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- Author: 오토기어 autogear – 자동차에 대한 모든 정보
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- Date Published: 2022. 8. 17.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=t9oCTQX0uJs
변속기 없는 전기차, 1단 기어만 사용하는 이유는?
친환경 전기차 시장이 꾸준히 성장하고 있지만, 내연기관 자동차를 완전히 대체하기에는 아직 부족한 점이 많다. 때문에 제조사들은 내연기관 자동차의 효율을 최대한 끌어올리기 위해 꾸준히 기술 개발을 진행하고 있고, 그중에는 변속기 다단화도 포함되어 있다. 이처럼 8단 DCT, 10단 자동변속기 등 다단 변속기는 신차 출시 시 마케팅 포인트로 활용될 만큼 차량의 중요 요소 중 하나로 자리 잡았지만, 신형 전기차 출시에는 변속기 관련 내용을 확인할 수 없다.
이는 이미 전기차에 관심이 많은 운전자들은 알고 있는 내용으로 전기차에는 변속기가 아닌 1단 변속기를 사용하고 있기 때문이다. 정확히는 단일 기어인 1단 감속기를 사용하고 있고, 덕분에 전기차는 변속 과정이 없기 때문에 변속 충격 없이 부드러운 주행이 가능한 것이 특징이다.
그동안 내연기관 자동차에 변속기를 사용했던 이유는 내연기관의 적절한 회전수를 활용해 효율적인 운행을 하기 위해서다. 내연기관은 엔진 회전수마다 발휘하는 토크가 다르고, 일정한 회전수에 도달해야 힘을 발휘하기 때문에 속도별로 적절한 기어를 사용해야 한다. 때문에 출발 전 엔진이 계속해서 일정 속도로 작동(공회전) 해야 하고, 수동 변속기를 주로 사용하던 시절에는 클러치를 부드럽게 조작해야만 시동이 꺼지지 않고 출발할 수 있었다.
반면 전기차에 사용되는 전기모터는 작동하는 동시에 최대 토크가 발휘되고, 최대 토크가 꾸준히 발휘된다. 덕분에 내연기관처럼 출발 전 공회전 상태를 유지할 필요도 없고, 모터 회전수가 주행에 중요한 요소가 아닌 만큼 계기판에 RPM 게이지가 없다. 이처럼 전기차는 가속 페달을 밟으면 인버터를 통해 전압과 주파수를 조절하고, 모터 회전수를 높이는 것만으로도 충분한 가속이 가능하다.
하지만 무거운 전기차를 효율적으로 운행하기 위해서는 모터의 토크를 더 높여줘야 하기 때문에 회전수를 줄이는 대신 토크를 높여주는 감속기를 적용하는 것이다. 감속기의 원리는 자전거를 쉽게 예로 들 수 있다. 오르막길에서 자전거를 탈 때 낮은 기어비로 조정을 하면 페달을 열심히 돌려도 속도는 느리지만, 비교적 손쉽게 언덕길을 올라갈 수 있는 효과와 비슷하다.
이처럼 감속기를 전기차 모터와 구동 축 사이에 적용을 해 모터의 토크를 적절히 활용할 수 있도록 한다. 하지만 전기차는 기어비가 하나로 고정되어 있는 만큼 최고 속도가 낮은 단점이 있다. 일반 내연기관 자동차가 2단 기어로 높은 속도를 낼 수 없는 것과 같은 이유인데, 모터의 회전수를 올리는데도 한계가 있고, 고회전으로 갈수록 효율이 떨어질 뿐만 아니라 결국 토크도 감소하기 때문이다.
이런 이유 때문에 높은 최고 속도가 필요한 포뮬러 E와 전기 하이퍼카 제조사 리막의 C Two와 같은 전기 하이퍼카에는 전기차용 2단 변속기를 사용한다. 하지만 일반적인 전기차는 변속기 없이 1단 감속기를 적용하는 것만으로도 실용 구간에서 충분한 출력과 효율을 발휘하고, 구조적 이점, 무게, 비용 등의 추가 장점이 있는 만큼 1단 감속기를 적용하고 있다.
전기차 브랜드인 테슬라와 같이 독특한 방식으로 2단 기어를 구현하는 방법도 있다. 테슬라 모델 S는 두 개의 전기모터에 가속용 기어, 항속용 기어를 각각 연결해서 가속과 고속 주행 시 상황에 맞춰 효율적으로 운행한다. 가속 시에는 낮은 기어비를 이용해 폭발적인 힘을 발휘하고, 항속 주행 시에는 높은 기어비를 이용해 효율을 중시하는 방식이다. 하지만 이 방식은 두 개의 감속기를 각각의 모터에 연결한 방식으로 2단 변속기라고 보기에는 어렵다.
과거에는 내연기관 자동차도 4단, 5단 변속기면 충분하다는 의견이 많았다. 하지만 기술 발전을 통해 효율적인 8단, 10단의 다단 변속기가 시장에 나타났고, 시장에서 주를 이루고 있다. 전기차도 현재는 기술적인 한계, 감속기의 충분한 효율 등으로 변속기가 탑재되고 있지 않지만, 현재 내연기관용 변속기가 발전해 왔듯이 전기차의 효율을 높여주는 전기차용 변속기가 개발되고, 보급될 날이 올 것으로 기대된다.
오토버프([email protected])
전기차에 변속기(Transmission)가 없는 이유 그리고 배터리의 중요성
전기차에 변속기(transmission)가 없다는 것은
전기차에 관심이 있는 사람들이라면 대부분 알 것이다.
