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제품 소개

세계최초! 구조가 복잡한 유압장치 없이 자동 변속 실현

In-Wheel 변속기 소개 및 기술
제품 Story
제품 Story
높은 연비로 엔진차보다 싼
전기차시대를 연다
세계최초 바퀴에 직접 장착, 연비 2배 이상 향상 가능한 ‘In-Wheel 변속기(5단)’ 개발
바이젠은 구조가 복잡한 유압장치 없이 자동 변속이 되는 변속기를 세계 최초로 개발했다. 배터리의 주행거리를 대폭 늘려 전기자동차·전기오토바이 등의 가격을 획기적으로 낮출 수 있는 핵심기술이다.

바이젠이 개발한 전기차량용 ‘In-Wheel 5단 자동 변속기’(이하 In-Wheel 변속기)는 변속기와 모터를 일체화시켜 각각의 차량 바퀴에 직접 장착하는 방식이다. 유압장치를 없애 자동변속기를 기존의 1/10 이하로 소형·경량화 했기에 구현할 수 있었다.

모터의 에너지 효율은 보통 90% 이상으로 효율이 최대 30%인 가솔린엔진 대비 에너지를 1/3도 안되게 소비하기 때문에 산업현장에서는 오래전부터 모터가 엔진을 대신하고 있다. 전기차량이 친환경적인 이유도 배터리가 친환경 에너지원이기도 하지만, 에너지 효율이 높은 모터를 사용하기 때문이다.

이런 이유로 세계 각국은 친환경 전기차량의 보급 정책을 펴고 있지만, 상대적으로 높은 가격이 대중화의 걸림돌로 작용하고 있다. 부품이 엔진차량의 1/3밖에 안되는 전기차량의 가격이 비싼 이유는 생산원가에서 배터리가 차지하는 비중이 너무 높기 때문이다.(주행거리가 약300km인 60kWh 배터리 탑재 기준 60%이상) 전기이동수단의 가격을 낮추기 위해서는 배터리의 주행거리를 늘려, 배터리의 탑재량을 줄여야만 한다.

모터는 엔진보다 에너지 효율이 월등히 높은 반면, 효율이 가장 높은 정격RPM영역에서 벗어날수록 엔진보다도 에너지 효율이 더욱 급격히 떨어지는 특성이 있어, 전기차량의 배터리 소모를 줄이기 위해서는 어떤 속도에서나 정격RPM영역에서 모터를 회전시킬 수 있는 다단 변속기의 개발이 절실하지만, 전기자동차·전기오토바이·드론 등 모터로 구동되는 전기이동수단에 적합한 다단 변속기 개발은 글로벌 업체들도 아직 성과를 내지 못하고 있다.

(모터의 에너지 효율 그래프 참조)


전기자동차에서 변속기가 중요한 이유는 이와 같이 모터의 효율과 관계가 있다. 단일스피드 전기차량은 모터의 효율이 떨어지니 배터리 탑재량이 늘어나고, 이 때문에 생산원가가 높아질수 밖에 없다.

전기차량이 변속기 없이도 주행이 가능한 이유는, 일반 전기제품과 같이 시동순간부터 강한 전류가 모터에 무제한 유입되고, 이를 소비해 출발과 주행에 필요한 강한 토크를 얻기 때문이다. 다단 변속기를 사용해 토크가 강한 저단으로 출발하고 주행하면 배터리(전류)소모는 그만큼 적어진다.

엔진차량도 다단 변속기를 사용해 어떠한 속도에서나 엔진의 회전수를 에너지 효율이 가장 높은 정격 RPM영역에 근접시켜 에너지 소모를 최대한 줄이고 있다. (중형차 기준 보통 2,000rpm 전후) CVT(연속변속기)를 포함해 내연 자동차에서 사용하는 모든 자동변속기는 유압장치를 사용하는 방식으로 전기자동차에는 적합하지 않다. 변속기 자체의 부피가 크고 무겁기 때문이다. 바이젠의 기술이 세계적으로 주목받을 만한 이유가 여기에 있다. 자동변속기의 크기를 획기적으로 줄여 바퀴에 직접 장착하는 기술은 세계 주요 자동차 기업들이 시도해왔지만 구현하지 못한 기술이다.

이 같은 기술을 실용화한 바이젠의 In-Wheel 변속기를 전기차량에 적용하면 같은 용량의 배터리로 주행거리를 크게 늘릴 수 있다. 서울과학기술대학교 친환경자동차 기술연구소가 In-Wheel 변속기의 성능 평가를 위해 0.75kW In-Wheel 변속기를 전기2륜차량의 앞뒤 바퀴에 장착해 주행테스트를 실시한 결과, 비교대상인 3.8kW 단일 스피드 전기2륜차량은 최고속도가 시속 62km, 지속주행이 가능한 경사는 14.1% 나왔고, In-Wheel 변속기를 장착한 1.5kW 전기2륜차량은 시속 63km와 20.9%가 나왔다.

