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토요타 하이브리드용 e-cvt

[오토헤럴드=김아롱 칼럼니스트] 자동차 변속기는 엔진 구동력과 엔진회전수를 자동차의 바퀴에 최적으로 전달하는 중요한 역할을 하는 기계장치입니다. 일반적으로 자동차는 출발할 때나 언덕을 오를 때는 높은 구동력(토크)이 필요합니다.

반면 고속도로를 주행할 때처럼 일정한 속도로 주행할 경우에는 엔진회전수를 최대한 낮춰 조용하면서도 안락한 승차감 그리고 연료소비를 최소화합니다. 자동변속기는 이처럼 다양한 주행조건에 따라 주행속도와 엔진의 부하를 바탕으로 스스로 기어를 변속해 줍니다.

최근에는 내연기관차와 더불어 전기차와 하이브리드차, 수소전기차(수소연료전지차) 등 전동화차량(xEV)이 등장하면서 보다 소형화되고 가벼우면서도 우수한 동력성능과 높은 에너지효율을 갖춘 변속기가 필요하게 되었습니다. 

특히 하이브리드차는 전용 다단 변속기와 함께 기존 무단변속기( Continuously Variable Transmission, 이하 CVT)를 전동화한 전자식 무단변속기(eCVT)가 새롭게 적용되고 있는 추세입니다.

자동변속기의 일종인 CVT는 구동체인 또는 스틸 벨트로 연결된 엔진출력을 전달하는 풀리(Drive Pully, 입력축)와 바퀴에 구동력을 전달해 주는 풀리(Driven Pully, 출력축) 등 두 개의 풀리 폭(홈)을 가변적으로 제어해 기어비를 자유롭게 변경함으로써 변속충격이 없을 뿐만 아니라 변속범위가 넓고 정숙성이 뛰어난 것이 특징입니다.

자트코(JATCO)  하이브리드 eCVT

또한 일반적인 자동변속기에 비해 구조가 간단하고 무게가 가벼워 연비와 가속성능을 향상시킬 수 있는 것이 장점입니다. 그러나 일부 차종에서 내구성에 문제가 생김은 물론 저속구간에서의 발진 가속성능이 떨어지는 단점으로 점차 적용범위가 줄고 있습니다.

이러한 단점을 보완하기 위해 부변속기를 적용함으로써 발진가속 성능을 향상시킨 CVT가 적용되고 있는 추세이기도 합니다. 부변속기는 기존 CVT의 변속기구(풀리)와 저단의 기어식 변속기(부변속기)를 조합해 저속에서는 부변속기를 통해 2단 변속을 실현함으로써 가속성능을 보완한 개량형 CVT라 할 수 있습니다.

하이브리드차에 새롭게 적용되고 있는 eCVT는 풀리와 벨트(또는 체인) 등으로 구성된 기존 CVT와 달리 구동용 전기모터와 발전용 전기모터 등 두 개의 전기모터와 배터리, 전자제어장치 등으로 구성되어 있는 것이 특징입니다.

구동용 전기모터는 하이브리드 엔진이 발전용 전기모터를 구동시켜 생성된 전기에너지 또는 하이브리드 배터리의 전원으로 바퀴에 구동력을 전달하는 역할을 합니다. 발전용 전기모터는 구동용 전기모터에 전원을 공급하는 역할 외에도 차량이 큰 힘이 필요할 때 구동용 전기모터의 동력을 보조해 주는 역할도 겸하고 있기도 합니다.

기존 CVT가 풀리의 폭을 변경해 기어비를 자유롭게 변경했다면 eCVT는 이러한 구동용 전기모터와 발전용 전기모터의 전력(회전수) 차이를 이용해 기어비를 변경하는 것이 차이점이라 할 수 있습니다.

또한 전기모터와 엔진사이에 클러치(록업 클러치)를 적용해 자동변속기처럼 엔진과 eCVT를 직접 연결해 엔진이 직접 바퀴에 구동력을 전달하기도 합니다. 

eCVT를 이를 통해 엔진과 전기모터간의 토크분배를 최적화해 주행조건에 따라 엔진과 전기모터의 출력을 최적으로 조절해 최적의 주행성능을 제공할 뿐 아리나 부드러운 변속감 및 가속성능과 함께 연료소비를 최소화시켜 줍니다. 

이외에도 감속 및 제동때 회생제동을 통해 하이브리드 배터리를 충전해 주며, 기존 CVT처럼 구조가 간단하고 부품수가 적기 떄문에 내구성이 뛰어나고 수리 및 유지보수가 용이한 것도 장점이라 할 수 있지요.

김아롱 칼럼니스트/[email protected]