그런데 왜 필요가 없는 것일까?
우선 이것을 알아보기 위해서는 내연기관 차량에 왜 이것이 필요한가를 알아야 한다. 일반 차량에서 엔진 성능을 몇 마력 몇 토크(torque)라고 이야기하는 것을 많이 들어보았을 것이다. 1마력(Horsse Power-馬力) 은 75kg.m/sec, 즉 75kg의 물체를 1초 동안에 1m 들어 올릴 수 있는 능력을 의미한다. 그리고 약자로 HP라고 표기한다(휴렛패커드의 HP가 아니다.)
그리고 토크란 회전력을 의미한다. 회전 중심점에서 1m 떨어진 지점에서 1N의 힘으로 물체를 돌리는 힘으로써, 1N.m (1토크-뉴턴 미터) 가 되는 것이다.
자동차를 운행하는 데 있어 회전수만(rpm) 높다고 해서 되는 것이 아니라 회전력이(토크) 좋아야 하므로 이 두 가지가 모두 좋아야 한다. 예를 들어 야구선수가 배트를 휘두르는 회전(RPM)만 빠르고 힘을 주지 않고 치면(토크) 어느 정도 선 까지는 공을 보낼 수 있지만 그 이상 보낼 수는 없다.
그래서 마력은 회전(rpm) X 토크가 되는 것이다. 그리고 이러한 것을 적절히 조절하도록 있는 것이 변속기(트랜스미션)이다.
변속장치는 톱니바퀴와 톱니바퀴가(Grea-기어) 맞물려 이루어져 있고 이 톱니바퀴들이 어느 속도에서 최대 토크를 내기 위해서 번갈아가면서 바뀐다. 이때 클러치와 함께 작동되는데 클러치는 엔진의 회전을 변속기로 전달하거나 차단하기 위한 장치이다.
클러치를 밟으면 엔진의 회전이 기어에 전달되지 않고 이때 기어 스틱 이용하여 기어의 크기를 단수에 맞게 맞물리도록 하는 것이다. 그런데 요즘에는 오토매틱 차량이 보편화되어 클러치 페달은 잘 볼 수 없지만 이러한 시스템 자체는 모든 일반 내연기관 차량에 탑재가 되어 있는 것이다.
그리고 기존 내연기관차의 엔진은 이 변속기어와 맞물려 있는데 엔진이 차량의 속도를 내기 위해서 그만한 토크를 바로바로 못 내니 변속기의 도움을 받아 달리는 힘과 스피드를 내는 것이다. 다르게 말하면 차량의 주행에 따른 엔진 효율을 높이기 위한 것이라 말할 수 있겠다.
그러나 전기차에는 모터가 장착되어 있다 모터는 4행정 사이클(흡입-압축-동력 전달-배기)이 필요치 않으며 전기를 연료로 쓴다. 모터는 전원을(시동) 켜면 아이들링도 필요치 않고 이미 최대 토크에서 출발을 하게 된다. 최대토크에서 바로 출발을 하다 보니 타이어 슬립이 날 정도로 가속력이 생기는 것이다. 그리고 이 토크를 어느 정도 회전수까지 유지할 수 있으므로 클러치와 변속기가 필요 없는 것이다.
그렇다고 해서 모터를 장착한 모든 전기차가 트랜스미션이 없는 것은 아니다. 일부 전기차에는 트랜스미션이 장착되어 있으며 주로 특수한 차량에 장착되어 있다 물론 단수는 일반 내연기관 차량보다는 적다.즉 기어의 개수가 적다.
그리고 일반 전기차에도 트렌스미션과 비슷한기능을 하는것이 있는데 모터옆에 달려있는 기어가 있다 그리고 그것을 감속기라 부른다.
이것을 트렌스미션이라 하지않고 감속기라고 불리는 이유는 감속비가 고정되어 있고 모터의 고회전 저토크의 입력을 받아 토크를 높이는 역할을 하는 데 있어서 감속이 일어나므로 이렇게 불리는 것이다.
전기차에 트랜스미션이 없는 것은 여러모로 이득인 면이 많다. 우선 기계적 신호가 줄어들어 응답성을 높일 수 있고 그것으로 인해 변속을 하자마자 바로바로 전. 후진을 할 수가 있다. 특히 후진의 경우 후진 기어가 따로 없으므로 기분 나쁜 소리?와 더불어 기어 와 기어가 맞물리면서 발생하는 덜컥거리는 느낌도 없다. 이러한 부분 때문에 버튼식 SWB(Shift By Wire)에 최적이라 말할 수 있겠다. 그리고 트랜스미션이 없으니 트랜스 미션 오일도 교환할 일이 없다. 물론 감속기에 오일을 교환할 수도 있겠지만 수명이 매우 길어 가혹 운전시만 아니면(가혹 운전 시 120,000km 교환) 폐차할 때까지 교환할 일은 없을 것 같다.
또한 엔진과 트랜스미션이 없으므로 그만큼 부품의 개수 많이 줄어들고 그에 따라 고장이 날 확률 또한 줄어든다. 이제 차량의 내부 부품들도 기계적인 것에서 전자, 전기적으로 바뀌어 가고 있는 것이다. 이런 변화에서 적응해야 할 부분은 운전자를 비롯하여 정비하는 사람들에게까지도 영향을 미치고 있다.
