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Nikkei X-TECH_2021.11.12

EV인데 변속기？
모터 부피 3분의 1로, 자트코와 보쉬가 어필

21년 11월 초순. 독일 보쉬는 자동차업체의 전기자동차(EV) 기술자를 도치기현 나스시오바라시에 있는 테스트 코스에 초대했다. EV가 안고 있는 과제를 해결할 기술을 담은 시작(試作) 차량에 태우기 위해서다.

EV 기술자가 체험한 것은 ‘CVT4EV’라고 이름 붙인 EV 전용 무단변속기(CVT)이다. 보쉬 파워트레인솔루션사업부 트랜스미션사업실의 야리타(鎗田) 매니저는 “25년까지 양산하고 싶다”라고 말한다.

EV용 변속기의 역할은 효율이 좋은 영역에서 모터를 구동할 수 있도록 항속거리를 연장하는 것이다. 또한 구동 토크를 높여 주행 성능을 개선해 나가는 것이다.

아이신이나 독일 ZF와 같은 대형 변속기 기업도 EV 전용 변속기 개발에 주력하고 있다. 변속기 제조업체 자트코(JATCO)의 이노베이션기술개발부 마에다(前田) 부장은 “20년대 전반의 양산을 목표하고 있다. 이미 시작기를 탑재한 차량으로 성능을 평가하는 중이다”라고 말한다.

기계 부품업체들도 뜨거운 눈길을 보내고 있다. 예를 들면, 일본정공(NSK)은 EV용 2속 변속기의 컨셉트를 이미 개발했다. NSK 자동차기술종합개발센터의 오오미(近江) 소장은 “빠르면 24년에는 (이 컨셉트에 탑재한 디바이스를) 제품화할 수 있다”라고 설명한다.

-- '굳이 변속기를 사용할 필요는 없다'도 일리 --
EV 전용 변속기는 항속거리의 연장이나 최고 속도의 향상 등 이점이 많은 한편으로 찬반 의견이 있는 것도 사실이다. 어느 일본계 자동차업체의 EV 기술자는 “모처럼 EV로 해서 변속기를 없앴으니 심플한 시스템 구성이 더 좋다”라고 말한다.

엔진차에는 변속기가 필수였다. 엔진은 효율적으로 작동할 수 있는 영역이 좁다. 가로축을 회전수(rpm), 세로축을 토크로 한 그래프로 생각하면, 효율이 높은 ‘핵심’은 핀포인트. 이 때문에 차속이나 요구 토크 등이 운전 상황에 따라서 변화해도 연비의 핵심 부근에서 엔진을 동작할 수 있도록 다단 변속기를 사용한 치밀한 제어가 필요하다.

한편 모터는 전력소비량(전비)이 크다. 폭넓은 동작 영역에서 90% 이상의 모터 효율을 달성할 수 있기 때문에 굳이 변속기를 사용할 필요는 없다는 의견도 일리 있다.

실제 양산 중인 EV의 대부분은 변속기를 채용하고 있지 않다. 닛케이BP가 지금까지 분해 조사한 독일 폭스바겐의 ‘ID.3’나 미국 테슬라의 ‘모델3’, 닛산자동차의 ‘리프’는 모두 변속기가 없었다. 1단 감속기라는 간소한 기어 기구를 이용해 모터의 출력을 구동 바퀴에 전달한다.

양산 EV에서 변속기를 탑재하고 있는 것은 독일 포르쉐의 고급 EV ‘타이칸’ 정도다. 2단 변속기를 갖추고 있다. 변속기를 채용한 가장 큰 목적은 최고 속도를 확보하기 위해서다. 고성능 사양의 모델에서 260km/h로, 엔진차에 뒤지지 않는 성능을 실현했다.

변속기가 없는 대부분의 양산 EV는 최고 속도를 160km/h 이하로 억제하고 있다. 동네 주행이 중심이라면 충분하다. 그러나 엔진차와 동등한 성능을 요구하려면 현재의 전동 파워 트레인으로는 부족하게 된다.

-- 엔진 시대의 기술 자산을 활용 --
최고 속도 외에, ‘고속 주행 시에 배터리 잔량의 감소가 빠르다’ ‘무거운 짐을 싣고 발진했을 때에 역부족을 느낀다’라는 목소리도 EV 유저로부터 나오고 있다. 모터는 전비 효율이 크다고 했지만, 그래도 일반도로와 고속도로는 효율이 10% 이상 다르다. 고속 주행 시에는 회전으로 생기는 역기전력에 의해 회전 저항이 생겨 효율을 떨어뜨리기 때문이다. 보쉬에 따르면, 회전 수에 따라 변속하면 D세그먼트 차량의 경우는 효율을 최대 4% 향상할 수 있다고 한다.

