전기차 감속기 해부분석(테슬라, 포르쉐, 벤츠)
전기차 감속기 원리, 전기차 변속기는 과연 필요없는가?
이번권부터는 부품론으로 한번 들어갈 볼까 합니다. 기초이론에 대해서는 다뤘으니, 타이어 주파수감응형 댐퍼 자율주행부터 이전에 다루지 못했던 심화파트들에 대해서 좀 더 이야기해 보죠
전기차(Electric Vehicle, EV)는 친환경 교통수단으로 주목받으며 전통적인 내연기관차(Internal Combustion Engine Vehicle, ICE)와 본질적으로 다른 구동 방식을 채택하고 있습니다.
엔진과 모터의 차이인데요, 이러한 차이는 차량의 동력 전달 체계에서도 뚜렷이 나타납니다.
내연기관차의 동력 전달 구조는 엔진에서 생성된 회전력을 차량의 바퀴로 전달하는 과정에서 복잡한 변속기 시스템이 필수적이죠 사실 가장 큰 문제는 초기 토크가 낮아서인데. 반면, 전기차는 전기 모터와 감속기의 조합만으로도 대부분의 주행 조건을 만족시킬 수 있습니다.
그렇기 전기차에는 변속기가 필요 없이 감속기만으로 충분하다는 주장이 설득력을 얻는 것이죠
사실 과거에는 8:1 정도 비율의 변속기가 대세였지만 모터기술과 모터 드라이빙 인버터 기술이 올라오면서 현제는 10:1 정도의 변속 비율이 대세화 되었습니다.
선생님 포르쉐 타이칸에는 2단 변속기 쓴다는데요? 벤츠의 어떤 차량은 2단 변속기 쓰는 애도 있는데요? 이런 파트를 포함해서 한번 이야기해 봅시다.
우선 감속기 감속기 하는데, 감속기가 뭔지부터 이야기해 봅시다.
1. 감속기의 정의
출처-현대위아 공식홈페이지감속기(Reducer 또는 Reduction Gearbox)는 동력 전달 장치의 중요한 구성 요소로, 고속 회전하는 전동기(전기 모터)의 출력 회전수를 감소시키고, 그에 따라 증가된 토크를 바퀴로 전달하는 역할을 수행합니다.
가장 널리 쓰이는 테슬라 기준으로 단일 속도 헬리컬 기어 감속기(Single-Speed Helical Gear Reduction Gearbox)를 사용하는 데우선은 헬리컬 기어부터 이야기해 봅시다.
헬리컬 기어는 스퍼 기어를 기반으로 개발되었습니다. 직선형 톱니의 맞물림이라 불리는 아래의 형태에서
기어의 이가 축에 대해 비스듬히 기울어져 있습니다. 평기어와는 달리 이의 접촉이 점이 아닌 선으로 이루어져 있기에 충격에 훨씬 강하고 수명이 길죠 물론 스러스트 같은 문제가 있는 건 사실입니다만 접촉면이 넓기에 훨씬 더 NVH적 성능에 뛰어나고 수명이 깁니다.
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앞서 설명드린 데로 주로 전기차의 구동 시스템에서 모터와 구동축(또는 바퀴) 사이에 위치하여, 효율적인 동력 전달과 차량 성능 향상이라는 역할을 담당하고 있는 것이죠
좋아 이런 기어로 뭘 어쩌는데?
위그림은 일반적으로 사용하는 감속기의 구조로 고속 회전하는 전동기(전기 모터)의 출력 회전수를 감소시키고, 그에 따라 증가된 토크를 바퀴로 전달하는 역할을 수행한다 보시면 됩니다.
주로 전기차의 구동 시스템에서 모터와 구동축(또는 바퀴) 사이에 위치하며, 효율적인 동력 전달과 차량 성능 향상을 위한 필수적인 장치입니다.
가장 주요한 현대의 전기차의 특징은 단일 속도비(Single Speed Ratio)로 모터의 넓은 회전수 범위를 활용해 다단 기어 대신 단일 감속기로 구현했다는 점이죠 왜냐고요? 이게 가장 효율적이니까요
사실 이 녀석은 보통 10:1의 구조라고 말씀드렸죠? 보통 요즘 전기차가 모터가 20000 RPM전후의 속도를 가지는데 속도를 줄여서 제어하는 것보다 고속구간에서 움직이는 게 훨씬 더 이득이 많습니다. 특히 효율적인 측면에서요 왜인지 한번 이야기해 볼까요?
