1. 기계
변속기(變速機)는 각종 동력원의 동력을 속도나 환경에 맞추어 필요한 회전력으로 바꾸는 장치다. transmission의 일본식 발음인 토란스밋숀(トランスミッション)에 따라 밋숑[1]이라고 부르기도 한다. 한국에서는 주로 기어라고 부른다. 중국어로는 變速器[2]，變速箱[3]，排檔, 한자로는 動力傳達裝置(동력전달장치)[4], 영어로는 Transmission, Gearbox[5]라고 한다.
| 변속기의 작동 원리[6] |
1.1. 자동차 변속기
| 자동차 내부 장치 | ||||||
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| 포르쉐 911 GT3의 수동변속기 |
보통 자동차 등 이동수단에 많이 이용된다. 자동차에서 이용되는 내연기관은 특정 회전 속도(RPM) 대역에서 최대 토크가 나오고, 또 다른 대역에서 최대 출력이 나온다. 이에 따라 엔진의 회전을 일정하게 유지하기 위해 기어를 사용하여 출발할 때는 회전속도보단 토크를 중시하고, 주행시에는 속도의 증가에 맞춰 회전속도를 높이는 역할을 한다.
각 단은 변속기와 엔진이 연결된 입력축[7]에 비해 출력축의 회전하는 비율인 기어비[8][9]에 따라 다음과 같이 분류한다.
- 기어비 1 초과 - 언더 드라이브 (Under Drive, 감속기)
- 기어비 1 - 다이렉트 드라이브 (Direct Drive, 직결)
- 기어비 1 미만 - 오버드라이브 (Over Drive, 증속기)
위는 변속기이 출력부 전단에서의 분류이다. 최종 감속비를 거쳐서 나오는 출력은 감속되어서 나온다.
때문에 기어비에 따라서 차량이 낼수 있는 최고 구동력과 최고 속도가 결정된다. 토크(힘)와 속도는 반비례 관계로, 저단일수록 기어비가 높아 힘을 세게 발휘 할 수 있고 고단일수록 기어비가 낮아 속도가 빨라진다.
최고단의 기어를 "탑기어(Top Gear)"라고 한다. 기존에는 1:1인 다이렉트 드라이브를 지칭하는 말이었다. 그러나 90년대 중반 이후 다단화로 인해 오버드라이브를 달고 나오는 차들이 많아지고 사실상 오버드라이브가 전부 달려있다 보면 되기에 오버드라이브를 지칭하는 쓰임이 더 많아졌다.[10]
변속기는 엔진의 출력과 토크에 맞는 것을 사용해야 하는데, 변속기의 허용치가 지나치게 낮다면 변속기가 과부하로 작살나기 쉽고, 지나치게 높으면 변속이 굼떠진다.
크게 수동변속기와 자동변속기로 나뉘고 있으며, 보통 수동은 스틱, 자동은 오토로 통칭한다.[11][12] 운전하기엔 당연하지만 자동변속기가 훨씬 편하다. 두 방식 모두 각자 나름의 장단점이 있다. 자동변속기의 경우, 수동변속기에 비해 운전이 편하고 변속에 대한 부담이 덜어진다는 장점이 있다. 반대로 차의 무게, 가격이 증가하고, 변속기 고장이 발생할 경우 수리비가 크게 증가하는 편이다.
수동변속기의 장점은 자동차 내에 내장된 컴퓨터가 아닌 자신이 직접 자동차의 움직임을 통제할 수 있는 범위가 늘어난다는 점에 있다. 이른바 '운전의 재미'가 바로 여기에 해당한다. 차량의 무게도 가볍고, 동력손실이 적기 때문에 유체 토크컨버터 형식의 자동변속기보다 연비가 높게 나오는 편이기도 하다. 구조가 단순하기 때문에 정비가 쉽고, 비용도 적게 든다는 장점도 있다.[13] 그리고 아직 논란이 끊이지 않고 있는 자동변속기 차량의 급발진문제에서도 100% 자유롭다. 변속 과정에서 전자 기기의 개입이 없으며, 엔진이 ECU 에러 등으로 문제를 일으킨다고 해도 클러치를 밟는 즉시 동력이 물리적으로 끊어지기 때문이다. 그럴 리는 없지만 클러치가 작동을 안 한다면 변속 레버를 강제로 빼서 중립으로 놓으면 그만이다. [14]
다만 수동변속기의 장점은 보는 관점에 따라 단점이 되기도 한다. 스스로 컨트롤 해야하는 범위가 많아진다는 것은 운전자가 차에 대해 스스로 공부해야할 것이 많아진다는 점을 의미한다. 수동변속이 주는 '피로감'은 단순히 클러치를 반복해서 밟는 것 이상의 의미로 다가올 수도 있다. 연비의 경우도 운전자의 운전습관에 따라 오히려 낮게 나올 수 있다. RPM을 올려서 출력을 뽑아내는 저단 위주 주행을 한다면 당연히 연비가 좋을리 없다. 자동화 수동변속기(주로 DCT)의 경우 오히려 수동변속기보다 높은 효율을 보여주는 편이다.[15] 수동기어의 부속은 기본적으로 소모품이라 주기적으로 교환해야 하는데, 국산차의 경우는 30~40만원 정도의 비용이 들어간다. 물론 몇 만 km를 주행하고 교환을 하는 것이니 교환주기가 짧은 것은 아니지만, 은근 신경이 쓰일 수 밖에 없는 부분.[16] 그러나 수동변속기의 경우는 차량마다 다르지만 구조가 간단하고 작은데다 설계부터 정비성 측면에서 엔진을 내리지 않고 변속기를 쉽게 떼어낼 수 있는 등 어느정도 유리한 측면이 많기 때문에 공임 자체가 적게 들어가기도 한다.
전기자동차의 경우는 초기 토크가 워낙 좋으므로 감속기 같은 간단한 변속기어 정도만 쓰지만, 고속대역에서의 효율성을 크게 까먹는다는 문제점이 있어 일부 메이커들이 전기차에도 고속구간용 2~3단 변속기를 탑재하는 경우가 가끔 있다.
일부 초기형 하이브리드 차량이나 디젤 전기 기관차는 파워트레인에서 변속기 대신 모터를 박아놓은 케이스이다.
