다나와 자동차

*바이젠(Bygen)의 4륜 전기차용 7단 자동변속기


김 필 수 (김필수 자동차연구소 소장, 대림대 교수)

전기차는 이제 대세라 할 수 있다. 작년 글로벌 자동차 시장 약 8,000만대 시장 중 거의 1,000만대의 전기차가 판매되었다. 올해는 약 1,700만대 이상으로 예상될 정도로 기하급수적으로 증가하고 있는 상황이다. 가히 전기차의 시대로 본격 진입하고 있는 실정이다. 이제는 신차 구입 시 전기차 구입을 적극적으로 고려하는 소비자가 급증하고 있으며, 최근 뉴욕타임즈는 올해 후반에 내연기관차와 전기차의 가격이 비슷해진다고 언급할 정도라 하겠다.

그러나 전기차는 본격 보급된 지 10년도 채 안된 신생 차종이다. 지난 130여 년간 보급된 내연기관차는 모든 준비가 잘 되어 있어서 각종 비상 시 조치방법은 물론 각종 문제점을 해결할 수 있는 준비가 완벽하다고 할 수 있다. 물론 배출가스로 인한 한계점으로 전기차로의 전환이 필수적이라는 것은 말할 필요가 없을 것이다.

상대적으로 전기차는 자동차 자체가 무공해자동차라고 할 수 있으나 본격 보급된 기간이 매우 짧은 만큼 각종 문제점을 보완하는 데에는 시간적 한계가 있다. 보급과 함께 전기차 화재, 비상 시 대처방법 등 다양한 문제점은 지금도 해결과정에 있다.

이러한 문제점 중 전기차의 발전에 가장 필수적인 게임체인저 기술은 배터리의 한계성을 벗어날 수 있는 전고체 배터리가 필수적이라 할 수 있다. 전해액이 고체로 되어 있어서 화재 등은 물론 에너지 밀도 등을 획기적으로 올릴 수 있는 기술이라 할 수 있어서 글로벌 배터리사가 경쟁적으로 개발 중에 있으나 시간이 많이 필요하다.

각 회사별로 획기적인 기술진보가 이루어졌다고 선전하고 있으나 실제로 대량·경제적으로 해결하는 전고체 배터리가 생산되기 위해서는 2030년 이상이 되어야 할 것으로 판단된다. 결국 지금의 리튬이온 배터리를 기준으로 업그레이드 하면서 사용해야 하는 상황이다. 물론 중국 기반의 리튬인산철도 어느 정도 역할을 할 수 있을 것이다.

또 하나의 게임체인저 기술은 바로 바로 전기차용 자동변속기라고 할 수 있을 것이다. 물론 지금의 내연기관차용 변속기가 10단까지 개발되어 연비 등 모든 특성을 만족하고 있으나 전기차는 아직은 모터 등에 의존하고 있는 실정이다.

전기차용 변속기에 대한 중요성은 필자가 약 7년 전 칼럼 등을 통하여 지속적으로 언급하였으나 초기에는 학계에서도 의외라고 언급할 정도로 부정적으로 보아왔다. 즉 전기차용 모터와 감속기를 사용하고 속도는 인버터 등을 활용하여 속도제어를 하면 되는데 굳이 변속은 필요 없다는 주장이었다. 이러한 기조는 당연한 논리라고 주장하는 상황이었다.

그러나 약 3~4년 전부터 양산형 포르쉐 타이칸 후륜에 2단 변속기를 장착하여 효과가 크게 입증되고 더욱 확대되어 아우디 e트론에도 탑재되어 기본적인 핵심장치로 등장하였다. 또한 대만의 글로벌 이륜차 제작사인 킴코도 재작년 초 전기이륜차에 2단 변속기를 양산형으로 판매하기에 이르렀다. 올해는 본격적으로 미국의 대용량 변속기 전문 기업인 이튼에서 전기버스에 새로 개발한 4단 변속기를 양산형으로 보급할 예정이다. 너도나도 이제는 전기차용 변속기 개발에 뛰어든 형국이다.

이렇게 글로벌 시장에서 전기차용 변속기가 본격 보급되기 시작하자, 앞서 언급한 필자의 게임체인저급 전기차용 변속기 언급에 아무 언급도 하지 않고 있고 도리어 이제는 먼저 필요하다고 언급하는 내용으로 진보한 상황이다.

