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글로벌오토뉴스 채영석 국장은 30년 동안 자동차 전문기자로 활동해 왔으며 인터내셔널 엔진 오브 더 이어, 월드 카 오브 더 이어의 심사위원이다. 골드만 삭스 등 투자은행들과 다른 시각으로 산업 분석을 해 오고 있다. 지금까지 3,000종 이상의 차를 타고 시승기를 쓰고 있으며 세계적인 모터쇼와 기술세미나 등에 참석해 글로벌 차원의 트렌드 분석에 힘을 쏟고 있다. 2013년 골드만 삭스가 유가 200달러 시대를 이야기했을 때 역으로 유가 폭락 가능성이 있다는 칼럼을 쓰기도 했다.

102. 파워트레인의 미래 – 29. 전동화차를 위한 통합 소형 변속기가 뜬다

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2019-12-16 21:25:51

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파워트레인의 변화에서 내연기관 엔진 대신 전동화가 늘어나면서 변속기의 조합에도 변화가 일고 있다. 하이브리드 전기차를 위한 것으로는 통합 소형화가 등장하고 있고 배터리 전기차용으로는 감속기가 사용되면서 다단 자동변속기의 수요 감소가 발생하고 있다. 그러면서 아이신세이키와 아이신 AW가 합병했고 그 전에 현대파워텍은 다이모스와 합병해 현대 트랜시스라는 회사로 바뀌었다. 변속기의 현황과 미래를 짚어 본다.

 

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)

 

변속기는 크게는 수동변속기와 자동변속기로 나뉜다. 한국이나 미국, 일본 등은 자동 변속기가 대부분이지만 유럽은 여전히 수동변속기가 70%를 넘는다. 지금은 수동 기어박스를 베이스로 자동화한 듀얼 클러치 트랜스미션이라는 형태로 바뀌어 있고 CVT가 하이브리드와 함께 수요가 증가하고 있기 때문에 구체적으로는 수동변속기와 토크 컨버터 방식의 자동변속기, 수동변속기를 자동화한 AMT(Automated Manual Transmission) 와 DCT(Dual Clutch Transmission), 그리고 CVT, 하이브리드용 자동변속기 등으로 나뉜다.

 

여기에서 오늘날 주를 이루고 있는 토크 컨버터 방식의 자동변속기는 뒷바퀴 굴림방식의 경우 독일의 ZF가 독보적인 입지를 구축하고 있고 앞바퀴 굴림방식은 일본 토요타자동차의 계열사인 아이신 AW가 시장을 주도하고 있다. 닛산계열의 쟈트코도 자동변속기를 생산하고 있으며 CVT에서 높은 기술력을 자랑하고 있다. DCT는 독일의 게트라그와 ZF가 선도적인 입지를 구축하고 있고 일본의 에이지기계공업과 현대 트랜시스도 생산하고 있다.

 

수동변속기를 자동화한 AMT와 DCT는 초기 높은 효율성이라는 점에서 시선을 끌었다. AMT로는 BMW의 SMG와 폭스바겐의 DSG, 그리고 PSA그룹의 MCP, EGS 등이 있었으나 이제는 대부분 사라졌다. DCT도 초기에는 수동 기어박스를 사용한만큼 높은 효율성과 직결감이라는 측면에서 시선을 끌었다. 하지만 발진시의 울컥거림 등으로 사용자들의 불만이 있었고 자동차회사들은 당연히 토크컨버터 방식으로 전환하고 있다. 오늘날 등장하는 DCT들은 그런 불만 사항을 상당 부분 개선했지만, 시장의 수요는 초기 등장 시의 기대감에는 미치지 못하고 있다. 물론 포르쉐의 DCT인 PDK는 토크컨버터 방식 변속기와 비슷한 변속감에 더해 직결감까지 높아 여전히 시선을 끌고 있는 경우도 있다.

 

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21세기 들어 가장 큰 변화는 토크 컨버터 방식 자동변속기의 다단화였다. 3단에서 시작해 지금은 10단 자동변속기까지 등장해 있다. 대표적인 것으로는 2003년 메르세데스 벤츠가 7단 AT인 7G트로닉을 처음 선보였고 2008년에는 렉서스가 8단 AT를 탑재했다. 같은 해 닛산도 쟈트코제 7단 AT를 조합한 모델을 출시했다.

 

2014년에는 메르세데스 벤츠가 9단 AT를 9G트로닉이라는 이름으로 내놓았다. 그리고 BMW는 2015년에 ZF제 8단 AT를 선보였으며 계속해서 같은 해 혼다도 아큐라에 10단 자동변속기를 조합했다. 혼다의 변속기 중에서 시선을 끄는 것으로 토크 컨버터식 DCT라고 하는 것이 있다. 듀얼 클러치는 발진시 제어가 어렵고 극 저속에서 단차를 타고 넘을 때 등에서는 사용이 쉽지 않다. 그 문제를 해결하기 위해 발진시만 토크 컨버터를 사용한 DCT를 개발한 것인데 10단 토크컨버터 AT의 완성도를 고려하면 그 사용 편의성은 높다고 평가받았지만 실용화됐다는 소식은 없다. 다른 업체들의 경우 그에 대한 구체적인 내용을 밝히지는 않고 있다.