1.1.1. 별도의 문서가 있는 변속기
- 수동변속기 (Manual Transmission)
- 자동변속기 (Automatic Transmission)
- CVT(무단변속기 = 연속 가변 변속기)
- 듀얼 클러치 변속기[17]
- ERev 변속기[18]
- 클러치
- 원심클러치
- 유체클러치
- 파워트레인
- 변속 방법
1.2. 자전거 변속기
- 외장 변속기(디레일러 기어)
- 내장 변속기(허브 기어 = 내장 기어 허브)
2. BLDC 모터 드라이브
교류 유도 전동기는 인버터 문서로.DC 전동기나 BLDC 전동기를 돌리는 용도의 컨트롤러를 지칭한다. 수많은 RC 모형이나 산업기계 등 용도가 매우 많다. ESC라고도 한다.
1번 문단의 변속기와 같은 단어가 쓰이지만, 작동 원리와 역할은 다르다. 내연기관 엔진으로 치자면, 기어변속기가 아니라, 엔진의 스로틀밸브에 가깝다.[19] 1번 항목의 변속기가 어떻게 기어비를 바꾸는지 생각해보면 알 수 있는 사항이다.
신호는 PWM 형식으로 전환되며, 10bit 의 resolution 을 가진다. 또한, 변속기에 따라 정회전만 지원하기도 하고, 정-역회전 모두를 지원하기도 있다.
이들 변속기에도 여러가지 규격이 있는데,
- 연속가동전류
- 최대 가동전류/ 허용시간
- 사용하는 PWM 주파수 or 주기
- 주 배터리 전압
- 출력 방식
- 저전압 컷오프
- 캐리어 주파수
등이 있다. 이 중 크게 신경 쓸 것은 출력 방식이나 전류, 그리고 전압이다. 3번 항목은 대부분이 자동으로 잡아주니까. 특히, 5번 항목은 일반적인 출력방식과 더불어 OPTO란 방식이 있는데, OPTO는 optical isolator의 약자이다. 대전력을 사용하는 BLDC 변속기의 대부분이 OPTO 형식으로 출력단을 드라이브 하는 경우가 있다. 상당 사진도 대전력 제품군으로, 6KW 의 BLDC 모터를 제어한다. 이 경우 전동기용 주 전원과 더불어 변속기의 컨트롤러에 별도의 전압을 공급해야 한다. 이때 사용하는 것을 BEC 라고 부른다.
2.1. 전기차와 변속기
기계적인 에너지 손실이 크고 고장 수리 요소가 늘어난다. 하지만 전동기 기반 차량에도 다단 변속기를 물리는 경우가 없지는 않다. 다만 전기차와 변속기의 관계를 이해하기 위해선 먼저 자동차에 변속기를 설치하는 목적을 생각해볼 필요가 있다.2.1.1. 변속기의 역할
본래 내연기관이 낼 수 있는 힘과 회전속도는 대부분 자동차를 끌고 다니기에 적절하지 않다. 1톤이 넘는 쇳덩어리를 끌기엔 일반적인 승용차 엔진의 자체 토크만으로는 충분한 가속력을 확보하는 것이 불가능하므로 내 속이 터져서 운전할 수가 없다. 아반떼 AD를 예시로 생각해보면 최대 토크가 6,000rpm에서 27kg.m인데, 내연기관의 토크 특성상 엔진이 구동할 수 있는 최저 속도에 가까운 공회전 상태에선 이보다 훨씬 떨어진다. 고작 수kg에 불과한 토크로 1.5톤이 넘는 차량을 움직일 수 있겠는가? 엔진이나 모터 같은 회전기기의 출력은 토크와 회전속도의 곱이기 때문에 풀 토크를 내더라도 회전속도를 제대로 당기지 못하면 결국 엔진의 최대출력을 온전히 끌어낼 수가 없다는 문제가 있다.위와 같은 문제 때문에 엔진 출력을 그대로 바퀴에 꽂을 수도 없고, 그렇다고 엔진을 신나게 고토크 사양으로 만들자니 배기량이 한없이 무시무시하게 커지면서 차량에 올라갈 수 없는 사이즈가 되므로 사실상 비현실적인 요구가 된다. 하지만 기관을 요구 사항에 맞춰서 만들 수 없다면 기관이 내는 출력의 토크 x 회전수 비를 조절하여 필요로 하는 토크나 회전수를 맞추면 되며 이 일을 해주는 기계가 바로 감속기이다. 거기에 더해 엔진의 연비와 수명을 고려하여 감속기를 다단화함으로써 차가 느리게 갈 때는 감속비를 크게 해서 최고속도를 깎는 대신 힘을 증폭해 충분한 가속력을 얻고 충분히 속도가 붙으면 감속비를 줄여 엔진의 회전수를 적절히 낮춤으로써 엔진을 최적으로 운영할 수 있게 만들어진 것이 바로 자동차의 변속기다.[20]
즉, 변속기는 단순히 감속비를 조절하는 역할이 아니라 기관의 최대출력을 더 일찍, 더 넓은 속도 범위에서 쓸 수 있게 하면서도 회전수를 제어해서 연비까지 확보하는 등등 엔진을 운영하고 최적화하는 기계이기 때문에 내연기관 자동차에서 중요하게 사용되는 것이다.
2.1.2. 변속기가 배제되는 이유
그렇다면 전동기를 사용하는 전기자동차 입장에서 변속기는 어떤 존재일까? 사실 꽤 이른 시기부터 상용 전기자동차에 변속기를 탑재한 사례가 있다. 좀 옛날로 넘어가 보자면 기아 베스타 EV에 자동도 아니고 5단 수동 변속기가 올라가기도 했다. 다만 이런 오래된 차량들의 적용 사례는 현재 시점에는 일반화하기가 곤란하다. 이 차량이 개발되던 시기에는 전동기 제어 기술이 현대적이지 않았고 전원의 성능이 매우 좋지 않았기 때문에 내연기관처럼 낮은 토크와 회전수의 제약을 받아 변속기 없이는 차를 제대로 굴리기가 힘들었기 때문이다. 그래서 현재 시점에 출시되는 전기자동차들과는 괴리가 매우 크며, 아무리 늦어도 2010년 이후로는 전기자동차 입장에서는 변속기를 배제하는 것이 최선인 상황이다.일반적으로 현재의 전기자동차들이 대체로 변속기를 배제하고 고정 감속비를 가져가는 이유는 3가지가 있다.
