[김필수 칼럼] 전기차 미래, 전용 변속기가 좌우한다
[김필수 칼럼] 전기차 미래, 전용 변속기가 좌우한다
  • 왕진화 기자
  • 승인 2019.05.21 06:55
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(김필수 자동차연구소 소장, 대림대 교수)<br>
(김필수 자동차연구소 소장, 대림대 교수)<br>

지난 120여년 동안 자동차는 내연기관차 중심으로 개발 보급되어 왔다. '변속기'라는 장치는 엔진의 힘을 최적의 속도로 변환시켜 바퀴까지 전달한다. 특히 연비와 환경이라는 두 마리의 토끼를 잡기 위해 다양한 기술개발을 이어왔고, 이는 선진 글로벌 메이커로 진입하는 기술 장벽으로 나타났다. 시간이 흐르면서 연비를 높이기 위해 직접분사 엔진 등 엔진 자체의 출력과 연비를 높이는 다양한 기술이 적용됐다. 엔진의 힘은 자동차의 속도에 맞게 최적으로 바뀌어 승차감이 높아졌으며, 고효율로 적용하는 자동변속기의 역할은 고효율, 고연비를 구현하기까지 했다. 또 환경적 문제를 해결하기 위해 각종 배기후 처리장치가 탑재되어 친환경적인 노력이 기울여져 지금에 이르렀다고 볼 수 있다.

그러나 내연기관차는 석유자원 자체가 가진 에너지의 10% 미만의 에너지만을 바퀴에 전달할 정도로 비효율적이며, 내연기관이 가진 한계로 인한 유해 배출가스의 감소에도 문제가 있어 완전한 친환경차로 가기 위해서는 분명한 한계가 있다. 내연기관을 덜 활용하고 배터리의 전기에너지를 효율적으로 병합 사용하는 하이브리드차 또한 한계는 있기 마련이다.

이중 내연기관차의 자동변속기는 엔진의 힘을 최적으로 바퀴에 전달하는 핵심 부품으로 엔진과 함께 글로벌 메이커와의 차별화를 만드는 핵심 노하우다. 변속 시점에 발생하는 충격을 최소화하고 승차감을 높이며, 동시에 효율과 연비를 최상위로 끌어올려야 했고, 무게는 가볍고 내구성은 높은 가성비 좋은 자동변속기 구현은 중요한 과제였다고 할 수 있다. 이러다보니 현재의 변속기는 너무 복잡하고 가격도 높다. 구조적인 부분도 분해를 후회할 정도로 융합적인 부분이 강조된 첨단 장치가 되었다는 것이다.

유압과 차동기어, 충격완화장치를 비롯한 수많은 기어보조 장치들은 엔진보다도 복잡한 장치로 변모됐다. 지금의 자동변속기는 그래서 최적의 모델이 되었지만 앞서 언급한 바와 같이 각종 악재가 누적된 장치라고 할 수 있다. 내연기관차의 엔진과 자동변속기는 한계에 와 있다는 뜻이기도 하다.

최근 내연기관차를 대신하는 무공해자동차인 전기차가 득세하고 있다. 보급 속도와 단점을 제거하기 위한 속도가 워낙 빠르다보니 생각 이상으로 보급 속도가 높아지면서 기존의 자동차 생태계가 빠르게 무너지는 것이다. 경착륙의 고민도 많아질 정도다. 이미 글로벌 메이커 뿐만 아니라 글로벌 기업들이 전기차 생산 또는 관련된 기술을 개발 보급하고 있으며, 또 하나의 미래의 먹거리인 자율주행차와 더불어 차별화 전략에 나서는 부분은 가장 주목할 부분이 아닌가 확신한다. 이제는 수년 이내에 보조금 없이 다양한 민간 비즈니스 모델이 수면 위로 본격적으로 올라올 것으로 확신하고 있을 정도라 할 수 있다. 즉 경쟁력 높은 전기차의 개발 생산이 메이커의 생존에 가장 큰 영향을 주시 시작했다는 것이다. 물론 아직은 전기차 보급은 전위부대 역할을 할 정도지만, 현재의 속도가 기하급수적이어서 수년 후는 완전히 다른 모습으로 등장할 것이다.

