이번 카테고리의 주제는 파워트레인입니다.
파워트레인에 대한 정의를 시작으로 동력 전달 장치에 관한 내용을 차근차근 정리 하겠습니다.
파워트레인이란?
파워트레인은 차량 내 저장된 에너지를 운동에너지로 변환하여 움직이게 하는 시스템으로 자동차 뿐만 아니라 항공기, 선박 등 이동하는 모든 장치에서 찾아 볼 수 있습니다. 자동차에서 파워트레인은 동력을 생성하고 바퀴를 움직이게 하는 모든 구성 요소를 의미 하는 것으로 저장된 동력원을 운동 에너지로 변환하고 변속기, 구동축 및 차동 장치를 통해 차량의 바퀴에 전달하여 앞으로 운동하게 하는 역할을 합니다. 엔진, 트랜스미션, 차동 장치, 구동축 등 동력과 관련된 모든 장치를 통틀어 파워트레인에 해당하며 하이브리드 전기차 및 전기차에서는 배터리, 전기 구동 시스템, 제어 전자 장비까지 포함합니다. 파워트레인이 얼마나 효율적으로 동력을 만들고 전달하는지에 따라 자동차의 성능을 좌우하죠.
종종 파워트레인과 드라이브 트레인이 같은 의미로 사용되지만 두 단어는 명확하게 차이가 있습니다. 엔진을 포함한 동력 전달 부분까지를 통틀어 파워 트레인이라고 한다면 드라이브 트레인은 변속기, 구동축, 차축, 차동장치 및 휠과 같이 구동 바퀴에 동력을 전달하는 부품들을 의미 합니다. 다시 말해 파워 트레인에 드라이브 트레인이 포함되어 있으며 동력을 자동차에서 분배하는 시스템을 드라이브 트레인으로 볼 수 있습니다.
글로벌 환경 규제가 강화되어 차량의 배기 가스 배출 및 이산화탄소 사용량이 제한됨에 따라 자동차 업계에서는 연비 효율을 개선하거나 배기 가스 제어로 환경에 유해한 배출물을 줄이는 등 파워트레인을 중심으로 규제에 대응하고 있습니다. 또한 전기차 시장이 급속도로 넓어짐에 따라 파워트레인 역시 전기차 중심으로 연구가 이루어지고 있는데요, 각 제조사에서는 모터 효율을 높이고 배터리의 충전 성능을 향상시켜 에너지 효율을 개선한다거나 구성품인 모터, 변속기, 인버터 및 컨버터 등을 통합 또는 모듈화하여 전체 시스템의 부피 및 무게를 줄이고, 공간 효율성을 증대시키는 방식으로 기술 개발을 수행하고 있습니다.
파워트레인의 구성 요소: 내연기관
앞서 언급했던 것처럼 파워트레인은 엔진 또는 모터와 에너지 저장 시스템, 변속기 및 구동축과 같은 동력을 생성하고 전달하는 모든 장치를 의미합니다. 저는 블로그 내 엔진 카테고리를 따로 만들었으므로 파워트레인 정리에서는 생략 할 생각입니다. 먼저 내연기관 파워트레인의 구성 요소를 알아봅시다.
클러치는 엔진과 변속기 사이에 장착되어 동력의 흐름을 차단하거나 전달하는 장치입니다. 일종의 스위치와 비슷한 역할로 볼 수 있으며 운전자가 클러치 페달을 밟음으로 엔진에서 발생하는 동력을 변속기에 전달하기도 하고 잠시 분리하기도 합니다. 클러치 덕분에 차량 운전 시 엔진을 정지하지 않고도 기어비를 변환하거나 피동축을 정지, 변경시킬 수 있습니다.
변속기는 엔진에서 발생하는 동력을 차량에서 필요한 만큼 조절하여 바퀴에 전달하는 장치입니다. 크게 수동 변속기와 자동 변속기로 구분 할 수 있으며 오늘날 대부분의 차량은 편의성 때문에 자동 변속기를 사용하고 있습니다. 내연기관 특성상 RPM에 따라 최대 토크와 최대 출력이 발생하는 대역이 다른데, 변속기를 사용하여 주행 상황에 맞춰 엔진의 회전을 일정하게 유지 할 수 있게 합니다. 변속기는 엔진의 출력과 토크에 맞춰 적당한 사양을 사용해야 하는데, 변속기의 허용치가 지나치게 낮으면 과부하로 파손이 일어날 수 있고 지나치게 높으면 변속이 늦어집니다.
자동차의 양쪽 바퀴는 선회 할 때나 노면의 저항에 따라 회전수가 다르게 세팅되어 있습니다. 차량 회전 시 회전 방향의 안쪽 바퀴보다 바깥쪽 바퀴가 움직여야 하는 반경이 더 크기 때문에 바깥쪽 바퀴가 더 빨리 돌아야 접지력을 잃지 않고 차량이 정상적으로 움직일 수 있죠. 이렇게 울퉁 불퉁한 도로 또는 차량 회전 시 동력을 배분하여 좌우 바퀴 회전수를 적당하게 변화하는 장치가 바로 차동기어장치입니다. 만약 차동기어장치가 없다면 차량의 선회 시에도 양쪽 바퀴의 회전수가 동일하여 언더스티어 또는 슬립이 발생하여 차체가 매우 불안정 할 것입니다.