전기자동차는 왜 변속기가 필요 없는가
왜 내연기관에서는 변속기가 필수였을까요?
지금 보시고 계시는 건 엔진의 출력그래프로 커브가 완만하게 그려지는 걸 보실 수 있습니다. 세부적인 수식해석은 복잡한데 중요한 건 저런 삐죽 솟아있는 형태로 그려진다는 것만 아시면 됩니다 이차함수의 역수의 형태로요 그래서 일정구간을 넘어가면 출력이 떨어지기에
우리가 필요로 하는 출력을 얻기 위해 다단 변속기를 사용하는 겁니다. 어? 근데 저위의 이상적인 그래프를 어디서 많이 본 것 같죠?
모터의 출력 그래프와 완전히 동일한 형상입니다. 그러니 모터는 강력한 변속이 필요 없는 겁니다. 실제로 토크 속도 출력 그래프에 감속기를 적용한 그래프를 그려보게 된다면?
다음과 같은 형상이 나타나게 됩니다 네 감속기는 Y축 평행이동이에요 어차피 우리가 이상적인 출력그래프를 어느 정도 정해두고 운전을 하기에 굳이 여기서 여러 변속을 둘 필요성 자체가 없는 겁니다.
누가 그러더라고요 전기차에 변속기를 장착하면 효율이 오를 거다라는 주장도 있긴 합니다만. 전기론자로 써는 말도 안 되는 소리입니다. 실제로 산정그래프를 보실까요?
타이칸 기준으로 고려했을 때 이 정도고 GPT를 통해 이상정인 상태로 계산했을 때도 이 정도밖에 차이가 안 난다는 겁니다.
오히려 다단변속기를 장착함으로 인한 무게증가와 시스템적 복잡도 증가가 전기차에 더 많은 손실을 야기할 수 있는 거죠 이론적으로 1~1.5% 차이를 내는데 이걸 시스템적 복잡성을 증가시키면서까지 구간을 가져갈 필요가 없다는 거죠
물론 약계자제 어를 못하는 차라면 저게 문제가 됩니다 실제 모터 효율이 높은 구간에서 운행하도록 시스템이 짜여있고 효율맵을 보시게 되면 저 노란 구간 안에서 고효율 제어를 하게 되는데 이전에 설명드렸죠? 우리는 감속기로 Y축을 끌어올렸다고요
약계자 제어를 통해 우리는 아래와 같이 X축을 이동시키는 기술이 있는데 비효율적으로 감속기를 또 달필요는 없다는 거죠
실제로 연구데이터를 보면 아래와 같이 우리가 원하는 운전영역을 제어기술로 이동시킬 수 있다는 게 중요한 겁니다.
이러니 우리는 굳이 다단 변속기를 사용할 필요가 없어요
물론 실제 설계할 때는 기계 재질 선택, 열관리(냉각 및 윤활 방식), 기어 접촉면의 마찰/마모 특성, 비틀림 강성, 파손 모드(피팅, 스코리아 등) 이런 변수들까지 다 고려해야지만 이건 나중에 기회가 되면 다루도록 합니다.
감속기의 기초이론을 다루는 파트니까요
감속비는 어떤 방식으로 산정하는가
사실 8:1에서 10:1로 넘어가는 걸 고려하기 전에 실제로 어떤 방식으로 산정하는가 GPT에게 물어볼까요?
음 실무에서 쓰긴 아쉽지만 어느 정도 합리적인 대답을 내놓긴 합니다. 저런 토크와 기어비 모터의 효율맵 거기에 제어특성까지 종합적으로 고려하는 것이죠 근데 왜 감속비가 높아진 걸까요?
사실 이는 모터기술의 성숙화가 가장 큰 이유로 초기 전기차 모터는 상대적으로 낮은 최대 회전수였죠 약 12,000~15,000 RPM정도였죠 사실 아이오닉 초기시절이나 테슬라 초기시절에는 저 정도였어요 따라서 낮은 기어비(8:1)로도 충분히 바퀴의 적정 속도를 맞출 수 있었습니다.