하지만 전기차는 내부적으로 각종 문제점에 봉착하고 있다. 겉으로 보기에는 충전 인프라의 보급과 주행거리 등이 만족할 만한 수준으로 올라가고 있다고 할 수 있으나 전체 전기차 가격의 약 40%에 이르는 배터리 가격과 비효율적인 설계로 인해 낭비요소가 매우 큰 편이다. 앞서 언급한 120여년의 내연기관차의 완벽한 조화가 아니라 이제 탄생한 신생 기술이라 할 수 있어서다.

물론 전기차 역사는 내연기관차보다 길지만 본격적으로 기술개발이 이루어진 것은 10여년 정도다. 가장 큰 문제는 배터리 용량이 전기차가 발휘하는 운영특성에 비해 너무 높고, 내부적인 에너지 낭비로 인하여 무겁고 연비는 떨어지며, 가격을 높이고 전체적인 경쟁력을 낮추는 문제다. 여기에 고속에서의 비효율성과 등판능력도 비효율적이어서 개선해야 할 과제가 한둘이 아니다.

특히 현재의 전기차는 높은 비율의 배터리 용량을 싣고 과도한 모터를 활용하여 저속과 고속 영역을 무리하게 지배하다보니 과열과 에너지 낭비 등 비효율적인 낭비요소가 곳곳에 숨어 있다. 내연기관차 대비 몇 배 높은 효율이라 하고 있으나 이 효율도 상당히 비효율적이어서 향후 기술개발을 통해 지금보다도 크게 개선하여야 하는 숙제를 안고 있다.

현재의 전기차는 배터리의 전기에너지를 이용해 모터를 돌리고, 이러한 힘이 감속기를 통해 바퀴로 전달된다. 부품수도 적고 소모품 자체가 거의 없다보니 유지비용이나 내구성 등이 매우 좋다고 할 수 있으나 에너지 전달과정에서의 무리한 운용이 보이지 않는 내부적 약점인 것이다. 일반적인 속도에서는 능동적으로 대처가 가능하나 최고 속도를 내기 위해 모터의 힘을 크게 내야하고 그 만큼 배터리 용량은 클 수밖에 없다.

속도변속에 따른 모터와 이를 제어하는 인버터 등 각종 컨트롤러 시스템은 열 발산이 심해지며, 이를 식히기 위한 냉각장치가 들어가게 되면 무게는 무거워지고 구조는 복잡해진다. 배터리의 용량 과대로 비용은 급증하는 등 각종 부작용이 커지는 형태라 할 수 있다. 만약 속도 구간을 여러 개로 나누어 해당구간에서 모터가 정속으로 돌고 이를 최적의 속도변속을 시켜 운행한다면 차량에 가장 적절한 토크와 출력을 제어하여 능동적으로 운영할 수 있다. 이 경우 배터리 용량은 줄고 비용은 낮추어지며, 과열로 인한 냉각장치는 필요 없고 운전자는 일반 내연기관차와 같이 무리하게 밟는 전기차의 단점을 최대한 줄일 수 있다.