이런 현상은 비단 자동차에만 있었던 것은 아니다. 복사기를 예로 들면 조작부 패널에서 버튼을 누르면 부품과 부품이 맞물려 기계적으로 움직여 복사를 했던 것들이 점차적으로 변화되어 내부 부품들끼리 전자, 전기 신호로 바뀌어 가면서 급기야 디지털 복사기 또는 디지털 복합기로(복사, 팩스, 스캔) 다시 태어났다.
그에 따라 고장률이 적어져 수리 비용을 청구하여 이윤을 남기던 사례가 적어지기 시작했고 복사기 엔지니어들은 컴퓨터와 전자기기를 다시 배워야 했다 그리고 이런 과정을 거치면서 적응을 못한 사람들은 여려움을 겪을 수 밖에 없었다.
다시 본론으로 돌아와 결론적으로 말하면 전기차에 트랜스미션이 없는 것은 엔진과 모터의 특성이 다른 데서 오는 차이점 때문이라고 말할 수 있는데 아예필요 없는것은 아니지만 모터+감속기 만으로도 기존의 내연차량 만큼의 충분한 출력을 낼수 있기때문에 장착하지 않는것 뿐이다.
전기차는 기존의 내연기관 차량의 핵심 부품인 엔진과 트랜스미션이 없는 대신 배터리의 중요성이 부각되고 있는 것이다. 배터리는 가격 비중 역시 전기차에서 차지하는 비중이 매우 크다.
전기차의 배터리는 전기를 저장할 수 있는 용량의 한계는 물론이고 배터리의 전압에 따라 모터가 돌아갈 수 있는 회전수와 회전력에도 영향을 미치기 때문에 어떻게 보면 내연기관차의 엔진 보다 더 중요하다고 할 수 있겠다.
마키님
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안녕하세요? 인코어랩 TV 김승철입니다.
Hello. This is Seungchul Kim of En/Core Lab TV from Korea.
오늘 생각해 본 주제는, “전기차에 변속기가 있는가?”입니다.
Today’s topic is about “Does an EV have a transmission?”.
영어 자막은 인코어랩 TV가 직접 제작했습니다.
This video is subtitled in English by En/Core Lab TV.
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감사합니다.
Thank you.
이미지 (image):
HMG 저널
HMG Journal
https://news.hmgjournal.com/Index_Journal
기아자동차 미디어, 북미
Kia Media, US
https://www.kiamedia.com/us/en
테슬라 홈페이지
Tesla website
https://www.tesla.com/ko_KR/
BMW 프레스 글로벌
BMW Press Global
https://www.press.bmwgroup.com/global/photo
ZF 프레스 센터
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https://press.zf.com/press/en/media/media_10179.html
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전기차 시장 씹어먹겠다!! 신형 쉐보레 이쿼녹스 EV 실물 공개!! 가성비 미쳤다! Update
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전기차 시대를 먹겠다는 GM의 의지가 보입니다
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전기차 기어주제 안의 사진 몇 장
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토요타, ‘전기차용 수동 변속기’ 특허…클러치 – 모터그래프 New
자동 변속기의 발전과 전기차의 등장으로 멸종 위기에 놓인 수동 변속기 … 토요타는 클러치 페달과 기어 박스에 대해 ‘가짜(pseudo)’라고 설명했다.
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국산최강 전기 SUV는 바로 이거! 신형 기아 EV9 예상도, 최신 정보 업데이트 Update
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EV9 다들 어떠신가요!?
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전기자동차, 전기차 전용 차세대 2단 변속기로 더 강해진다 Update New
인기어(Ingear)의 특허받은 지오메트리는 속도에 맞게 모터와 바퀴를 유지함으로써 기어 변속 내내 연속적인 토크 전달을 가능하게 한다. 인기어 작동 …
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전기차는 변속기가 없어도 된다고? 그럼 내연(가솔린, 디젤) 엔진만 문제가 아닌데? Update New
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0:00 전기차엔 왜 변속기가 필요 없다고 하는걸까요?
0:18 도표28 – 엔진과 모터의 출력 비교 *(정정)빨간선:출력/회색선:토크
0:22 실제 엔진 실용 회전구간 약 1500-3000rpm
0:35 전체 회전수의 1/3정도 밖에 사용하지 않는 수준
0:51 전기차의 모터라면?