첫 번째로는 조금이라도 높은 동력 효율을 얻기 위해서다. 변속기도 최적 효율이 나오는 회전수가 있고 그 회전수를 벗어나게 되면 완만하게 효율이 떨어질뿐더러, 아무리 효율이 좋다좋다 한들 마찰 저항으로 인해 기본적으로 어쩔 수 없이 까먹는 동력이 있다. 내연기관 입장에서는 이런 변속기의 단점을 엔진 연비를 고려한 제어나 설계를 통해 커버할 수가 있을뿐더러 엔진이 무슨 짓을 해도 그것이 훨씬 이득이지만, 전동기는 내연기관보다 회전수와 토크의 변동 폭이 훨씬 크고 배터리가 빡빡해 효율에 매우 민감하기 때문에 변속기가 까먹는 손실도 무시할 수가 없다.[21] 또한 쉽게 놓치는 부분인데 변속기가 동력 계통에 끼게 되면 구동 효율뿐만이 아니라 회생제동 효율도 떨어뜨린다는 치명적인 문제도 있다. 변속기는 토크의 방향에 상관없이 항상 손실이 발생하기 때문인데 그래서 더더욱 승용차에는 올리지 않으려는 추세인 것이다.
또한 전동기는 회전수가 높다고 해서 무조건 효율이 떨어지는 것이 아니다. 내연기관이 고회전수 조건에서 연비가 급감하는 이유는 내연기관 자체의 구조적인 부분도 크고 연료를 연소하는 과정처럼 화학적인 요인이 기여하는 바가 크다. 반면 전동기는 그런 기계적, 화학적 방해물이 전혀 없고 고회전 조건에서도 필요한 만큼의 동력만을 얼마든지 선택해서 쓸 수 있으므로 내연기관과 같은 효율 급감이 발생하지 않는다. 고속 조건에서 효율이 떨어지는 것도 어디까지나 해당 조건에서 최대 토크를 낼 때의 일인 거지 그렇지 않으면 보통은 충분히 여유 있는 운전 영역에서 주행이 지속된다. 내연기관은 높은 회전수를 유지하는 데만도 상당한 동력을 소비하지만 전동기 자체는 저속이나 고속이나 무부하 토크 저항이 거의 없으므로 동일 출력 조건에서 저속과 고속의 동력 효율이 극적인 차이를 보이지 않는다. 그래서 동력 효율 자체는 고속으로 갈수록 오히려 전동기가 압도적으로 높다. 고속에서 성능이 떨어지는 문제는 전동기의 반작용 전압을 이기지 못해서 전기적인 한계에 걸리는 것일 뿐이고 이는 동력 효율과는 별개의 문제다.[22]
두 번째는 전기 동력만을 사용함으로써 설계의 자유도와 여유 공간의 이점을 얻고 양산성을 개선하기 위해서다. 변속기가 붙게 되면 모터의 출력이 변속기를 들렀다가 바퀴로 가야 하므로 기존의 내연기관만큼 동력계의 설계가 복잡해지고 더 많은 공간을 소비하며 더 많은 제약이 가해지므로 결과적으로 전동기와 전기 계통을 사용함으로써 얻는 이점이 크게 감소하고 파워트레인 효율이 저하된다. 내연기관도 파워트레인 설계에 따라 연비 차이가 유의미하게 나는데 이보다 연비에 훨씬 민감한 전기차들은 말할 것도 없다. 그래서 전기자동차들은 전동기의 이점을 한껏 살려 아예 전동기 자체를 차축에 붙여버림으로써 동력계에 들어가는 기어 자체를 없애고 있는 추세다. 또한 변속기를 개발하고 생산해야 하기 때문에 차량의 양산성이 떨어지게 되며, 경험 많은 자동차 업체가 아니고서야 변속기의 개발과 양산이 익숙하지도 않을 것이기에 테슬라 같은 비교적 신생 업체들의 입장에서는 생각 외로 큰 리스크를 떠안아야만 한다. 변속기는 매우 정밀한 제조 능력을 필요로 하면서도 막대한 힘을 받아 고속으로 회전하는 기계이다. 많은 개발 경험이 없이는 함부로 손을 대기 어렵고, 막대한 돈과 시간을 들여 개발을 한다고 해서 전기차의 성능이 획기적으로 개선되는 것도 아니다.
세 번째로 변속기를 쓰기에는 모터의 동작 영역과 효율성이 내연기관처럼 허접하지 않다. 내연기관은 특성 곡선을 보면 토크가 언덕 모양으로 나타나고 출력은 거의 일방적으로 회전수에 비례해서 올라가는 경향이 있다. 따라서 최고 토크 지점도 언덕 최고점 하나뿐이고 최고 출력 지점도 거의 최고 회전수까지 올라갔을 때 딱 한 지점뿐이다. 즉, 엔진은 최적 동작 영역이 점으로 나타나며, 연비 위주로 돌리거나 출력 위주로 돌리기 위해서는 무조건 해당 최적 지점 근처에서 엔진을 놀게 해야 하는데 상식적으로 엔진 스스로 항상 속도나 토크 조건을 맞춰서 작동하는 것은 불가능하다. 그래서 변속기가 반드시 필요하게 되고, 변속기를 쓰더라도 엔진이 항상 100%의 성능을 발휘하기 어렵다. 내연기관 입장에선 변속기는 한몸이자 필수요소이며, 옵션이 아니다.