 

GM과 포드가 진행한 다단변속기의 공동 개발도 시선을 끄는 내용이다. 두 회사는 2013년 앞바퀴 굴림방식과 뒷바퀴 굴림방식 모두 적용 가능한 9단과 10단 자동변속기를 공동으로 개발하기로 합의했다. 6단 자동변속기도 공동 개발해 성과를 올린 바가 있다. 지금까지 10단 자동변속기는 쉐보레 카마로와 캐딜락 에스컬레이드 등에 탑재되어 있고 포드 머스탱과 익스플로러, F-150 픽업 트럭에도 사용되고 있다.

 

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현대기아차그룹도 현대 트랜시스를 통해 변속기의 다단화를 추구해 오고 있다. 수동변속기를 비롯해 앞바퀴 굴림방식과 뒷바퀴 굴림방식 8단 AT는 물론이고 DCT와 CVT, 하이브리드 전용 변속기도 모두 자체적으로 개발 생산하고 있다. 최근에는 하이브리드차를 구동하는 주행 모터를 활용한 능동 변속제어 기술을 통해 연비를 10% 높이고 가속시간도 0.2초 단축하는 등 효율성 제고를 위한 기술을 개발했다.

 

하지만 이런 트렌드에 최근 들어 근본적인 변화가 일고 있다. 배터리 전기차의 등장으로 인한 감속기의 사용으로 자동변속기의 수요가 줄고 있다는 것이다. 일본의 대형 부품업체 아이신 세이키가 그룹 내 자동변속기 전문회사인 아이신AW와 통합한 것이 그런 상황을 잘 보여 주고 있다. 아이신은 전기자동차의 보급 확대로 자동변속기의 수요가 급감하는 데 대응하기 위한 것이라고 밝혔다.


아이신 AW는 2005년에 자동변속기 판매 500만기를 돌파한 이래 이 부문에서 세계 수위를 지켜오고 있다. 하지만 2019년에는 전년 대비 7% 감소한 925만기의 실적이 예상된다. 이는 450만기 가량인 현대 트랜시스의 두 배가 넘는 수치이다. 당장에는 배터리 전기차의 수요 증가보다는 주로 중국 시장의 부진이 원인이다.

 

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중국 시장의 부진은 내연기관차의 부진도 중요하지만, 중국식 신에너지차(BEV+PHEV+FCEV) 수요가 보조금 삭감으로 크게 줄어들고 있다는 점에 주목할 필요가 있다. 중국은 여전히 NEV규제를 앞세우며 신에너지차 판매를 장려하고 있지만, 시장은 뜻대로 움직이지 않고 있다.

 

중국의 신차 판매는 2017년 2,880만대를 정점으로 2018년에는 2,808만대 수준으로 28년 만에 감소세로 돌아섰다. 올해도 지금의 추세대로라면 10%가량 줄어들 것으로 예상된다. 무엇보다 시선을 끄는 것은 신에너지차 판매의 급감이다. 아직은 배터리 전기차와 플러그인 하이브리드카가 중심인데 상반기에는 49.6% 증가했으나 7월에 4.7%, 8월에 16%, 9월 34.2%, 10월 45.6% 감소하며 급락하고 있다.

 

이는 홍콩이 보조금 지급을 없애며 아예 판매되지 않은 것과 180%의 수입 관세 면제를 철폐한 덴마크에서의 전기차 판매가 급감한 예에서 보듯이 배터리 전기차는 보조금으로 시장이 유지되고 있다. 각국 정부와 업계는 수요가 증가하면서 가격이 하락하면 어느 시점에서 보조금을 중단한다는 계산이지만 현재까지는 그런 시나리오대로 진행되지 않고 있다.

 

 

신세대 변속기는 소형 경량화, 통합과 유연성이 주제

어쨌거나 파워트레인의 변화에 관해서는 요소 기술을 개발하는 메가 서플라이어들의 움직임에 주목할 필요가 있다. 엔진이든 변속기든 자체 개발했다고 해도 중요한 기술들은 부품회사들로부터 공급을 받아 제작하고 있다.

 

뒷바퀴 굴림방식 자동변속기 기술력에서 높은 평가를 받는 ZF는 지난여름 독일에서 개최된 글로벌 테크놀러지데이 2019를 통해 새로 개발한 8단 자동변속기를 공개했다. 모듈 설계에 의해 48V 마일드 하이브리드 시스템부터 스트롱 하이브리드, 플러그인 하이브리드까지 모두 대응하는 것이 특징이다. 대응 출력도 33마력부터 218마력까지 선택할 수 있다. 파워 일렉트로닉스가 외부가 아닌 하우징 내에 수납되어 있기 때문에 변속기 자체의 소형화에도 성공했다고 밝혔다.

