현대자동차가 2023년 11월 28일, 전기차의 감속기와 드라이브 샤프트, CV 조인트를 휠 안에 넣어 그만큼의 공간을 확보할 수 있는 유니버설 휠을 공개했다. 전동 액슬 등 파워 일렉트로닉스 부문에서 일고 있는 X in 1 모듈의 하나다. 유니 휠은 모듈화에 더해 새로운 형태의 주행도 가능하게 할 수 있다는 점에서 개발의 여지가 높은 기술로 보인다. 현대차그룹의 선행기술원이 개발하고 있는 유니버설 휠의 이모저모를 살펴 본다. 

전기차 시대로 바뀌면서 기술적인 변화도 적지 않다. 물론 핵심은 에너지 원이 바뀐다는 것이고 그로 인해 파워트레인이 달라지고 있다. 그 과정에서 많은 부품이 사라질 처지에 놓였다. 그것은 내연기관 엔진처럼 아예 없어지는 것도 있지만 여러 개의 부품을 하나로 통합해 모듈 형태로 만드는 움직임도 거세게 일고 있다. 

대표적인 것이 X in 1형 전동 액슬이다. 여러 개의 부품을 하나로 통합한다는 것이다. 예를 들어 발레오와 아이신 등은 전동 액슬에서 구동용 모터와 인버터, 감속기 등 세 개의 부품을 통합하는 것이고 그것을 3 in 1이라고 칭한다. 

발레오는 한 단계 더 나아가 DC-DC 컨버터, 차재 충전기(OBC), 배전 유닛(PDU)까지 일체화한 6 in 1의 전동 액슬을 개발하고 있다. 이렇게 되면 6 in 1이 된다. 지난 9월 2023 IAA모빌리티를 통해 소개했다. 

물론 이 외에도 고전압 케이블과 와이어링 하네스, 반도체 수의 저감 등 다른 차원에서의 비용 저감을 위한 노력이 경주되고 있다. 

이런 부품의 통합 모듈화는 유지 보수성과, 소형화, 철저한 집약화가 핵심이다. 이와 같은 소형화에 의해 전동 액슬이 차지하는 공간을 줄일 수 있는 점이나 고효율화에 의해 같은 항속거리를 얻는데 필요한 전지의 탑재량을 줄일 수 있다는 점에 착안하고 있다. 

이번에 현대자동차 선행기술원이 발표한 유니버설 휠(약칭 유니휠)은 전기차의 감속기와 드라이브 샤프트, CV 조인트를 휠 안에 넣고, 모터를 각 휠 가까이에 위치시킨다는 것이 특징이다. 

배터리 전기차는 전기 모터의 높은 회전수가 감속기를 거치면서 토크가 증대되고, 이는 드라이브 샤프트를 통해 각 휠로 전달된다. 이때 드라이브 샤프트 양쪽에 달린 CV조인트는 휠이 상하좌우로 움직일 때에도 동력을 끊김 없이 일정한 속도로 전달하는 역할을 한다.

 

이런 구조는 과거 내연기관 자동차에서부터 오늘날 전기차에 이르기까지, 모빌리티가 다양한 형태로 발전하는 동안 거의 달라지지 않았다. 현대차는 전동 액슬에서와 같은 X in1 컨셉을 휠 내부에서 구현하고자 하고 있는 것이다. 

 

기술적으로는 가운데 선 기어와 좌우 각 4개의 피니언 기어, 그리고 가장 바깥쪽의 링 기어 등으로 이루어진 유성기어 구조다. 모터의 동력이 선 기어로 전달되면 피니언 기어들이 맞물려 링 기어를 회전시키고, 링 기어는 휠과 연결되어 있어 최종적으로 휠까지 동력이 전달되는 원리다.

 

유니휠은 피니언 기어들이 서로 연결돼 2개의 링키지를 구성하는데, 이러한 멀티링크 메커니즘이 유니휠의 상하좌우 운동을 가능하게 한다. 이러한 두 가지 구조가 융합된 특성을 기반으로 모터에서 나온 동력을 휠까지 안정적으로 전달함과 동시에 노면에 따른 휠의 움직임에 자유롭게 반응할 수 있다는 설명이다. 