반면에 전동기는 특성상 저속 영역부터 이미 토크 곡선이 평탄하게 최대치로 형성[23]되고, 이 저속 토크는 모터 방열 설계와 배터리 사양만 버텨준다면 얼마든지 전류를 퍼넣어서 더 끌어올릴 수 있으며,[24] 전동기 유형과 설계에 따라 차이가 있긴 하지만 최대출력도 생각보다 굉장히 넓은 회전수 영역에서 유지할 수 있다. 또한 전동기의 효율도 내연기관처럼 물론 최적 영역이 정해져 있긴 하지만 내연기관에 비해 효율의 변동 폭이 작고 넓이도 넓으므로 굳이 변속기까지 넣어가면서 적정 회전수에 집착할 이유가 전혀 없다. 상술했다시피 변속기에서도 상당한 동력 손실이 발생하기에 변속기가 이득이 되려면 그 이상으로 전동기의 효율에 큰 이득이 있어야 하지만 실제로는 대체로 변속기가 있는 쪽이 오히려 연비에 손해를 보거나 그런 복잡한 시스템을 탑재할 자리에 배터리를 더 채우는 쪽이 훨씬 이득이 크다. 실제로도 많은 자동차 제조사들이 과거에 전기자동차를 개발하는 과정에서 이미 변속기를 설치해 시험을 해보았었고 대부분의 제조사들이 변속기를 빼는 방향으로 결론을 내린데는 이유가 있다.
또한 변속기도 효율이 최고가 되는 회전속도가 정해져 있는데 RPM의 변동 폭이 작은 내연기관과는 달리 전동기는 운용 회전수의 폭이 워낙 넓기 때문에 변속기를 최적으로 맞춤 설계하기가 곤란하다. 전동기 수준의 고회전수는 변속기에게도 상당한 가혹 조건이고 변속비가 크고 회전수가 높을수록 손실도 기하급수적으로 커지기에 같은 스펙의 변속기를 설치하더라도 내연기관에 비해 훨씬 효율이 떨어진다. 따라서 별다른 이유가 없는 한 일반적으로는 변속기가 없는 구조가 더 에너지 효율적이며, 변속기를 붙이겠다면 주로 효율보다는 전동기 운영 능력을 개선하기 위해 설치하는 경우가 대다수다. 현재 사용되는 전기차 전동기의 최고 회전수는 내연기관의 2~3배 정도인 2만 RPM 정도로 보편화 되어 있다. 이는 최종감속비나 전동기 사양에 따라 더 올라갈수도, 내려갈 수도 있다.
주의할 점은 변속기가 없는 것이지 전기자동차도 고정 감속비를 가지는 종감속 기어는 있다는 점이다. 바로 밑 문단에서 설명하겠지만 전동기를 전기자동차를 직결로 구동할 수 있는 사양으로 만드는 것이 불가능하지는 않으나 전동기의 사양은 전원의 사양도 고려해야 하고 너무 토크 중심으로 설계를 하게 되면 무난한 성능으로 만들기가 까다로우므로 보통 감속기 정도는 넣는 편이다.
2.1.3. 전동기 성능의 비결
사실 대체로 전기자동차들에 붙는 전동기들은 여러가지 다른 용도의 전동기들을 기준으로 봐도 사이즈에 비해서 출력, 특히 최대 토크와 최대 회전수가 굉장히 높은 편이다. 왜 이런 차이가 있냐면 전기차의 전동기들은 같은 성능으로 매우 넓은 운전 영역의 확보를 위해 극단적이고 공격적인 운용을 상정해서 설계되기 때문이다. 거의 사실상 그 사이즈에서 물리적으로 결정되는 전기적 사양의 한계치까지의 성능을 다 뽑는다고 봐도 된다. 문제는 전기적으로 성능을 뽑는 것과 그 성능을 뽑으면서 열적 안정성까지 확보하는 것은 다른 문제라는 것이다.회전 기기의 기계적 출력은 회전수와 토크의 곱이다. 때문에 출력이 같더라도 전동기의 사용 목적에 따라 회전수를 높게 설계할 수도 있고 토크를 높게 설계할 수도 있는데 보통 일반적인 전기자동차에는 종감속 기어를 박는 것을 감수해서라도 어느 정도 높은 정격 회전수를 갖게끔 설계한다. 이렇게 하는 이유는 같은 사이즈, 같은 출력 조건에서 모든 전기적 조건을 따져볼 때 무작정 고토크, 저회전수로 설계하는 것보다는 적당히 높은 정격 회전수를 갖는 것이 가장 효율적이고 넓은 운전 영역을 무난하게 확보할 수 있기 때문이다.
전동기가 자기력으로 토크를 내니까 그냥 자기력이 무조건 세지면 좋은 것 아닌가? 싶겠지만 항상 그런 것은 아니다. 예를 들어 영구자석 전동기의 토크는 영구자석의 성능에 비례하는데 현실적으로 얻을 수 있는 영구자석의 성능은 당연히 제한되어 있다. 그럼 결국 회전자 자석의 면적을 늘리던지 고정자의 권선 턴 수를 늘려야 하는데 면적을 늘리는 것은 결국 전동기의 크기가 커지고 턴 수를 늘리는 것은 물리적으로 얻을 수 있는 성능의 한계가 있고[25] 생산성을 악화시키는 데다 권선 직경을 제한하여 고전류 운용을 어렵게 하는 요인이 될 수 있고 저항 손실을 증가시켜 효율이 떨어진다. 그나마도 두 방법 모두 전동기의 고회전 특성을 크게 악화시켜 운전 영역의 크기가 협소해지는 문제가 생기므로 차량 성능에 문제가 생기는 것을 피할 수 없고[26] 제아무리 전동기라 해도 저정도 사이즈로는 직결로 사용할 수 있을 정도의 토크를 내기 힘들어 어차피 종감속 기어를 생략할 수도 없으므로 사양으로든 양산성으로든 무척 비효율적이다.
또한 모든 부속이 기계적, 화학적으로 연관되고 유지보수 같은 문제로 고속 회전이 곤란한 내연기관과는 달리 전동기는 일단 고속 회전을 시키는 것 자체는 큰 어려움이 없다. 그냥 금속 원통이 더 빨리 회전하는 것 뿐이니 기계적인 문제는 당연히 없고 전기자동차의 전동기는 모터드라이브 소프트웨어의 섬세한 제어를 받으므로[27] 전기적으로도 곤란할 부분이 없다. 단지 얼마나 더 높은 속도에서 원하는 출력을 유지할 수 있느냐의 문제일 뿐이므로 근본적으로 변속기가 개입할 여지가 별로 없다.