1:01 엔진에 변속기가 꼭 필요한 이유
1:34 토크컨버터: 유체를 사용하여 토크를 변환하여 동력을 전달하는 장치
1:47 토크: 물체를 회전시키는 원인이 되는 물리량, 비틀림모멘트
2:02 모터는 3상 교류모터
2:06 3상이란 3개의 발전코일이 있어 sine파형을 120도 간격으로 발생시키게 되어 효율이 높은 모터
2:30 전기모터는 전원 입력과 동시에 최대 토크를 출력 가능
2:46 전기모터의 단점: 고속 회전시 저항이 생기면 토크가 급격히 저하됨
3:01 고속 영역에서 모터가 저항을 받게 되는 시점에서 단수를 2단으로 전환해서 회전수와 토크의 조합을 바꿔주면 고속으로 올라간다
3:11 기어비를 바꿔주어 떨어지는 저항 손실에 대응
3:19 전기차에 변속기가 쓰인다면 두 가지 방향으로 갈 것
1) 극강의 초고성능 스포츠 카에 사용
2) 작은 모터를 써서 실용적으로 서포트 할 용도로 2-3단 정도의 변속기를 사용
3:43 내연차와 함께 사라질 고성능 변속기 기술
3:57 페라리(전기차) 정도라면 3단 정도 까지만 변속기가 필요할 것
4:06 일상적으로 사용하는 전기차에는 감속기만 있으면 된다
4:19 전기차에 채택이 될 지 관심이 높은 인-휠(in-wheel) 모터
4:32 변속기 필요 없이 단일 모터 최대출력의 1/4로 나눈다
*예를 들어 휠당 80마력짜리 모터를 달면 x4륜 = 320마력
4:55 전륜은 서스펜션과 조향장치와의 간섭 때문에 후륜 모터에 비해서 작은 모터가 들어갈 것이다
#변속기 #전기차 #전동기
전기차 기어주제 안의 사진 몇 장
전기차는 변속기가 없어도 된다고? 그럼 내연(가솔린, 디젤) 엔진만 문제가 아닌데? Update
토요타, EV용 수동변속기 시스템 개발 및 특허 출원 – 모터플렉스 … 최신
즉, 기존 전기차와 같이 실제 기어는 1개만 달리지만 전기신호를 통한 가상의 기어 단수를 설정, 운전자가 기어 변속을 내연기관 자동차와 같이 할 수 …
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이제 책임을 져야 할 시간. 지난 5년간 충분히 노력했습니다. Update
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주제에 대한 새로운 업데이트 전기차 기어
#인생실전 #자유와책임 #금융치료
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이제 책임을 져야 할 시간. 지난 5년간 충분히 노력했습니다. Update
2단 기어를 통한 전기자동차의 모터와 인버터의 효율 개선 Update New
2단 기어 시스. 템에서 개선된 효율을 보이기 위하여 토크와 속도 그리고 효율. 을 고려한 변속시점을 제안한다. 1. 서 론. 전기자동차에 대한 연구 개발이 활발해 짐에 …
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변속기가 없는게 더 좋다? New Update
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주제에 대한 새로운 정보 전기차 기어
#변속기 #감속기 #전기차
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변속기가 없는게 더 좋다? Update
전기차의 다단화와 주행거리의 관계? New Update
[2]의 논문에서는 링크에 공개된 Nissan Leaf의 회전수/토크에 따른 효율 측정치를 바탕으로 simulation model을 통해 전기차에 2단 기어를 탑재했을 …+ 여기서 자세히 보기
전자식 자동변속기 중립주차 하는 방법과 유의점은? – 다이얼 방식, 버튼 방식 [자동차 상식] Update
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#중립주차 #이중주차 #전자식자동변속기
요즘은 전자식 자동변속기가 적용된 차량이 많아지고 있습니다. 버튼식 다이얼식 타입의 전자식 자동변속기를 사용하면서 중립주차를 갑자기 해야할 때가 생긴다면?
카티 영상을 통해 중립주차 방법과 유의점을 알아보세요!
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전자식 자동변속기 중립주차 하는 방법과 유의점은? – 다이얼 방식, 버튼 방식 [자동차 상식] New Update
‘전기車 효율 열쇠’ 변속기 개발 전쟁 – 조선비즈 Update New
… 만드는 동력을 회전력으로 바꾸는 과정에서 서로 크기가 다른 기어를 맞물. … 그러나 최근 전기차 보급 속도가 빨라지면서 변속기 제조업체들이 …
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전기차 끝판왕이 나오면 없어질 자동차 부품들 New Update
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전기차는 훌륭한 미래인가… 슬래시기어, “친환경이란 수식어 적합치 않아”
전기차 충전 관련 이미지(사진=셔터스톡)
지금 글로벌 자동차 시장의 대세는 단연 전기차이다. 앞으로도 분명히 그럴 것이다. 왜냐하면 내연기관 자동차는 가스 배출로 인해 환경에 심각한 문제를 일으킨다는 지적을 오랫동안 받아왔고, 자율주행을 비롯해 각종 미래 지향적 시스템이 전기차와 더 잘 어울리기 때문이다.
글로벌 IT전문 매체 슬래시기어는 2일(현지 시간), “모든 전기차가 동일하지 않은 이유(Why Not All Electric Cars Are The Same)”라는 제목의 기사에서 전기차와 우리의 미래에 대해 자세히 다뤘다.
슬래시기어는 전기차가 일반적으로 이해되고 있는 것과 다른 측면이 있다고 지적하고 다양한 형태가 있는데도 단순히 ‘전기자동차’로 불리는 것에도 문제가 있다고 비평했다. 또한 모든 전기차의 수식어로 ‘친환경’이라는 말이 붙는 것에도 문제를 제기했다.
슬래시기어는 세계 최대의 자동차 시장인 중국에서는 전기자동차라는 말 대신 새 에너지 자동차(New Energy Vehicles, NEV)라고 부르며 NEV는 하이브리드 자동차를 포함한 개념이라고 설명했다. 그러나 “서구 시장은 일반적으로 하이브리드 차량과 전기차를 구분한다”며 전기차라는 용어를 받아들이는 인식이 문화권마다 다를 수 있다고 진단했다.
전기차는 1890년, 즉 130년 전에 이미 출시된 바 있다. 그러나 획기적인 발전을 이루지 못한 채 20세기에 초중반 내연기관 자동차에 완전히 시장을 내주었다. 가장 큰 이유는 힘과 속도였다. 1970년대 이른바 ‘석유파동(oil shock)’를 계기로 반짝 각광을 받았으나 실험적으로 개발됐던 전기차는 속도가 40mph(약 65km/s)를 넘지 못했다.