물론 EV의 불만을 해소하는 수단은 변속기 이외에도 있다. 예를 들면, 고회전 시와 저회전 시에 자기장 상태를 변화시키는 가변자속 모터로, 고속 주행 중 항속 거리의 침체를 억제하는 개발이 진행되고 있다. 발진 시의 토크를 확보한다면, 모터를 크게 하거나 전후륜에 모터를 배치해 4륜 구동(4WD)으로 하는 방법도 있다.

이러한 방법과 비교해서 변속기로 대응하는 이점 중 하나는 엔진 시대의 기술 자산을 활용할 수 있는 점일 것이다. “기어의 재료나 윤활유 등은 지금까지 축적해 온 지식을 활용할 수 있다”(자트코의 마에다 부장). 보쉬에 의하면 CVT의 벨트는 엔진차 전용을 그대로 사용할 수 있다고 한다. 다른 방법에 비해 비용 면이나 신뢰성 등에서 우위성을 보이면서 자동차업체의 변속기 채용으로 이어지고 있다.

-- 최고 속도를 10% 향상 --
보쉬가 개발한 CVT4EV의 특징은, 이름 그대로 CVT를 채용하고 있는 점이다. 타사의 상당수는 유성 기어를 사용한 2단 변속기를 개발하고 있다. CVT가 시스템은 더 복잡해지지만 보쉬는 ‘다양한 요구를 1개의 시스템으로 대응할 수 있다’는 점을 어필한다.

저속 주행 시에는 기어비를 작게 해 언덕길에서의 가속 성능을 높이고, 고속 주행 시에는 기어비를 크게 해 효율을 개선하면서 최고 속도를 끌어올린다. C세그먼트 차량의 경우, 최고 속도를 10% 이상 높일 수 있다고 한다.

CVT4EV를 탑재하는 혜택으로서 쉽게 체감할 수 있는 것이 언덕길에서의 저속 주행이다. 나스시오바라의 테스트 코스의 시승 프로그램에서는 30% 경사의 언덕길을 사용했다. CVT4EV의 기능을 온으로 한 상태가 더 안정감이 있었다. 이 기능이 오프 상태보다도 언덕길 발진 시의 차량 미끄러짐이 적고, 엑셀 페달을 작게 밟아도 언덕길을 올라갈 수 있었다.

자트코는 CVT에서 세계 점유율 선두이면서, EV 전용에서는 유성 기어를 사용한 2단 변속기를 유력 후보로 삼고 있다. “로우와 하이의 2개의 기어비가 있으면 많은 장면에 대응할 수 있다고 판단했기 때문이다”(자트코의 마에다 부장).

자트코는 EV용 변속기를 채용하는 혜택의 하나로서 모터의 소형화를 어필한다. EV에서 큰 모터가 필요하게 되는 경우는, 발진이나 급가속 등 큰 토크가 요구되는 장면이다. “기어비가 작은 로우 기어가 있으면, 픽업 트럭과 같은 대형차의 경우는 모터의 부피를 1/3로 줄일 수 있다”(자트코의 마에다 부장). 모터나 인버터를 일체화한 전동 액슬 상태에서도 부피를 반감할 수 있을 것으로 시산했다. 모터의 소형화를 통해 절약한 비용은 변속기를 채용할 때의 자금이 된다.

-- 변속 쇼크를 억제하다 --
2단 변속화할 때의 과제는 변속 쇼크에 대한 대응이다. 여기에 주목한 것이 NSK이다. 변속 쇼크를 억제해 출력 토크를 일정하게 할 수 있는 제어 기구를 개발했다. 변속 쇼크가 커지는 것은 엔진차용 AT(자동변속기) 등에 비해 Step Ratio가 커지기 때문이다.

AT에서는 1단과 2단의 Step Ratio는 1.5~1.7이 일반적이다. NSK는 EV용 2단 변속기에서 항속거리를 가장 연장할 수 있는 Step Ratio는 2.5로 시산했다. “Step Ratio 2.5는 매우 커서, 대책을 세우지 않으면 변속 쇼크가 두드러지게 된다”(자트코 자동차사업본부 자동차기술종합개발센터 야마모토(山本) 매니저).

변속 쇼크를 일으키는 주요인은 클러치 기구에 있다. 적절한 타이밍에 하이와 로의 기어를 바꾸지 못하면 출력 토크가 불안정하게 된다. 그래서 NSK는 토크 센서를 활용한 피드백 제어를 개발했다. 변속에 사용하는 클러치의 동마찰계수는 예측하기 어려워 지금까지의 피드포워드에서는 안정된 클러치 전달 토크 제어가 어려웠다.

EV 전용 변속기는 앞으로 대형차부터 도입이 진행될 전망이다. 다만 동네 주행 중심의 소형 EV에는 불필요한 기술일 것이다. 탑재의 경계선은 C세그먼트 차량이라고 보는 견해가 많다. EV가 다양화되는 타이밍을 포착하여 제품을 준비하기 위해 부품업체는 기어를 올리고 있다.

 -- 끝 --

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