결론적으로 적정 수준의 토크 사양과 회전수 사양을 갖는 것이 가장 높은 출력과 넓은 운전 영역을 구현할 수 있다는 것인데 '그럼 대체 전기자동차의 가속 성능은 어떻게 뽑느냐?' 하면 간단하다. 효율이고 뭐고 전동기가 불 타 죽기 직전까지 최대한의 전류를 때려 박는다.[28] 보통 제어를 받는 것을 상정하고 설계되는 전동기들은 어차피 전류량을 인버터가 제어해주기 때문에 권선저항을 매우 낮게 잡을 수 있으며, 그래서 생각보다 고전류 조건으로도 높은 효율을 확보할 수 있고 발열도 잘 버틴다.[29] 때문에 역기전력과 전기자 반작용이 미미한 저속에서는 전기 사양 상 전동기를 불태우고도 남을 정도로 막대한 전류도 허용할 수 있으며, 전동기의 온도만 조심하면 최대 토크로 쭉 밀고 나갈 수 있게 된다.
당연히 이것은 전동기를 굴릴 전원이 그만큼 큰 전류를 출력할 수 있다는 전제를 깔고 이야기 하는 것이다. 아무리 낮아도 수백A, 높으면 1000A를 넘는 어마어마한 전류를 뿜어낼 수 있어야 하는데 마침 전기자동차의 거대한 배터리가 그 조건을 딱 만족한다. 수천 개의 직병렬로 연결된 배터리 셀은 방전성능이 매우 우수하며 냉각만 잘 해주면 어렵지 않게 찍을 수 있는 출력 전류다. 이런 여러가지 조건들을 알맞게 조합함으로써 최소의 비용으로 최대의 성능을 달성하는 것이다.[30] 전기자동차는 전동기뿐만이 아니라 배터리의 전압과 전류 사양을 고려하는 것도 매우 중요하며, 배터리의 가용률 또한 최대한 100%에 가깝게 끌어내는 것도 무척 중요한 과제다.
이러한 모든 운전 영역을 활용하는 데 있어 전동기에 부담이 크다는 오해도 많지만 옛날이면 모를까 현대 전동기의 제어 성능과 내구력은 여러분의 상상을 초월하며 인류가 만들 수 있는 동력기계 중에서는 거의 세 손가락 안에 들어가는 물건이다.[31] 따라서 변속기를 생략하더라도 전동기는 차량 운행에 필요한 모든 운전 조건을 달성할 수 있다는 결론을 내릴 수 있다.
사이즈가 훨씬 작고 방열도 간소화 되었기 때문에 보통 이런 전동기들은 강력한 성능을 대가로 가동 시간의 제한을 받는다. 그래서 보통 승용차 선에서 꾸준하게 최고 토크를 내는 것은 내연기관 차량이 더 잘한다. 당연히 전동기 또한 방열 성능을 넉넉히 올려준다면 마찬가지로 연속 출력을 낼 수는 있으나 보통 이정도의 방열이 필요한 시간이 짧기 때문에 굳이 필요 이상의 방열 설계를 하지 않는 경향이 있다.
2.1.4. 전동기의 약점
전동기의 가용 회전수 자체는 매우 높지만 너무 높은 회전수까지 커버하는 경우에는 대체로 출력을 끝까지 유지하지 못하고 최고속도보다 훨씬 이른 속도에서 힘이 빠지는 경향이 있기 때문에 내연기관 + 변속기 조합에 비해 고속 성능이 좀 후달리는 편이다. 이는 전동기가 회전하는 상황이 전류를 밀어 넣으려는 인버터와 이를 막으려는 전동기의 대립이기 때문이다.전동기와 발전기의 전기적인 작동 원리 자체는 동일하다. 즉, 전동기도 마찬가지로 회전속도가 올라갈수록 회전 방향과 반대 방향으로 작용하는 전기적 반작용이 발생하는데 이를 역기전력(Back EMF 혹은 Counter EMF[32])이라고 한다. 때문에 전압을 가하더라도 전동기의 회전속도가 무한정 올라가지 않으며, 인가 전압과 역기전력의 크기가 같아지는 어떤 속도 지점에서 더 이상 가속 되지 않는다. 역기전력의 크기는 전동기 회전속도에 비례하므로 전동기가 가속함에 따라 인버터가 이에 맞춰 더 높은 전압을 투입해줘야만 전동기로 들어가는 전류의 크기와 방향을 일정하게 유지할 수 있다.[33]
쉽게 이야기하자면 인버터와 전동기가 전압이라는 힘으로 서로 항상 손바닥 밀기를 하고 있다고 보면 된다. 전동기의 회전수가 올라갈수록 전동기가 미는 힘이 더 강해지므로 가만히 있으면 어느 순간 전동기는 더 이상 밀려나지 않게 되고 전동기에 전류가 흐르지 않아 토크가 발생하지 않게 된다. 이렇게 되지 않으려면 인버터는 출력 전압을 더 올려서 전동기의 역기전력을 상쇄해야 한다. 거기에 추가로 목표 전류량을 달성하기 위한 전압을 더해 전동기 멱살을 잡고 전류의 방향을 일정하게 유지한다. 이 상태에서는 일방적으로 인버터가 전동기의 상태와 상관없이 원하는 전류량을 얼마든지 유지할 수 있을만큼 전압 이용률에 여유가 있으며, 따라서 원하는 토크를 내기 위한 전기적 제약이 없다고 볼 수 있다. 전동기의 TN 커브를 보면 최대 토크 값이 저 위에 일자로 떠있고 출력이 회전수에 비례해서 올라가는 속도 범위가 있는데 그 범위가 이 상태다. 원하는 토크를 회전수와 상관없이 쭉 일정하게 유지할 수 있으므로 정토크 영역이라고 한다.
만약 전동기 회전수를 계속해서 올리게 되면 어느 순간 인버터 전원의 전압[34]과 전동기 역기전력의 크기가 같아지게 될 것이다. 이 경우에는 인버터도 더 이상 출력전압을 올릴 수 없으므로 전동기에 더 이상 전류를 밀어 넣을 수가 없고 이는 토크를 낼 수 없음을 의미한다. 인버터가 더 이상 전동기를 힘으로 밀어낼 수가 없는 상황이 된 것이다. 하지만 이 때도 전동기를 구동할 수 있는 방법이 있는데 바로 전동기의 힘을 약화시키는 것이다. 인버터는 더 높은 회전수에서 출력을 끌어내기 위해 전동기의 계자 자속을 감소시키는 제어를 하게 되는데 이를 약자속, 혹은 약계자 제어라고 한다.[35] 이렇게 하면 단위전류당 토크는 감소하겠지만 전동기의 역기전력도 감소하게 되고 그만큼 전압 여유가 생기면서 인버터가 다시 주도권을 잡고 토크를 낼 수 있게 된다.