 

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ZF는 2030년에도 적어도 70%가량의 신차가 내연기관 엔진을 사용하게 되리라 전망하고 있다. 그런데도 플러그인 하이브리드 드라이브는 이산화탄소의 배출량을 크게 낮출 수 있을 것으로 보고 있다. 그 때문에 ZF는 차세대 8단 자동변속기로 그에 대응하고자 했다고 한다. 통상적인 주행에서 전기모드만으로 주행이 가능해야 할 필요가 있고 새로 개발한 변속기가 그에 대응한다는 것이다.


콘티넨탈이 지난 7월 선보인 3세대 전동 파워트레인도 전기차 시대와 함께 시선을 끈다. 출력 밀도 및 크기, 80kg이 되지 않는 중량 등 동급 최고인 새로운 액슬 드라이브다. 이는 전기모터와 파워 일렉트로닉스, 감속기어를 단일 하우징 내에 결합한 것이 특징이다. 변속기와 전동 주차 시스템을 일체 설계해 공간을 많이 차지하지도 않는다. 더불어 많은 케이블 연결 및 커넥터가 통합에 중점을 두고 구성요소를 결합해 합리적인 가격을 실현할 수 있다.

 

보쉬도 8월에 모터, 파워 일렉트로닉스, 변속기 등 3종류의 파워 트레인 구성 요소를 하나의 소형 유닛에 통합해 차축을 직접 구동하는 e액슬을 공개했다. 차체와 내연기관처럼 모듈러 컨셉을 도입한 것으로 인버터를 모터 및 발전기 유닛과 함께 패키지화해 포장이 쉽고, 전선이 적으며, 제조 비용이 절감된다. 기존 전동 파워 트레인보다 효율성 향상, 저비용이 특징으로 개발 기간 단축 등 올인원 시스템이라고 설명했다.

 

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보쉬의 e액슬은 앞바퀴 굴림방식, 뒷바퀴 굴림방식에도 모두 대응할 수 있으며 중량도 90kg으로 가볍다. 배터리 전기차와 하이브리드 전기차 등 전동화차는 물론이고 소형차, SUV, 소형 상용차에도 모두 탑재할 수 있다.

 

보쉬는 이와 더불어 전자식 e클러치도 개발했다. 수동변속기지만 1, 2단에서는 클러치 페달을 밟을 필요 없이 변속할 수 있는 시스템이다. 하이브리드에 수동변속기를 적용할 수 있다는 설명이다. 현재 시판되는 하이브리드는 대부분 CVT 또는 자동변속기가 적용된다.

 

보쉬에 따르면 e클러치 적용 시 하이브리드에 수동변속기를 탑재할 수 있고 이에 따라 차량 가격이 낮아지는 효과가 있다. 1, 2단은 클러치 연결 없이도 변속기 가능해서 가다 서다가 반복되는 상황에서는 자동변속기와 같고 도심 구간에서는 평균적으로 연비가 10% 좋다. e클러치는 기존의 자동변속기보다 가격이 아주 낮아서 소형차에도 매력적인 장비이다. 하이브리드는 물론 내연기관의 소형차에도 적용이 가능하다는 설명이다. 그리고 스톱 스타트 시스템도 지원된다.

 

보그워너도 고효율 전동화차를 위한 전기모터와 배터리 및 변속기 기술, 파워 일렉트로닉스, e터보 및 열관리 시스템 등을 개발하고 있다. 그 중 통합 드라이브 모듈(iDM)은 파워 일렉트로닉스와 전기 모터 및 변속기 기술을 시스템 솔루션에 통합하고 있다. 축 내외의 P2하이브리드 모듈은 차량 제조업체가 기존 아키텍처에서 공간이 있는 곳에 전기 모터를 매치해 모터 또는 변속기를 바꾸지 않고도 기존 내연기관 차량을 하이브리드 애플리케이션으로 바꿀 수 있는 유연성이 특징이다. 또 축 외 P2 드라이브 모듈은 보그워너의 S와인드와이어 형성 공정을 통해 모터를 생성함으로써 초소형 패키지로 높은 출력 및 토크 밀도를 생성한다. 보그워너의 48V 솔루션은 배터리 전기차뿐 아니라 스톱&스타트 및 회생 제동과 같은 하이브리드 기능도 가능하다.

 

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변속기의 변화도 내연기관의 변화만큼 예측이 쉽지 않고 속도도 빠르지 않다. 하지만 2019년 들어 메가 서플라이어들이 앞다투어 새로운 개념의 변속기를 개발하고 있다는 점에는 주목할 필요가 있다. 하이브리드와 플러그인 하이브리드 전기차는 기존 내연기관용과 병용으로 발전이 이루어지고 있다. 포르쉐의 타이칸에 앞 1단, 뒤 2단 변속기가 채용된 것에서도 알 수 있듯이 감속기가 주인 배터리 전기차에 관한 새로운 접근도 시도되고 있다. 

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