이러한 기술을 충족시키는 핵심 요소가 바로 전기차용 전용 변속기라 할 수 있다. 현재 전기차는 감속기를 활용하여 일부 응용을 하고 있으나 앞서 언급한 각종 비효율적인 부분을 해결하기 위한 최첨단의 전용 변속기를 운용하는 국가나 글로벌 기업은 아직은 없다고 할 수 있다. 그렇다고 문제가 큰 내연기관차의 자동변속기 등을 사용할 수도 없어서 현재로서는 글로벌 변속기 개발업체와 메이커가 장치 개발에 노력을 하고 있으나 아직은 미완의 상태라 할 수 있다. 특히 자동차의 바퀴에 직접 모터와 변속기를 탑재하고 에너지 낭비를 없애는 내구성 높은 장치가 개발된다면 가장 이상적인 전기차 운영이 가능해진다고 할 수 있다. 바퀴에 가성비 좋은 구동기구를 직접 장착할 수 있다면 최고의 효율화 작업이 가능해진다는 뜻이다. 그 동안 직접 구동방식의 DD방식의 인휠 모터 등이 개발되어 장착된 사례도 있지만 아직 비효율적이고 큰 장치로 인하여 일부 버스 등 대형차에의 적용 한계, 내구성 부족과 고비용구조, 기술 난이도 등 아직은 한계가 큰 상황이라 할 수 있다.

현재 전기차의 효율화를 위한 각종 글로벌 기업의 개발이 이루어지고 있으나 성과는 미흡하다고 할 수 있다. 전기차용 첨단 전용 변속기가 개발 탑재될 경우 배터리 용량 하락 등 다양한 잇점으로 경쟁력 제고가 크게 상승할 것은 명료하다고 할 수 있다.

이 상황에서 주목받는 국내 중소기업이 있다. 바이젠이라는 연구개발 전문 기업으로 앞서 언급한 전기차 전용 최첨단 변속기 전문 개발업체다. 직접 전기이륜차에 탑재하는 등 다양한 테스트가 이미 진행되어 효용이 입증되었고 일반 전기차에도 탑재가 가능할 정도로 완성도가 높은 전기차용 전용 변속기라고 볼 수 있다. 현재 5단 전기차용 변속기가 개발되어 있어서 해외 기업에서의 접촉 빈도수도 크게 높아지고 있는 기업이다. 특히 인휠 변속기 타입일 정도로 완성도가 높아서 적은 공간에 모터와 감속기, 차동기어는 물론 충격 흡수부품도 함께 탑재되고 유압방식도 어니어서 더욱 완성도가 최고 수준이라 할 수 있다. 전기이륜차 바퀴의 적은 공간에 인휠 방식으로 변속기 전체를 넣을 정도이고 등판능력이나 에너지 효율화도 최고 수준이어서 전기차의 미래 판도를 바꿀 정도의 완성도가 있다고 본다.

이를 향한 국내외의 러브콜도 더욱 커질 것으로 판단된다. 이 장치를 활용할 경우 배터리 용량은 약 30% 이상이 줄고 모터의 정속 운영으로 과열 등이 발생하지 않으며, 인버터 등 컨트롤러 시스템의 무리한 운영도 없어서 냉각장치도 필요 없으며, 유압방식도 아니어서 더욱 내구성과 관리적인 장점도 있을 정도다. 당연히 무게는 가벼워지고 연비는 높아지며, 완벽한 등판능력, 내구성과 효율화가 가능해져 연비도 최소한 20~30% 이상 상승하는 것으로 나타나고 있다. 물론 세부적인 후속조치도 필요할 것이다. 기어의 적용방법이나 컨트롤러의 현실화 등의 개선 문제점은 있으나 용이하게 해결될 정도로 완성도는 최고 수준이라 할 수 있다.

걱정이 되는 부분은 해외로의 이전이라 할 수 있다. 최고의 첨단 기술인 만큼 해외의 러브콜로 매각된다면 국부 유출의 가능성도 매우 크다고 할 수 있다. 아무쪼록 국내 기업의 적극적인 유치로 국내 경쟁력을 높이는 중요한 계기를 제공할 것을 기대해본다. 추후 잘못되어 소 잃고 외양간 고치는 또 하나의 사례가 되지 않는 현명한 조치가 필요하다. 이제 전기차의 미래를 결정짓는 핵심 변수가 등장했다고 할 수 있다. 우리 것을 제대로 지켰으면 한다.

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