이 상태에서는 전동기의 회전수가 올라가는 만큼 역기전력을 약화시키기 위해서 전류 일부를 투자하거나 전동기의 전류를 제한하므로 실질적으로 토크는 회전수에 반비례하여 쭉 내려가게 되는데 기계적 출력은 속도와 토크의 곱이다. 즉 속도가 올라가는 만큼 토크가 떨어지는 것이므로 기계적 출력 자체는 일정하게 유지된다. 따라서 전동기는 정출력 상태가 된다. 전동기 TN 커브를 보면 정토크 영역을 지나서 회전수가 올라가는 만큼 토크가 미끄럼틀처럼 내려오면서 출력이 일정하게 나가는 속도 영역이 있을건데 이를 정출력 영역이라고 한다. 이는 내연기관 차량에 비유하자면 CVT 변속기가 매우 적절하다. 차량의 속도가 올라갈수록 연속적으로 변속비를 낮춰 최대 토크를 내리면서 속도를 증가시키는데 기계적으로는 비슷한 작용이다. 전동기는 기존의 변속기가 하던 일을 전자 제어 기술을 통해 별도의 하드웨어 추가 없이 구현할 수 있기 때문에 이를 통해 내연기관을 압도하는 운전 영역을 확보할 수 있다.
다만 모든 전동기가 저런 완벽한 정출력 특성을 가지는 것은 아니며 전동기 유형에 따라 편차가 매우 크다. 예를 들어 유도전동기 같은 경우에는 인버터의 제어를 받아도 정출력 영역의 크기가 매우 협소하고, 릴럭턴스 전동기 같은 경우는 정출력 영역이라고 할만한 부분이 있긴 한데 출력을 유지하지 못하고 점점 떨어진다. 즉슨 최대출력이 피크 찍고 바로 내려오기 때문에 이런 전동기들은 고속토크가 매우 구리다. 이에 대한 대처도 업체마다 차이가 있는데 가격 문제로 비영구자석 전동기를 주력으로 쓰는 테슬라 같은 경우에는 영구자석 보조 릴럭턴스 전동기 등으로 성능을 보강하고 있고 고성능 차량 브랜드들은 가장 뛰어난 특성을 얻을 수 있는 영구자석 전동기를 사용하는 경우가 많다.
만일 회전수가 더 올라가면 약자속 제어로도 이런 정출력 상태를 유지할 수 없는 시점이 오게 된다. 왜냐하면 전동기의 고정자도 전자석이기 때문에 회전자만큼은 아니지만 마찬가지로 회전수에 비례해서 반작용이 발생하기 때문이다. 고정자 반작용은 전동기에 투입하는 전류 자체를 줄이지 않으면 감소시킬 방법이 없다. 때문에 약자속 효과와 고정자 전류 제한 효과가 동시에 작용하여 회전수에 비례해서 토크가 급격하게 추락하게 된다. 전동기 TN 커브를 보면 정출력 영역을 지나서 토크가 확 꺾여 내려가고 출력도 떨어지기 시작하는 속도 시점이 있을 텐데 그 영역에서 발생하는 일이 이 상황이다. 이 영역은 전동기마다 성능차가 매우 크므로 특성 영역이라고 부른다. 대부분 전기자동차의 최고속도 성능이 추락하는 원인이 바로 이것이다. 뜬금없이 고속 시점에서 출력이 떨어지는 것이다.[36]
당연히 전기자동차 제조사들도 이를 알고 있으며, 사실 보통 저기까지 갈 정도로 높은 속도를 낼 일이 거의 없기 때문에 스포츠카 정도에서나 문제가 되는 부분이다. 보통은 그냥 전동기 특성을 더 최적화해서 완화를 시키기도 하고 둘 이상의 전동기를 사용하거나 간략한 변속기를 붙여 출력 저하 시점을 늦추거나 체감되지 않게끔 한다.
2.1.5. 변속기가 탑재되는 사례
포르쉐 타이칸 대표적인 사례 중 하나이며 저속 토크를 보강하는 간단한 2단 변속기를 탑재했다.[37] 덕분에 성능은 최고이나 상대적으로 열에 취약한 PMSM 전동기도 무리 없이 채용할 수 있었고 전동기와 배터리의 부담을 줄여서 최고속도와 성능 유지력도 다른 동급의 전기차들에 비해 우위를 점할 수 있었다. 대신 가격이 매우 비싸지고 항속거리 및 동력 효율상의 손해를 보게 되었는데 연비 주행이 필요한 경우에는 변속기를 아예 동력계에서 분리함으로써 영향을 최소화 했다. 이런 대세에 역행하는 듯한 포르쉐의 행보에 대해서 논란이 있긴 했지만 어찌 됐든 출시 당시에는 타이칸만이 뉘르부르크링을 과열 문제 없이 전력으로 주행할 수 있었으므로 변속기 탑재가 마냥 손해라고 하긴 힘들다.[38]그 외에는 전기 버스나 트럭처럼 차량 자체가 체급이 클 때도 변속기가 들어가는데 이 경우는 전동기의 토크가 모자라서라기보다는[39] 배터리의 사양이 여유 있지 않아서 전동기의 운용 조건을 배터리 사양 이내로 집어넣든지, 전동기의 고토크 유지력을 보완하기 위해서 넣는다. 대형 차량의 경우 매우 큰 토크를 승용차에 비해 훨씬 오래 유지해야 하는 경우가 많아서 승용차들처럼 고토크 시간을 짧게 잡을 수 없는데 최고속도도 충분히 높아야 하므로 변속기를 탑재하는 쪽이 좀 더 적정사양을 맞추기 수월한 경우가 꽤 있다. 물론 이런 대형 차량에서도 변속기를 제거하는 것이 그렇게 어려운 일은 아니며, 전동기에 대한 제조사들의 이해도가 향상됨에 따라 대형 차량 분야에서도 변속기의 비중이 줄어들고 있는 추세다.