이후 1990년대 환경문제가 크게 대두되면서 자동차 업계는 다시 전기차를 진지하게 검토하기 시작했고 1997년 도요타가 주도한 하이브리드 자동차 시장이 열리면서 과도기가 시작됐다. 독립적으로 배터리 재충전이 불가한 마일드 하이브리드와 재충전이 가능한 플러그인 하이브리드를 거쳐 완전 전기차의 상용화 시대가 열리게 된 것은 2010년대 이후이다.
슬래시기어는 “2027년에는 완전 전기차 생산 비용이 가솔린 자동차 생산비용보다 저렴해 질 것”이라고 전망했다. 따라서 연구 및 생산 비용으로 인해 일반적으로 가솔린 차량보다 높게 책정되었던 전기차 가격이 2027년 즈음에는 유사하거나 더 낮게 책정될 수 있다고 봤다.
테슬라 차량 및 충전기기 관련 이미지(사진=셔터스톡)
블룸버그의 연구에 따르면 미국인들은 2021년 전체 전기차 시장의 73.1%를 차지하는 순수 전기차를 선호한다. 이런 결과에 가장 큰 공헌을 한 것은 의심의 여지없이 테슬라(Tesla)다. 테슬라의 멋진 전기차는 환경문제라는 시대의 화두에도 적합해 보였다.
그러나 슬래시기어는 테슬라의 생산물에 대한 친환경적인 수식어는 보류돼야 한다고 주장한다. 슬래시기어는 “현재 전기 자동차의 주요 문제 중 하나는 전기 자동차의 제조 공정이 현재 내연기관 자동차의 탄소 발자국보다 더 큰 탄소 발자국을 생성한다는 것”이라고 밝혔다.
또 폐 배터리의 처리 문제도 지적했다. 슬래시기어는 “자동차 산업은 현재 낡은 배터리를 어떻게 처리할지에 대한 구체적인 계획이 없으며 더 많은 EV가 수명을 다하게 됨에 따라 향후 10년 동안 문제가 급격히 심각해질 것”으로 예상했다.
폐 배터리 관련 이미지(사진=셔터스톡)
그러면서 배터리 수명 연장과 오래된 EV 배터리 재활용을 대안으로 소개했다. 그러나 이 방법 역시 완벽하지는 않다면서 “현재 더 나은 솔루션이 없다”고 전했다. 이밖에도 슬래시기어는 ‘배터리 기술 비용’, ‘시간에 따른 배터리 성능 감소’, ‘인프라 확충 문제’ 등을 들어 궁극적인 질문을 던졌다. 바로 “전기차는 미래인가?” 라는 질문이다.
슬래시기어는 “여러가지 당면한 문제에도 불구하고 기술 발전 속도를 고려할 때 향후 10년 이내에 당면한 문제 중 다수가 해결될 것”이라고 전망했다. 또한 전기차는 향후 몇 년 내에 더욱 대중화될 것이고, 유럽과 영국이 2035년(영국은 2030년) 내에 가솔린과 디젤 자동차 생산을 금지 시킬 계획을 밝혔기 때문에 자동차의 주력은 될 것이라고 결론 내렸다.
따라서 전기차는 가까운 미래이긴 하되 문제점을 안은 미래라고 할 수 있다는 시각을 이 매체는 제시했다.
AI타임스 이성관 [email protected]
[관련 기사] 8만달러짜리 테슬라를 20달러로 훔치는 방법… 유튜브에서 시연 [관련 기사] ‘AI·SW·전기차’…광주경자청, 핵심산업 분야 8개 기업 투자유치 [관련 기사] 아파트처럼 웃돈 받고 판다..테슬라로 하는 재테크
엔진과 변속기 대신 배터리와 감속기가 있는 전기차의 원리와 관리법
최근 글로벌 전기차 시장이 지속적으로 확대되며, 성장세를 보이고 있습니다. 그만큼 국내에서도 전기차 관련 수요와 관심 늘어나기 시작하였고, 전기차를 구성하는 부품 또한 자연스럽게 이목을 끌고 있습니다.
이렇게 점차 우리 일상 속에 점차 스며들고 있는 전기차에 대해 관심 있으시거나 소유하고 계신 분들을 위한 전기차 다루는 법을 그동안 많이 다뤄보았는데요.
이번에는 내부 부품에 따른 전기차와 일반 자동차(내연기관 자동차)의 원리를 비교해보면서, 알맞은 관리 방법에 대해 알려드릴게요!
내연기관차와 전기차의 차이
흔히 볼 수 있는 차량은 대개 화석 연료를 연소 시켜 구동 에너지를 얻어 주행하게 되는 내연기관차이며, 전기차는 배터리에 저장된 전력을 이용하여 모터를 회전 시켜 주행하게 됩니다. 이는 전기차에 관심이 있는 분들이라면 알 수 있는 가장 큰 차이점인데요.
여기서 주목해야 할 점은 바로 일반 내연기관 차에서 가장 중요한 요소로 자리 잡고 있는 엔진과 변속기가 전기차에는 없다는 사실입니다. 그렇다면, 엔진과 변속기를 대신할 전기차의 대체 부품으로는 무엇이 있을까요?