사실 15000 RPM도 미친 속도긴 합니다만 최근의 고효율 전기 모터는 최대 회전수가 15,000~22,000 RPM까지도 나오니까요 기술적인 성숙이 가장 큰 요인으로 작용했다 이해하시면 됩니다.
실제 22년도 현대차 자료를 보시면 21000 RPM까지 만들었다 이러고 있죠 초고속기기를 만들어지고 이에 따른 기술적 성숙도가 올라간 겁니다.
그럼 전기차에선 아예 변속기가 필요 없어요?
의외로 변속기를 효율적으로 사용하는 차량들도 있습니다. 아 포르쉐 타이칸은 아니에요 포르쉐 타이칸은 출시당시 최대 모터 회전속도가 16000 RPM이었고 여기서 제어기술에 무슨 짓을 하든 최대속도나 토크에 문제점이 생길 수밖에 없었죠 결국 출력을 뻥튀기하기 위해 8:1, 16:1 기어를 장착해 출력을 뻥튀기해둔 겁니다
당시에도 꽤나 토론이 있었지만 공학을 전공하신 분들은 출력뻥튀기 사기꾼 놈들이라고 말씀하시는 분들이 있었고 실제로 전기차 변속기 시대가 왔다 주장하시던 분들도 있었습니다.
당시 이를 활용해 비교되던 모델 S 모터 최고속도는 18000 RPM이었는데 순수 차량속도가 타이칸 264km 모델 S 256km였고 초반에 높은 기어비를 사용해 속도를 끌어올리는 전략으로 제로벡을 줄였던 겁니다.
효율 주행거리를 다 갔다 버리고 오로지 출력만을 쓴 게 지극히 포르셰스럽다달까요 더 작은 모터로 제로백을 낼 수 있다니 놀랍습니다 당시 테슬라의 기어비는 전륜 9.34 후륜 9.73이었죠 물론 400V시스템과 800V시스템차에서 저거밖에 비빈다는 시점에서 타이칸의 완패였지만요
그래서 사실 포르셰도 다시 단일 변속기로 회귀한 것을 보면 더 이상 다단변속기는 쓸모가 없다는 답이 나왔다 보고 있죠, 실제로 일본 쪽에서 전기차 레이싱에 대회를 했을 때 10분 만에 포르쉐가 퍼져서 못쓰게 됐다는 건 뭐 너무 유명한 이야기입니다.
재밌는 이야기를 해 드리 자면 벤츠도 다단변속기를 적용한 차량이 있습니다 포르셰처럼 스펙 뻥튀기를 한 게 아니라요 일반적인 승용차에서는 다단변속기가 필요 없지만 아래와 같은 오프로드 차량은 이야기가 전혀 다르죠
소위말하는 파워모드란 녀석인데 평시엔 10:1을 사용하다 뒤에 2:1을 붙여 기어비를 20:1로 활용해 토크를 극한까지 높이겠다는 겁니다. 꽤나 똑똑한 접근방식이라고 할 수 있죠
실제로 전기버스나 대형 전기차들을 고기어비 기반의 다단변속기를 사용하는 연구들이 많이 진행되고 있고 전기차는 무조건 변속기를 안 써! 이런 건 아닙니다. 실제로 전기차용 5단을 개발한 회사도 있고 테슬라가 과거에 제작했던 트럭이 24:1의 기어비를 가진적도 있습니다. 하지만 승용차 기준으로는 필요 없고 상용차 기준에서는 사용한다 정도로 이번글을 마칩니다.
항상 읽어주셔서 감사드립다.
참고문헌
[1]Kim, J. (2021). Comparative study of acceleration performance for high performance electric vehicles: Model S and Taycan. Transactions of KSAE, 20(5), 419–425
[2]Jeong, G., & Jung, D.-H. (2021). Performance analysis of magnetic gear integrated permanent magnet motor for electrical railway considering gear characteristics. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, 70(3), 535–541
[3]Reducer modeling for electric vehicles considering driving condition
[4]초고속 전기 모터에서 비롯된 현대차그룹 전용 전기차의 고성능 경쟁력