이륜차의 경우 배터리도 작고 전동기도 작아지는데 줄어든 부피에 비해 필요한 견인력이 비교적 큰 편이다. 사실 실제로 비교를 해보면 이륜차 정도의 체적에서는 오히려 전동기의 성능이 내연기관을 압도하지만[40] 배터리는 그렇지 않기 때문에 전기자동차보다 훨씬 배터리 성능에 의한 제약이 크다. 그래서 연비가 잘 나오면서 배터리 성능도 최대한 활용할 수 있는 이런저런 조합을 시험하는 과정에서 간단한 변속기가 탑재되는 경우 또한 상당수 있다.
다만 이륜차 규모의 전동기 제어 기술도 이미 과거에 소형 차량이나 산업기기를 거쳐 성숙된 지는 한참 되었으므로 마찬가지로 변속기의 전망이 그렇게 밝다고 보긴 어렵다. 전자식 전동기 제어 기술과 정교한 전동기 설계 기술이 본격적으로 활용되기 시작한 시간이 다른 산업에 비해 길지 않기 때문에 관련 산업에 접점이 없는 대기업이나 중소기업들의 입장에서는 이 분야의 접근성이 그렇게 좋지 않아 변속기가 나타난다고 보는 것이 정확하며, 배터리의 성능이 일정 이상 넘어설 경우 변속기의 배제는 필연이다.
[1] 비슷한 사례로 전기 변압기는 '도란스'라고 부른다.[2] 변속기에서 機를 器로 바꾸었다.[3] Gearbox.[4] Transmission이라고 부르는 이유는 이 의미이기 때문이다.[5] 영국 영어에서 transmission은 gearbox를 포함한 전 구동렬(驅動列, drive train)을 가리킨다. 그러니까 트랜스미션이라고 하면 변속기부터 바퀴까지 전부 포함이고, 기어박스는 변속기만 뜻하는 거다.[6] 위 영상은 1932년에 제작된 것으로, 제너럴 모터스가 쉐보레 차종 구매자들을 교육하기 위해 만든 것이다. 이 당시에는 자동변속기가 개발되지 않아 모든 운전자가 수동변속기를 사용해야 했고, 당연히 저단기어와 고단기어의 원리와 차이점을 알아야 했다. 당장 톱니바퀴의 작동 원리부터 지렛대에 비유해서 설명하는것부터 시작하고 있다.[7] 기솔린 엔진 기준으로 보통 분당 1,000~5,000 회전하는데, 이는 초당 16~80 회전 정도이다.[8] 입력축의 기어 잇수에 대한 출력축의 기어 잇수 비를 말한다. 예를 들어, 입력축의 기어 잇수가 20 이고 출력축의 기어 잇수가 40이라면 현재 기어비는 40/20 = 2 가 된다.[9] 철도계에서도 쓰이는 말이긴 한데 이쪽은 치차비가 더 많이 보인다. '치차(歯車)'는 기어를 의미하는 일본식 한자어이다. 자세한 정보는 톱니바퀴 항목 참고.[10] 다만, 여전히 일부 상용차는 최고단수가 다이렉트 드라이브이다. 이런 경우는 보통 옵션으로 오버드라이브 방식 변속기를 선택할 수 있다. 그런 차들은 고속항속보다 저속토크가 더 중요한 경우가 많기 때문이다.[11] 공학적 관점의 구분(기계적 원리)과 사용자 인식상의 구분(클러치 페달 유무)은 미묘하게 다르다. 대표적인 인식의 차이를 보여주는 예가 바로 자동화 수동변속기.[12] 다만, 운전면허에서는 클러치 페달 유무로 자동/수동 여부를 보기 때문에 수동변속기라도 클러치 조작이 자동화되어있는 자동화 수동변속기 같은 것은 자동변속기 한정조건으로도 운전이 가능하다.[13] 자동변속기의 오일은 동력 전달 역할을 하므로 양도 많고 비싸다. 수동변속기에도 오일이 들어가나, 동력 전달 기능은 없고 단순히 윤활과 냉각 역할만 한다. 그 양도 훨씬 적고, 저렴하며, 교환 주기도 길다. 경제성만큼은 자동변속기가 수동의 상대가 되지 않는다.[14] 클러치 동작이 없어도 기어를 빼는 것 까지는 크게 무리가 가지 않는다. 클러치 없이 다시 넣으려고 할 때 회전수 매칭이 되지 않으면 문제가 생길 가능성이 크다.[15] 이론적으로는 DCT가 수동변속기보다 같거나 약간 높은 동력 효율을 가지긴 하지만, 변속기 자체가 크고 무거워서 실연비는 변속기 무게가 가벼운 수동이 미세하게 높다는 의견이 많다.[16] 자동변속기도 소모품인 것은 마찬가지며, 수동변속기라고 부품 교환 주기가 짧은 것은 아니다. 연 2만 km씩 탄다 해도 10년 이상 부품 교환 없이 타고도 남는다. 변속기 오일도 10만 km까지 쓴다. 그 이전에 클러치 디스크 교체 주기가 오긴하지만, 기어 박스 자체는 수명이 매우 길다.[17] 공학적 원리로는 수동변속기에 가까우나 클러치 페달이 없어 일반인들에게는 자동변속기에 가깝게 여겨지며 법적으로도 자동 면허로도 운전이 가능하다.[18] 엔진으로 발전기만 돌리고, 이 발전기와 연결된 모터가 실질적으로 변속기의 역할을 수행하는구조. 즉 엔진의 회전으로 전기를 만들어내는 전기차라고 생각하면 된다. 구조상 동력전달에 케이블만 있으면 되므로 후륜이나 사륜으로 생산하기도 좋으며, 발전기에 마찰할 금속 파트 자체가 없으므로 내구성도 좋다. 현재 일본 기업들이 변속기의 일종 으로써 이시스템을 연구중이다. 도요타의 eCVT의 경우 엔진의 동력을 이 시스템과, 일반 cvt로 분배하여 구동하는 구조를 가지고 있다.[19] 전기모터는 회전수에 따라 토크 변화가 크지 않기 때문.[20] 다만 변속비를 크게 할수록 변속기 크기가 과하게 커지고 무거워지게 된다. 