구동 피니언과 링 기어로 구성되어 있는 종감속장치는 구동 중 가장 마지막으로 감속이 이루어지는 장치로 일반적으로 차동기어장치에 연결되어 있으며 추진축이나 변속기 출력축에서 회전력(토크)을 증대시키기 위해 마지막으로 감속하는 역할을 합니다. 변속기만으로는 기관의 토크를 모든 주행상태에 대응하기에 어렵기 때문에 종감속장치가 필요하며 필요에 따라 동력전달방향을 변환시키는 기능도 수행하죠. 종감속장치는 변속기와 추진축에서 전달되는 회전력을 직각 또는 직각과 가까운 각도로 바꿔 차축에 전달함과 동시에 최종적으로 감속하며, 변속기 출력축 회전 속도를 고정감속비(감속비는 증강된 구동토크로 주행 최고속도를 달성할 수 있도록 설정되어야 함)에 맞춰 감속합니다. 여기서 기어비는 차량의 특성과 운전자의 성향에 따라 결정되며, 감속비가 커질수록 가속도는 향상되고 최고 속도와 장거리 항속 연비가 하락하지만 반대로 종감속비가 작을수록 최고 속도와 장거리 항속 연비는 상승하지만 가속 순발력이 떨어지게 됩니다.
추진축은 변속기의 동력을 바퀴에 전달하는 축입니다. FR 차량에서는 변속기의 출력을 종감속 기어에 전달하고 FF 차량에서는 변속기의 출력을 앞바퀴에 전달하죠. 바퀴의 위치는 외부 충격에 의해 변경 되기에 축의 각도 변화가 일어나더라도 회전 운동을 전달 할 수 있어야 합니다.
파워트레인의 구성 요소: 전기차
전기차의 파워트레인은 동력을 생성하는 모터와 전기의 특성을 제어 하는 파워일렉트로닉스, 그리고 전기에너지를 저장하는 배터리 등으로 구성됩니다. 내연기관에서는 파워트레인에 연료탱크가 포함되지 않았지만 전기차에서 배터리는 에너지 저장 뿐만 아니라 효율성 및 제어까지 담당하기 때문에 핵심 요소로 취급하고 있습니다.
모터는 전기 에너지를 바퀴를 움직이는 운동 에너지로 변환하는, 전기차에서 엔진과 같은 장치입니다. 모터는 자동차와 관련된 소음과 진동이 최소화되고, 효율적인 차량 설계를 위한 추가 공간(예: 확장된 실내 또는 보관 공간)을 제공합니다. 또한 일반 내연기관의 엔진처럼 전기차의 구동력을 발생하며, 감속 시 또는내리막길 등 탄력 주행 시 발생하는 운동 에너지를 전기 에너지로 전환하여 저장 하는 등 (회생제동 시스템) 에너지를 다양한 방법으로 활용 할 수 있게 합니다.
내연기관의 변속기와 같은 역할을 하는 장치로 모터의 동력을 바퀴에 효과적으로 전달하는 역할을 합니다. 다만 모터가 내연 기관보다 RPM이 훨씬 높기 때문에, 주행 상황에 맞춰 엔진 RPM을 변속하는 변속기와는 다르게 회전수를 하향 조정(감속)해야 하기 때문에 전기차에서는 감속기를 사용하고 있습니다. 모터의 회전수를 필요한 만큼 감속하여 더 높은 회전력으로 효율적인 운행이 가능하도록 하죠. 자전거로 비유하자면 언덕을 올라갈 때 기어를 낮게 하여 속도는 느리지만, 언덕을 더 쉽게 올라갈 수 있는 것과 비슷한 원리입니다.
배터리는 내연 기관의 연료 탱크와 같이 전기 에너지를 저장하며 배터리의 용량에 의해 전기차의 최대 주행 거리가 결정됩니다. 배터리의 전압에 따라 모터의 회전수와 회전력에도 영향이 있죠. 그러나 배터리의 크기와 무게 또한 객실/보관 공간을 차지하여 에너지 효율성과 연비를 악화시키는 등 차량 성능에 큰 영향을 미치기 때문에 핵심은 가능한 한 많은 전기 에너지를 저장하는 작고 가벼운 배터리, 배터리의 에너지 밀도를 최대화하는 것입니다.
온보드차저는 전기자동차를 완속 충전하거나 차량에 입력된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 장치로 가정용 콘센트에서 사용되는 완속 충전기나 휴대용 충전기의 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 데 사용됩니다. 교류를 직류로 전환한다는 점에서 인버터(inverter)와 비슷해 보이지만, 온보드차저는 충전을 위한 장치이지만 인버터는 차량 가속과 감속과 관련된 장치라는 점에서 차이가 있습니다.
인버터, LDC, VCU로 구성되어 있는 전력 제어 장치(EPCU)는 배터리와 모터 사이에 전력을 변환하거나 배터리의 전압을 저전압으로 변환하여 전장 부품에 공급 하는 등 전기차 내 전력 흐름을 통합적으로 제어합니다.
이후 포스팅에서 각 구성품을 더욱 자세하게 다뤄보도록 하겠습니다.
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