 담당했다. 미쓰비시자동차와 아이신의 주된 개발 거점은 아이치(愛知)현에 있다. 미쓰비시자동차 제1EV·파워트레인기술개발본부의 한다(半田) CPE(치프 파워트레인 엑스퍼트)는 “약 30분 안에 이동이 가능해 언제든지 대면으로 협의할 수 있었기 때문에 원활하게 개발이 진행되었다”라고 말한다.

미쓰비시자동차는 이번 새로운 HEV 기술을 일본 등, ASEAN 이외의 국가∙지역에 투입하는 것도 염두에 두고 있다. 한다 CPE는 “판매 지역에 대한 제한은 두고 있지 않다. 일본도 물론 가능하다”라고 말한다. 고속주행 시의 연비를 개선했기 때문에 유럽이나 북미 시장에도 쉽게 보급될 수 있을 것으로 한다 CPE는 보고 있다.

-- 도그 클러치로 변경한 이유 --
미쓰비시자동차는 엔진을 차축과 연결하거나 분리하는 습식 다판 클러치를 도그 클러치로 바꿈으로써 엔진 구동 시의 연비 성능을 높였다. 마찰로 힘을 전달하는 습식 다판에 비해 톱니의 맞물림에 의한 도그 클러치의 전달 효율은 높다.

습식 다판 클러치에는 엔진으로부터의 동력을 전달하는 클러치판과 차축에 동력을 전달하는 클러치 하우징 사이에 윤활유층이 있다. 기름의 점성을 이용함으로써 클러치 체결 시의 진동을 억제해 매끄러운 클러치 전환을 실현할 수 있다. 윤활유 내에서 사용되기 때문에 클러치판의 수명도 늘어난다. 하지만 기름의 점성 저항으로 인해 클러치 동작 시 전달 손실이 커지기 쉽다. 더 나아가 복수의 클러치판과 윤활유를 사용하기 때문에 구조가 복잡해지고 코스트도 많이 든다.

한편, 도그 클러치는 톱니의 물리적인 맞물림으로 체결되기 때문에 습식 다판 클러치의 마찰에 의한 전달에 비해 손실이 작다. 구조도 단순하여 소형화하기 쉽다. 하지만, 고속 회전 중에 톱니를 맞물리게 하려면 회전 속도를 맞추는 동기 작업이 필요하며, 어긋난 채 맞물릴 경우, 큰 진동이나 소리가 발생한다. 제대로 동기 제어를 하지 않으면 소비자의 클레임 등으로 이어질 수도 있다.

미쓰비시자동차는 습식 다판 클러치를 위해 개발한 기술을 도그 클러치에 응용함으로써 진동 등이 발생하지 않는 동기 제어를 실현했다고 한다. 습식 다판 클러치에서 클러치판이 미끄러지지 않도록 회전속도를 엄밀하게 맞춰 체결하는 기술을 개발한 것이다. 우에히라 부장은 도그 클러치 체결에 대해 “언제 클러치가 연결되었는지 모를 정도의 기술 수준”이라고 자신감을 내비쳤다.

도그 클러치를 채택한 HEV 기술은 미쓰비시자동차가 얼라이언스를 맺고 있고 프랑스 르노(Renault)도 가지고 있다. 양 사의 가장 큰 차이는 도그 클러치가 작동하는 빈도이다. 르노의 기술에서는 구동모터 측에 2단, 엔진 측에 4단 기어를 탑재하고, 이것을 도그 클러치가 연결한다. 구조가 복잡해 가속할 때마다 도그 클러치가 연결되거나 분리된다.

반면, 미쓰비시자동차의 기술은 엔진을 직결할 때만 도그 클러치가 동작한다. 미쓰비시자동차의 한다 CPE는 “빈도가 적고, 심플하다”라고 자사의 우위성을 강조한다.

-- 2단 변속으로 다수 인원 승차에 대응 --
엔진과 타이어를 직결하는 축에 2단 변속 기능을 마련한 것도 이번 HEV 기술의 특징이다. 고속 기어는 중∙고속 구역에서, 새로 마련한 저속 기어는 저속∙고부하 구역에서 연결된다. 기존에는 중∙고속 구역에 대응하는 기어뿐이었다.