전기차는 내연기관 자동차와 달리 전기 동력과 관련된 부품으로 이뤄져 있습니다. 구동모터, 감속기, 배터리 등이 있는데요. 이 부품들은 전기차를 움직이는 동력 구조로 사용되고 있습니다. 구동모터 ▶︎ 감속기 ▶︎ 배터리 ▶︎ 온보드차저(On Board Charger) ▶︎ 통합전력제어장치(Electric Power Control Unit) 순으로 전기차를 움직이게 해줍니다. 전기차에 대한 지식이 전혀 없으시다면, 이 부품들이 매우 생소하게 느껴지실 거예요. 각 부품의 역할과 이를 통한 전기차의 구동 원리까지 함께 설명해드리겠습니다.
전기차에는 엔진과 변속기가 없다! 그렇다면?
엔진과 변속기를 대체할 전기차 부품 첫 번째, 감속기!
먼저 감속기에 대해 알아볼게요. 감속기란, 모터의 특성에 따라 동력을 바퀴에 조금 더 효율적으로 전달하기 위해 고안된 ‘변속’이라 할 수 있는데요. 여기서 변속기라 부르지 않는 이유가 궁금하실 거예요. 변속기가 아닌 감속기라 부르는 데에는 이유가 있습니다. 모터는 분당 회전수(RPM)가 내연기관차의 엔진보다 훨씬 높은데요. 회전수를 상황에 맞게 바꾸는 변속이 아닌 회전수를 하향 조정(감속)해야 하는 이유입니다.
즉, 다시 말해 모터의 회전수를 필요한 만큼 감속하여, 더 높은 회전력을 얻을 수 있게 조정하는 역할을 하기 때문인 거죠! 자전거를 타고 언덕을 올라가기에 많은 힘이 드는데요. 여기서 기어를 낮게 하여 페달에 힘을 줘 바퀴를 굴리면 속도는 느리지만, 더 쉽게 언덕을 올라갈 수 있는 것과 비슷한 원리라 생각하시면 됩니다.
두 번째, 전기 에너지를 저장하는 배터리
전기차의 배터리는 전기 에너지를 저장하는 부품으로 내연기관차의 연료탱크와 같은 역할을 합니다. 보통 전기차의 주행거리는 배터리 용량에 따라 좌우되는데요. 배터리의 용량이 클수록 주행거리도 늘어난다는 뜻입니다. 따라서 전기차의 주행거리를 효율적으로 늘리기 위해서는 에너지 밀도가 높은 배터리가 되어야 합니다.
또한 내연기관차에 엔진은 심장이라 불릴 만큼 중요한 부품인데요. 어쩌면 이보다 더 중요한 역할을 하는 것이 바로 전기차의 배터리라고 할 수 있습니다. 전기를 저장할 수 있는 용량의 한계는 물론이고, 배터리의 전압에 따라 모터가 돌아갈 수 있는 회전수와 회전력에도 영향을 미치기 때문에 심장 그 이상의 역할을 하는 필수 부품이라고 볼 수 있죠.
세 번째, 전기 에너지를 운동 에너지로 바꾸는 구동모터
구동 모터는 발전기로도 활약하는 부품인데요. 전기 에너지를 운동 에너지로 전환해 바퀴를 굴리는 일을 합니다. 길을 걷다 보면 전기차는 어느새 우리 옆을 지나가고 있어요. 내연기관차와 달리 주행 중 발생하는 소음이나 진동 소리가 작기 때문입니다. 이는 바로 모터를 구동 장치로써 사용하여 얻는 장점이죠.
네 번째, 온보드차저(On Board Charger)
온보드차저는 완속 충전을 하거나 휴대용 충전기로 가정용 플러그에 꽂아서 충전할 경우, 전기차에 입력된 외부 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환시켜주는 장치입니다.
다섯 번째, 통합전력제어장치(Electric Power Control Unit)
인버터, LDC, VCU로 구성된 통합전력제어장치는 전기차 내 전력을 제어하는 장치를 통합하여, 효율성을 높여주는 역할을 합니다.
엔진 없는 전기차, 오일도 필요 없는 걸까?
여기서 궁금한 점이 생기는데요! 앞서 설명 드린 대로라면 전기차에는 변속기와 엔진을 대신하여 배터리, 감속기 등의 부품이 사용되고 있습니다. 그렇다면, 엔진 오일을 비롯한 기타 오일류도 필요 없어지는 걸까요?
전기차에는 내연기관에서 사용하는 엔진이 없기 때문에 엔진오일은 필요하지 않아요. 하지만 감속기 오일이 필요합니다. 전기차도 내연기관차와 마찬가지로 감속기의 수명을 오래도록 연장하기 위해서는 오일은 필수이며, 주기적으로 교체해주어야 합니다. 감속기 오일은 대략 6~8만km 정도 주행했을 경우 교체해주시면 됩니다. 주기에 알맞게 교체해주시면 안전한 전기차 생활을 오래 하실 수 있어요!
Kixx EV, 전기차 전용 윤활유 브랜드!
급변하는 친환경 모빌리티 환경에 전기차 전용 오일은 내연기관차 엔진 오일만큼 많지 않습니다. 그러나 이에 발맞춰 GS칼텍스는 빠른 대응에 나섰습니다. 바로 전기차용 윤활유 브랜드인 Kixx EV를 런칭했는데요. Kixx EV는 감속기 또는 모터 감속기 통합형 트랜스미션 윤활유와 배터리 열을 냉각시켜주는 냉각계 윤활유 등 다양한 전기차용 오일을 선보였어요. Kixx EV는 오일을 통해 부품의 마모 방지 및 배터리가 적절한 온도를 유지할 수 있도록 조절하여, 배터리를 비롯한 다양한 전기차 부품들의 효율적인 작동과 수명 연장에 중요한 역할을 합니다.