전기차용 변속기는 내연기관차와 마찬가지로 엔진의 힘을 바퀴에 전달할 때 가장 효율적으로 힘을 배분하면서 비효율적인 부분을 없애주는 가장 핵심적인 장치로 작동한다고 할 수 있다. 즉 전기차의 경우도 모터와 인버터 등 자체는 각각 95% 이상의 효율을 자랑하고 있으나 실제 바퀴에 전달되는 효율은 50% 수준에 머물러 비효율적인 부분이 많다고 할 수 있기 때문이다.

이유는 정격 속도와 정격 출력만을 사용하는 공장 같은 일정한 조건이 아니라 전기차는 고속이나 높은 등판 등 정격을 벗어난 영역을 요구하기 때문이다. 즉 무효전력의 손실과 열로 인한 에너지 낭비 등 한두 가지가 아니라는 것이다. 언덕을 올라가기 위하여 모터는 최고 속도로 올려야 하고 인터버는 무리가 가고 모터 온도는 높아지며, 이에 따라 배터리 용량도 1.5배 이상 사용해야 하는 등 일종의 무효전력이 크게 작용한다.

필요 없는 낭비요소가 많이 발생하고 무게는 높아지고 비용은 급증하는 것이다. 그러나 이 역할을 자동변속기를 이용하면 모터는 정속·정격으로만 운영되고 언덕 등에서 변속기가 역할을 하면서 온도 상승도 막으며, 배터리 용량도 최적의 용량만을 사용하여 전기차 비용 자체가 낮아지는 효과가 발생한다는 것이다. 전기차 가격과 무게도 낮아지고 모터 등 각종 장치의 온도 유지가 가능하여 냉각장치 역할도 적어져 1석 10조의 효과가 발생한다고 할 수 있다. 이 역할을 전기차용 자동변속기가 담당한다.

실제로 전기차의 무게를 낮추는 부분은 핵심적인 조건이다. 기존 내연기관차보다 전기차의 무게가 크게 높아지면서 정비업체의 기존 리프트 사용도 불가능하고 기계식 주차장도 무게를 늘려야 한다. 비용이 더욱 고가인 전기차용 타이어를 사용해도 수명은 줄며, 아스팔트 노면의 관리비도 느는 등 다양한 문제점도 더욱 크게 높아지고 있어서 더욱 전기차의 무게 경량화는 중요한 숙제라 할 수 있는 것이다. 결국 배터리 무게를 낮추어야 한다는 뜻이다.

또한 최근 전기차 가격 하락에 대한 경쟁이 크게 유발되고 있다. 결국 약 40% 비용을 차지하는 배터리 가격이 중요한 변수가 된 것이다. 포드의 중국 CATL과의 배터리 합작 문제도 비용이 저렴한 배터리 문제에 근본적인 원인이 있다고 할 수 있는 것이다. 결국 배터리 무게 경량화와 가격적인 부담을 없애는 부분은 당면한 가장 중요한 숙제라 할 수 있는 것이다.

상기한 문제점을 해결하는 방법이 바로 전기차용 자동변속기라 할 수 있는 것이다. 이를 만족하기 위해서는 동시에 효율을 높이기 위한 고단 자동변속기가 요구되며, 경·박·단·소한 변속기까지 가능하다면 최고의 해결방법은 물론 글로벌 시장에서 초격차 기술을 가진 퍼스트 무버가 된다.

작년 이미 국내 스타트업 기업에서 초격차 기술을 가진 전기 이륜차 7단 자동변속기를 개발하고 글로벌 여러 전기 이륜차 제작사에서 시험하여 올해 후반부터 본격적인 양산형 변속기를 보급하는 기업이 국내에 존재하고 있다.

앞서 언급한 각종 효과를 입증하여 같은 배터리 용량으로 30~50%의 주행거리가 늘고 등판능력은 기존 모델과 비교가 되지 않을 정도로 높은 특성을 나타내면서 모터 온도는 약 60도로 유지되며, 당연히 냉각장치는 필요가 없을 정도로 높은 안정성을 유지하고 있다는 점이다. 특히 지금은 전기이륜차에만 적용하고 있으나 초소형 전기차는 물론 일반 전기차까지 크게 어렵지 않게 적용할 수 있어서 머지않아 국내를 대표하는 글로벌 유니콘으로 성장할 가능성이 매우 크다.

수년 이내에 국내를 대표하는 글로벌 기업으로 성장하여 미래 모빌리티를 좌우하는 히든 챔피언으로 등장하기를 바란다. 이미 글로벌 기업이 따라오기 힘들 정도로 초격차 기술을 가진 최고의 원천 기술을 확보하고 있고 각종 국제 특허로 무장하고 있는 상황이다. 우리 전기차용 변속기가 세계를 주도하는 핵심기술로 자리매김하기를 바란다.

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