경사로나 다수 인원 승차 시 등, 과부하 주행 시에 저속 기어를 사용하는 ‘Parallel Low’라불리는 주행 모드를 새롭게 마련했다. 기존에는 모터로 주행하고 있었다.

과부하 시 모터로 주행하면 모터와 인버터, 배터리의 효율이 떨어지기 쉽다. ASEAN에서 흔히 볼 수 있는 성인 5명이 승차하는 경우의 연비 성능을 높이는 수요에 대응했다. 미쓰비시자동차는 다수 인원 승차 시에는 모터 주행보다 엔진 주행이 효율을 높일 수 있다고 생각했다.

과부하 주행 시에 기존 기어를 그대로 사용하면 충분한 토크를 얻을 수 없다. 미쓰비시자동차는 비용을 들여 새롭게 저속 기어를 마련하고 엔진의 회전 수를 낮춰 토크를 높였다. 우에히라 부장은 “엔진의 회전 수를 낮추면 연비 성능도 올라간다. 소음도 없어져 차내 쾌적성까지 향상되었다”라고 하며, 비용 대비 많은 이점이 있었다고 말한다.

고속 기어에 연결되는 경우는 가감속이 적은 외곽 지역의 일부나 고속도로에서의 주행으로, ‘모터 분리(Parallel Motor Disconnect) 모드’를 새롭게 설정했다. 기존에는 엔진과 모터에서 모두 구동했지만, 고속 순항 시 모터 구동을 활용하면 효율이 낮아지는 요인이 된다고 분석했다. 모터 분리 모드를 통해 차축과 모터를 클러치로 분리하고, 주로 엔진만을 고속 기어로 연결해 주행하게 함으로써 연비 성능을 향상시켰다. 미쓰비시자동차는 이에 대한 상세한 내용은 밝히지 않았지만, 고속 주행에서 가속할 때에는 “발전기를 사용해 엔진의 구동력을 보조한다”(우에히라 부장)라고 설명한다.

우에히라 부장은 “(새로운 HEV를 도입하는) 태국에서는 일반도로에서도 많은 유저가 고속으로 주행하고 있어, 중∙고속 구역의 약 60%를 모터 분리 모드로 주행할 수 있다”라고 말한다. 중∙고속 구역의 연비 성능은 약 10% 높아졌다고 한다.

미쓰비시자동차가 개발한 HEV는 혼다의 HEV 기술 ‘e:HEV’와 비슷하다. 혼다도 시리즈 방식을 베이스로 하면서도 고속 구역과 견인 시 등 과부하 구역에서 엔진과 차축을 직결한다. 한다 CPE는 “시가지 주행 등, 모터 구동에 적합한 구역은 시리즈 방식으로 하고, 적합하지 않은 구역은 엔진 구동에 맡긴다는 방식은 혼다와 같다”라고 말한다.

-- 열효율 40% 이상의 엔진 --
엔진 배기량은 1.6L로 HEV용으로 설계했으며, 열효율은 40% 이상을 달성했다. 예를 들어, 모터로 워터펌프 등의 보조장치를 구동할 수 있기 때문에 V벨트를 없애 마찰손실을 저감했다. 또한, 흡기 밸브를 일찍 닫는 밀러 사이클을 채택했고, 내경(실린더의 안쪽 지름)×행정(피스톤이 실린더 안에서 상사점과 하사점 사이를 왕복하는 거리)은 75.0mm×90.0mm로, 행정이 긴 엔진으로 한 것이 열효율 향상에 기여했다. 압축비는 기존의 10.0에서 14.0으로 높였다.

배터리 용량은 1.1kWh로 했다. PHEV와 EV 개발에서 쌓아온 배터리 제어 기술을 활용해 모터만으로 주행할 때에는 “타사의 시스템보다 배터리로부터 보다 많은 전력을 추출할 수 있다”(우에히라 부장)라고 한다.

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목차_닛케이 AUTOMOTIVE_25.10월호

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'T형 포드 이래'의 EV 생산 혁신

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〮 스텔란티스가 FCV 사업 철퇴, 2030년까지 보급을 전망할 수 없다고 판단
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Part 2. 기가캐스팅은 한정적
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독자로부터
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편집실로부터
2025년 10월호

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