연비측정을 위해 실시한 다양한 속도의 정속주행시험에서는 같은 용량의 배터리로 비교대상 전기2륜차량 대비 주행거리가 최소 50%, 많게는 100%이상까지 더 길게 나왔고, 서울 도심지에서 실시한 주행테스트에서는 2.4kWh의 배터리로 5시간 동안 102km를 주행해 주행거리가 2배 정도 더 길게 나왔다.

(성능검증시험 결과 참조)


연구소의 시험 결과만으로도 놀라운 연비 향상이 확인되지만, 향후 상용 모델에 적용되면 더욱 차이가 커질 것으로 기대된다. 모터의 특성상 속도가 빠른 고속 차량일수록 정격RPM 영역에서 벗어나는 속도 범위가 넓어지기 때문이다. 따라서 다단 변속기의 연비 향상 효과도 더욱 크게 나타나게 된다.

시험 결과 In-Wheel 변속기의 연비 향상 효과가 믿기 어려울 만큼 높은 이유는, 다단 변속기를 사용해 어떤 속도에서나 에너지 효율이 가장 높은 정격RPM영역에서 모터를 회전시켜 배터리 소모를 최소화할 뿐 아니라, 특히 바이젠 In-Wheel 변속기는 동력 손실을 유발하는 유압장치가 없고, 각각의 바퀴를 직접 구동해 동력 전달 효율이 높은 In-Wheel형이라 연비 향상 효과가 더욱 뛰어나다. 또한, 위의 요인들이 복합적으로 작용해 단일 스피드 차량과 동일한 성능을 발휘하는데 출력이 절반인 모터면 충분해, 기본 전류가 적게 소모되기 때문이다.

제품이 너무나 혁신적이니까 전문가들일수록 믿어주질 않아 검증 시험 자체를 받아주질 않았다. 다행히 서울과기대 연구소에서 성능검증시험을 해주었고 정밀한 자료를 얻을 수 있었다. 참으로 고마울 따름이다.
2010년부터 연구…전기차 혁신 발판 마련
In-Wheel 변속기 기술은 다가오는 전기자동차 시대를 감안할 때 그 중요성이 매우 크다. 이는 전기자동차의 생산 비용과 직접적인 관련이 있다.

In-Wheel 변속기는 모터의 에너지 효율을 높일 뿐 아니라 가격이 저렴하고 제어가 단순한 PMDC(영구자석 직류)모터의 사용으로 제어장치 등 핵심 파워트레인 비용도 절감하게 된다. 또 정격RPM 영역에서 모터를 회전시키면 과부하로 인한 열 발생이 없어 수냉식 냉각장치가 필요 없어진다.

In-Wheel 변속기는 전기차량의 생산원가를 최소 30%이상 낮출 수 있고, 엔진차량보다도 낮은 가격의 전기차량 생산도 가능할 것으로 보여, 소비자의 경제적 부담도 줄이고 환경오염과 기후변화 해결에도 크게 기여할 것으로 기대된다. 또한, 배터리 소모가 극심해 비행시간이 너무 짧은 드론과 한계이하, 이상 바람을 이용하지 못하는 풍력발전소에도 대단히 유용한 기술이다.

다양한 산업의 융합을 뜻하는 4차 산업도 제조업에 정보통신,인공지능,사물 인터넷등을 덧붙여 올리는 것일 뿐 그 기반은 제조업일 수 밖에 없다. 이와 같은 관점에서 In-Wheel 변속기는 친환경 에너지 시대 성장의 디딤돌이 될 핵심원천기술로 우리 경제의 새로운 활력소가 될 수 있을 것으로 기대된다.

유압장치 없는 자동변속기 기술 개발의 배경에는 바이젠 식구들의 오랜 노력이 있다. 2010년부터 연구를 시작해 2012년부터는 모든 일을 접고 이 연구에만 매달렸다. 그 사이 개발 비용도 100억원 넘게 들어갔다. 우리는 엄청난 시행착오와 아주 끔찍한 기술개발 과정의 어려움을 이겨냈다.

바이젠은 도로위의 승용차는 대부분 1인만 타고 다니는 점을 감안해 In-Wheel 변속기 기술을 이용해 차폭 1.2mㆍ무게 300k정도로 앞뒤 2인승의 실용적인 소형차로써, 안정성을 위해 코너링시 차체가 바퀴와 함께 가장 자연스럽게 기울어지는 정3륜틸팅차량을 2019년에 제작할 계획이다. 제조원가를 대폭 낮춘 만큼 전기차 대중화에 큰 역할을 할 것으로 바이젠은 기대하고 있다.

바이젠은 엔진 자동차보다 싼 차를 만드는 것이 꿈이다.
소비자가격 기준으로 1,000만원대 초반이 넘지 않는 자동차를 내놓을 계획이다.

마법처럼 탄생하는 혁신 제품은 어디에도 없다.
많은 사람들의 삶에 지대한 영향을 미치는 혁신제품은 오랜 기간 쌓아온
기술 축적의 결과물일 뿐이다.