일반적인 변속기 장착 위치를 감안하면 이는 좋지 못하므로 변속기 자체의 변속비 범위는 1~3 내외로 작게 구현하고 변속기 출력과 바퀴 사이에 고정 감속비를 가진 최종감속기를 하나 더 추가하게 된다. 이 최종감속기는 전기차도 있다.[21] 특히 수동변속기 등의 효율이 100%라고 잘못 생각하는 경우가 있는데 자동변속기 등에 비해 전달을 100%로 할 수 있다는 의미인 거지 엄연히 기계적 손실이 있음을 잊어선 안된다.[22] 예외적으로 영구자석 전동기들은 고속 조건에서 영구자석을 억제하기 위해 추가전력이 투입되므로 최소 에너지 소비량이 증가해 저출력 효율에 상당한 영향이 있다. 그러나 전기자동차의 고속 주행 상황에서는 보통 공기저항을 이기기 위해 저출력 운전 조건이 나오지 않으므로 이로 인해 전비가 크게 악화된다고 보긴 어렵다.[23] 혼다 어코드와 테슬라 모델 S를 비교한 예시도 참조하면 좋다.[24] 물론 이는 배터리 사양과 모터 설계에 따라 한계가 있지만 내연기관과는 달리 허용되는 시간 내에서는 매우 큰 폭의 과부하 토크를 낼 수 있다.[25] 전자석으로 얻을 수 있는 자기력은 코일 턴 수와 전류량에 비례하긴 하지만 어느 정도 선을 넘어가면 자기포화 현상에 의해 제한이 걸린다.[26] 다른 유형의 전동기들도 영향을 주는 요인이 다를 뿐이고 전반적으로 토크 성능의 상승은 이와 비슷한 상황을 만든다.[27] 단순히 내연기관처럼 연료를 언제 투입하고 이런 수준이 아니라 1초에 최소 1만번 이상의 횟수로 전력소자 스위칭 타이밍을 제어한다. 그 짧은 매 스위칭 타이밍마다 소프트웨어의 개입이 이루어지므로 전동기의 성능을 한계까지 끌어내기가 훨씬 수월하다.[28] 당연히 방열 용량을 더 크게 해서 과열을 방지할 수도 있긴 하지만 자동차가 최대 토크를 내는 시간이 길어봐야 얼마나 길겠는가? 그래서 보통은 짧은 시간만을 상정한다.[29] 이는 전용 인버터의 제어를 받는 전동기들이 중간에 회로가 끼어들어갔음에도 직입 전동기들에 비해 압도적으로 효율이 좋은 이유 중 하나다.[30] 수소자동차들의 성능이 배터리 기반 차량에 비해 성능이 시원찮은 이유도 여기에 있다. 만족할만한 성능을 내려면 어쩔 수 없이 전동기 설계가 배터리 전기차와 거의 비슷해질 수밖에 없는데 수소연료전지의 출력전류가 배터리에 비해 훨씬 낮으므로 전동기의 성능을 100% 끌어내기가 어렵다.[31] 전기기관차만 봐도 알 수 있는데 수천 마력이 넘는 전동기를 4대, 많으면 10대 이상도 그 좁은 기관차 하부에 집어넣을 수 있을 정도로 전동기는 체적 대비 성능과 내구력이 압도적이다. 기껏해야 1000마력 언저리인 승용차를 구현하는데 전동기의 내구력을 걱정할 이유가 전혀 없다.[32] Electromotive force (전기 운동력)[33] 예시로 배터리 전압이 DC 800V라고 해도 실제로 전동기가 DC 800V를 다 먹고 있는 것이 아니다. 인버터가 전동기의 회전수와 전류크기 지령을 고려해서 전동기에서 발생하는 역기전력을 상쇄하기 위한 전압 + 전류를 유지하기 위한 전압만큼을 잘 조절하면서 줄다리기를 하고 있기 때문에 정전류 제어가 가능한 것이다.[34] 전기자동차에선 배터리[35] 쉽게 얘기해서 영구자석이 붙는 전동기들은 영구자석의 자력을 약화시키고, 없는 전동기들은 회전자의 여자 전류를 줄인다. 전동기의 반발력 자체가 전동기의 토크 상수와 비례하므로 어떤 식으로든 토크 상수 값 자체를 깎는다고 이해하면 된다. 그럼 반발력도 약화된다.[36] 고속열차처럼 기관차를 구동하는 토크를 내면서 시속 300km를 넘기는 건 어떻게 가능한지 궁금한 사람도 있을 텐데 이런 데는 정격전압도 1500V 정도로 훨씬 높고 수십 대의 전동기가 부하를 분담한다.[37] 간혹 고속 성능을 2단 변속기로 보완한 걸로 오해하는 경우가 있는데 타이칸의 변속기는 저속 토크 보강을 위해서 저속에서만 사용된다. 2단이 아니라 0.5단과 1단이 있는 변속기로 이해하면 더 쉬울 것이다. 전동기의 고속 성능 저하 문제는 전기적 제약 때문이지 동력효율과는 상관이 없으며, 변속기는 회전수가 높을수록 동력 손실이 커지므로 전기차 플랫폼에서는 변속기를 고속 주행에 쓰기보다는 전동기 자체를 고속 위주로 맞추는 쪽이 더 효과적이다.[38] 포르쉐도 포르쉐 마칸처럼 극단적인 스포츠성이 불필요한 차종에는 다른 업체들과 마찬가지로 변속기를 제외하고 있으므로 변속기의 장단점을 잘 알고 있다고 볼 수 있다. 그럼에도 변속기를 탑재했다면 나름대로 장점이 크다고 생각하는 듯. 영구자석 전동기의 약계자 제어를 피하려는 의도일 수도 있다.[39] 전기버스 정도의 체적이면 전기기관차에 들어가는 전동기도 넣고도 남는다. 단지 그 전동기를 돌릴 수 있는 전원이 없을 뿐이다. 또한 전기 대형 차량의 경우에는 배터리와 전동기의 거리가 먼 경우가 많고 버스 같은 경우에는 안전과 전자기 차폐 등의 자잘한 문제도 끼어 있다.[40] 말이 이륜차지 사실 체적만 따지고 보면 200마력짜리 전기차 전동기도 약간 손보면 이륜차에 박아넣을 수 있다.