이번 글을 통해 일반 자동차와 전기차의 구동 원리와 사용되는 부품의 차이까지 알아보았습니다. 엔진뿐만 아니라 감속기에도 오일은 필수라는 점 꼭 기억해주세요! 좋은 운전 습관은 물론! 부품에 대한 지식과 올바른 관리로 내 차 수명을 늘려보는 건 어떨까요? 🙂
GS칼텍스 또한 다양한 친환경 윤활유 개발을 지속하며, 여러분의 전기차 생활에 더욱 도움이 되고자 노력하겠습니다.
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전기차에는 왜 기어박스가 없을까?
이 질문에 대한 답을 얻기 전에 반대로 내연 기관차에는 왜 기어박스가 필요할까?
1단 3.462
2단 1.950
3단 1.393
4단 1.031
5단 0.780
이것이 얼마나 전형적인지 모르겠는데, 5단 기어에서 엔진이 0.78 바퀴 돌 때 바퀴가 한 바퀴 도는 것이라고 한다. 4단에서 엔진 RPM과 엇비슷하게, 5단에서 조금 더 빠르게 속도가 올라간다. 1단에서 감속비가 높아야 하는 것은 당연하다, 그렇지 않으면 차가 출발할 때마다 튀어나갈 테니.
출력(power)은 주어진 시간에 이루어진 일의 양 또는 에너지를 뜻한다고 한다.
P = W/t = 힘 × 거리 / 시간 = 힘 × 속력
엔진의 출력은 이렇다고 하는데
Power (Kw) = (2ㅠ × 속력 × Torque(N·m) / 60s
쉽게 말해 토크에 RPM을 곱한다는 말이겠다.
기어박스가 필요한 이유는 사용할 수 있는 토크와 출력이 좁은 속도 범위에서 발생하기 때문이라고 한다.
최대 출력이 (평탄한 도로를 달리는 경우에) 최고 속도를 의미할 수 있지만, 그렇게 하려면 5000 RPM 이상 올려야 한다. RPM을 계속 올릴 수도 없고 올려봤자 출력이 증가하지 않고 도리어 떨어진다. RPM을 계속 올릴 수 없는 이유는 온갖 마찰로 인한 저항도 있고 (공기 저항은 속도의 제곱에 비례한다고) 공기와 연료가 그만큼 빨리 투입되지 못하는 탓도 있다고 한다.
그런데 모터에서 토크와 출력 커브가 저것과 전혀 다르게 나타난다.
0 RPM일 때 토크가 가장 크다. 3000 RPM까지 토크가 거의 그대로 유지되기 때문에 RPM이 증가하면 정비례하여 출력도 증가한다. RPM이 높아지면 토크가 일정하게 떨어지면서 출력도 일정하게 유지된다.
결론적으로 말해, (대형 트럭이나 버스는 차치하고) 승용 전기차에는 기어박스가 필요하지 않다. 달아봤자 효용성은 별로 없고 무게만 늘고 마찰 저항만 커진다.
볼트 EV의 감속비는 7.05이다. 모터가 일곱 바퀴 돌아야 바퀴가 한 바퀴 돈다. 3000 RPM으로 달리는 내연 기관차만큼 속도를 내려면 모터 속도가 20,000 RPM 이상이 되어야 한다. 그래서 뭐? 모터 속도는 그 이상 올릴 수 있다. 모터 속도를 올리는 데에는 거의 아무런 제약이 없다고.
EV 개과천선 위한 2속 트랜스미션
EV 개과천선 위한 2속 트랜스미션
2020년 11월호 지면기사 / 글｜한상민 기자[email protected]
전기차를 위한 혁신적인 2속 트랜스미션 ‘인기어’는 연속 체인 구동과 변속 중 사이즈를 조정하는 모핑 스프로킷(morphing sprocket)을 특징으로, 주행거리, 가속력 등 전기차 성능을 높이면서 비용을 절감할 수 있게 한다.
글｜한상민 기자[email protected]
“이 차세대 트랜스미션은 전기차용 다단 변속기를 전혀 새로운 관점으로 보이게 할 뿐만 아니라 승용차 외 다른 차량에도 널리 적용할 수 있습니다.” 인모티브(Inmotive) 폴 보테로(Paul Bottero) CEO가 말했다.
캐나다에 본사를 둔 스타트업 인모티브는 최근 특허 받은 전기차용 2속 트랜스미션 ‘인기어(Ingear)’를 발표했다. 이 회사에 따르면, 혁신적인 차세대 전기차용 트랜스미션은 더욱 낮은 비용으로 차량에 통합될 수 있고, 전기차의 주행거리를 연장하는 동시에 더 단순한 디자인과 더 나은 내구성으로 효율적인 파워트레인 구성을 완성하게 한다.
인모티브는 이미 인기어에 대한 광범위한 양산 이전 테스트 및 기아 쏘울 전기차를 이용한 시범운행을 마치고 테스트 유닛을 OEM 업체에 제공할 예정이다.
작동 원리
대부분 전기차에는 1속 트랜스미션이 사용되고 있다. 하지만 전기차에 2속 인기어를 장착하면 오히려 비용을 절감하면서, 주행거리, 가속시간, 추월 능력, 최고속도, 등판능력 등 전반적인 성능을 향상시킬 수 있다.
