요즘 대부분의 전기 자동차는 기어박스를 사용하지 않습니다. 이런 일이 발생하는 데에는 세 가지 주요 이유가 있지만 세부 사항을 자세히 살펴보기 전에 기어박스가 무엇인지, ICE 자동차에서 기어박스가 수행하는 역할에 대해 설명해야 합니다. 이렇게 하면 전기 자동차에서 기어박스가 근본적으로 중요하지 않은 이유를 더 쉽게 알 수 있습니다. 또한 유용한 추가 기능이 될 수 있는 경우와 이를 통해 어떤 이점을 얻을 수 있는지 설명하려고 노력할 것입니다.
기어박스란 무엇이며 ICE 자동차에서 어떤 역할을 합니까?
ICE 엔진은 전기 모터와 달리 유휴 상태에서 차량을 움직일 수 있을 만큼 충분한 토크를 생성하지 않으므로 더 많은 토크를 생성하려면 더 높은 회전수가 필요합니다. 그러나 엔진 회전수 범위는 제한되어 있으며 결과적으로 자동차의 속도도 제한됩니다. 이것이 바로 우리가 기어박스를 사용하는 이유입니다. 간단히 말해서, 최종 구동 비율과 결합된 기어박스는 토크 승수입니다. 이전에 기어비와 최종 구동비에 대해 들어본 적이 있을 수도 있지만 이 수치가 무엇을 의미하는지 몰랐을 수도 있습니다.
기어비부터 시작해 보겠습니다. 귀하의 ICE 차량에서 1단 기어를 선택했다고 가정해 보겠습니다. 또한 1단 기어의 비율이 3:1이라고 가정해 보겠습니다. 이는 엔진에서 생성되는 토크에 3을 곱한다는 의미입니다. 자동차 바퀴에서 토크가 몇 배나 증가하는지 확인하려면 최종 구동비도 고려해야 합니다. 다시 말하지만, 최종 구동비가 3:1이면 자동차의 휠 토크는 엔진 토크의 9배입니다. 자동차 엔진이 위의 비율로 1단 기어에서 200Nm의 토크를 생성하는 경우 휠 토크는 200Nm x 9 = 1800Nm입니다.
기어박스가 없었다면 이러한 곱셈은 불가능했을 것이고, 스로틀을 밟아도 자동차는 가만히 서 있을 것입니다. ICE 자동차의 기어박스는 엔진의 출력과 토크 특성, 다양한 부하에서의 효율성, 물론 엔지니어가 선택한 차량에 대해 지정한 최고 속도를 완벽하게 결합하는 방식으로 설계되어야 합니다.
지난 수십 년 동안의 주요 개발에도 불구하고 이러한 솔루션은 여전히 절충안입니다. 기어박스는 전체 구동계에 자체적인 비효율성을 초래하여 연료 소비와 에너지 손실을 증가시킵니다.
전기차의 경우는 어떤가요?
전기 모터에는 기어박스 개발 시 엔지니어링 문제를 해결하고 대부분의 경우 기어박스를 불필요하게 만드는 세 가지 기본 속성이 있습니다. 이러한 특성은 0rpm에서의 높은 토크, 전기 모터의 높은 rpm 기능 및 전자적으로 제한된 최고 속도입니다. 해당 속성을 하나씩 살펴보겠습니다.
0rpm에서 높은 토크는 매우 분명합니다. 기어박스는 주로 토크 증폭 장치라는 점을 기억하십시오. 0rpm에서 토크가 높으면 여러 기어비를 사용하여 토크를 더 늘릴 필요가 없습니다.
하지만 가장 중요한 것은 높은 rpm 성능입니다. 전기 모터는 최대 20,000rpm까지 회전할 수 있고 전체 범위에서 높은 토크를 사용할 수 있으므로 단 하나의 비율로 최고 속도를 쉽게 달성할 수 있습니다. 전기 자동차의 전자적으로 제한된 최고 속도가 마지막 이유입니다. 이는 단지 기어박스가 부족해서가 아니라 액체 연료에 비해 현재 고전압 배터리의 에너지 함량이 상대적으로 낮기 때문에 발생합니다.
이를 더 잘 이해하기 위해 BMW i4 eDrive 40을 살펴보겠습니다. 이 모델은 0~5000rpm에서 최대 모터 토크가 430Nm이고 결합된 기어와 최종 드라이브 비율이 11.115:1입니다. 이는 휠 토크가 4780Nm임을 의미합니다! 이제 일반적으로 전기 자동차가 신호등의 왕인 이유가 분명해졌습니다.
자동차의 최고 속도가 190km/h라고 가정해 보겠습니다. 최고 속도에서 모터는 16,500rpm으로 회전합니다. 일반적인 고속도로 속도 130km/h에서 모터는 약 11,300rpm으로 회전합니다. 이 예에서 볼 수 있듯이 전기 모터는 기어박스 없이도 모든 요구 사항을 충족할 수 있을 만큼 충분한 rpm 범위를 가지고 있습니다.
포르쉐와 아우디 패러다임
포르쉐 타이칸(Porsche Taycan)과 아우디 E-트론 GT(Audi E-Tron GT)는 모두 후방 모터에 2단 기어박스를 사용합니다. 이제 말하기 전에 "전기 자동차에는 기어박스가 필요하지 않다고 말씀하셨는데요." 이상적으로는 더 빠른 가속을 위해 저속에서 짧은 기어비를 갖고, 전기 모터의 rpm을 줄이기 위해 더 빠른 속도에서 더 긴 기어비를 갖고 싶습니다.
더 높은 속도에서 모터 rpm을 줄여야 하는 이유는 무엇입니까? 두 가지 이유가 있습니다. 우선, 모터의 rpm을 줄임으로써 효율성이 향상되고(역기전력 및 와전류 감소를 통해) 자동차의 주행 가능 거리도 향상됩니다. 두 번째 이유는 모터의 과도한 회전 없이도 더 높은 최고 속도를 달성할 수 있다는 점입니다.
2단 기어박스 채택의 문제점은 전기 모터가 생성하는 막대하고 즉각적인 토크를 처리하기 위한 기술적인 어려움입니다. 그럼에도 불구하고 일부 제조업체에서는 현재 전기 자동차용 2단 기어박스를 개발하고 있습니다.
견고한 신뢰성과 합리적인 가격으로 대규모 생산에 성공한다면 Porsche Taycan 및 Audi e-Tron GT와 같은 슈퍼카 대신 더 많은 주류 자동차가 이를 채택하는 것을 볼 수 있습니다. 하지만 추가적인 복잡성과 높은 가격이 잠재적인 이점보다 훨씬 큽니다.