대개 전기모터와 휠(바퀴) 사이에는 2개의 감속 기어가 있다. 이 상태에서 모터는 휠 1회전 당 약 9회의 회전을 한다. 인기어는 혁신적인 연속 체인 구동(continuous chain drive)과 변속 중 사이즈를 조정하는 모핑 스프로킷(morphing sprocket)으로 두 번째 감속 기어를 대체한다. 디퍼런셜을 감싸도록 디자인된 이 인기어는 일반적인 1속 미션보다 조금 더 큰 형태다.
앤써니 웡(Anthony Wong) CTO와 자렉 루토슬라브스키(Jarek Lutoslawski) 책임이 인기어에 대해 설명 중이다.
인기어는 혁신적인 연속 체인 구동과 변속 중 사이즈를 조정하는 모핑 스프로킷으로 두 번째 감속 기어를 대체한다. 휠이 1회전 하는 동안 액추에이터에 의해 스프로킷 부분이 제자리를 향해 들어가 기어비가 효과적으로 증가 또는 감소한다. 특허 받은 지오메트리는 속도에 맞게 모터와 휠을 유지함으로써 기어 변속 내내 연속적인 토크 전달을 가능하게 한다.
기어를 바꾸어 넣으려면 휠이 1회전 하는 동안 액추에이터에 의해 스프로킷 부분이 제자리를 향해 들어가 기어비는 효과적으로 증가 또는 감소한다. 인기어의 특허 받은 지오메트리는 속도에 맞게 모터와 휠을 유지함으로써 기어 변속 내내 연속적인 토크 전달을 가능하게 한다.
이는 구동계가 저속 및 고속 기어 기능을 통해 더 효율적으로 작동하게 함으로써 더 적은 에너지를 소모하게 해 전기차의 주행거리를 늘린다. 마찬가지로 저속 기어 전환 중에도 에너지 재생이 향상되고 연속 회생이 이뤄질 수 있다.
“우리는 현재의 트랜스미션이 전기차 업계의 요구에 부합하지 못한다는 사실을 발견했습니다. 단언컨대 인기어는 효율적인 디자인과 실질적인 비용 절감 효과를 통해 그동안 OEM이 해결하지 못한 문제를 없애 광범위한 전기차 도입을 지원하는 데 도움을 줄 수 있을 것입니다.” 보테로 CEO가 말했다.
궁극의 성능 구현
인기어는 OEM의 비용을 절감케 해준다. 차량에 인기어를 추가하는 비용은 150달러 미만인데, 이는 배터리, 모터, 인버터 및 운영비용 절감액을 감안하면 극히 일부에 불과할 뿐이다.
인모티브는 대용량 통합 구동장치에 적은 부품 수의 심플한 인기어를 통합하면 OEM은 차당 1,500달러 이상 절감할 수 있다고 주장한다. 이 절감액은 늘 같은 주행거리를 유지하고 가속력을 향상시키면서도 더 적은 수의 배터리와 더 값싼 전기모터, 인버터를 사용함으로써 이뤄낼 수 있다. 플릿 오너의 경우엔 3년에 걸쳐 전력비용으로만 대당 약 2,000달러를 절약할 수 있다고 한다.
인기어는 휠이 1회전을 마치기 전에 기어 변속을 한다. 모터는 휠과 항상 접촉된 상태로 유지되면서 기어 변속 중에도 연속적으로 토크를 가한다. 기어비는 점진적으로 변하면서 부드러운 승차감을 유지한다. 가속시간은 7%에서 최대 15%까지 향상시킬 수 있다.
인기어는 모터 효율을 최적화하고 기생손실을 줄임으로써 최대 15%까지 일반 차량의 주행거리를 연장한다. 또 견인, 등판 및 최고 속도도 향상시킨다. 예를 들어, 스포츠 모드에 있거나 운전자가 더 빠른 가속을 원한다면, 인기어는 저단 기어를 더 오래 유지할 수 있다. 시뮬레이션 결과 70 kph서 변속하면서 가속도를 3.30% 향상시켰다.
시뮬레이션에서 인기어는 변속기와 모터 손실을 줄여 WLTP를 7.1% 향상시켰다.
시뮬레이션은 10:5 기어비가 WLTP 범위를 향상시키는 반면, 16:8 기어비가 가속도에서 더 나은 것을 보여준다.
고속도로 추월, 최고속도도 개선된다. 가속도를 개선하기 위해 특별한 기어비를 선택하면 더 극적인 차이를 만들 수 있다. 예를 들어, 인기어를 16:8 기어비로 변경하면 0~100 kph 가속도가 10.33% 향상되는 동시에 WLTP-3도 개선된다. 이처럼 인기어의 디자인 유연성은 OEM이 특정 차량 요구에 따라 사용자에 맞게 사이즈와 기술의 규모를 조정할 수 있다.
인기어는 우선 승용차 시장에 초점을 맞추고 있다. 하지만 기술은 상용차, 마이크로 모빌리티, 연료전지 애플리케이션 등 광범위한 차량에 도입될 수 있다. 인모티브는 이미 두 곳의 글로벌 OEM과 개발 계약을 맺은 상태이며, 전 세계 OEM을 상대로 논의 중이다. 거점은 토론토 외에 이미 인도와 중국에 지사를 두고 있다.
인기어는 OEM의 비용을 절감케 해준다. 차량에 추가 비용은 150달러 미만인데, 배터리, 모터, 인버터 및 운영비용 절감액을 감안하면 극히 일부에 불과할 뿐이다.
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