기존 CV 조인트가 적용된 드라이브 샤프트는 휠의 상하좌우 움직임에 따라 꺾이는 각도가 커질수록 동력 효율과 내구성이 하락하는 문제가 있다. 하지만 유니휠은 휠의 어떤 움직임에도 동력을 거의 동일한 효율로 끊김 없이 전달할 수 있어 높은 내구성과 승차감을 확보할 수 있다는 점이 장점이다. 

 

더욱이 주행 상황에 따라 차고 조절이 가능한 전자식 에어 서스펜션과 결합되면 험로에서는 차고를 높여 안정적으로 주행할 수 있고, 고속 주행에서는 차고를 낮춰 전비와 고속 안정성을 향상시킬 수 있다는 아이디어도 포함되어 있다. 

 

무엇보다 눈에 띄는 점은 유니휠이 전기차의 감속기의 역할도 대체한다는 것이다. 기어 잇수가 적은 선기어와 피니언 기어들이 맞물리며 상대적으로 기어 잇수가 많은 링기어를 회전시키는 구조로 입력축과 출력축 사이의 감속비를 자연스럽게 만들어낼 수 있기 때문이다.

 

따라서 기존 구동 시스템과 같이 별도의 감속기를 두지 않고도 모터에서 발생한 회전을 감속시켜 최종적으로 휠에서 높은 토크를 얻을 수 있다. 특히 현재 개발 중인 유니휠은 큰 감속비를 내도록 설계돼 있어, 작은 모터로도 높은 토크를 구현할 수 있다고 한다. 

 

이를 통해 최대 네 개의 휠 구동력을 각각의 소형 모터로 독립 제어함으로써 높은 수준의 조향 및 주행 안정성을 바탕으로 지금까지와는 차원이 다른 토크 벡터링을 구현할 수 있는 것도 특징이다. 

실용화되면 기존 구동시스템이 차지하던 공간을 자유롭게 활용할 수 있게 된다. 그만큼 실내 공간 활용성이 높아진다. 이런 통합형 모듈은 PBV(Purpose Built Vehicle, 목적 기반 차량)와 같은 다양한 용도의 공간성에 기여할 수 있다. 

유니 휠은 현대차 기아가 세계 최초로 개발하고 있는 기술이다. 약 2년 반 전에 개발을 시작했으며 지금은 선행 기술 2단계에 있다. 때문에 실용화 시점을 지금 특정하기에는 무리가 있다. 다양한 실험을 거쳐 정상적으로 완성이 되면 약 1년 뒤부터는 현대차그룹 남양 연구소에서 본격적으로 개발에 들어갈 수 있다. 

구조적으로 모터를 두 개로 분리해야 하기 때문에 초기에는 가격이 더 비쌀 수 있다. 때문에 고가차에 먼저 채용될 가능성이 높다. 선행기술원에서는 조향이 필요없는 현대 스타리아의 뒷바퀴에의 적용을 상정하고 개발하고 있다. 이를 근거로 통합 모듈 단계로 발전하는 것도 상정하고 있다.

휠 안에 위치하는 만큼 브레이크와 서스펜션과의 배치에도 많은 연구가 필요하다. 당장에는 드럼 브레이크를 채용해 실험하고 있으며 장기적으로는 다양한 브레이크도 가능할 것으로 보고 있다. 멀티 링크 서스펜션의 설치 및 공간 배치도 해결해야 할 과제다. 또한 모듈 안에는 기어가 있어 윤활이 필요한데 드라이브 샤프트가 상하로 이동한다는 전제 하에서 그 부분을 어떻게 밀폐할 수 있을까에 대한 문제도 풀어야 할 것으로 보인다. 

또 다른 특징은 휠의 회전축이 이동한다는 특성상, 계단을 에스컬레이터처럼 부드럽게 오르는 것도 상정하고 있다. 그에 더해 다양한 크기의 차량뿐 아니라 휠체어, 자전거, 배송로봇 등 다른 종류의 모빌리티에도 적용할 수 있다. 탈 것의 요구 조건에 따라 작게는 4인치부터 크게는 25인치 이상의 휠에 탑재할 수 있도록 유니휠의 크기를 조절할 수 있다는 점도 장점으로 내 세우고 있다. 그것을 바탕으로 자율주행차와 기아가 중점을 두고 있는 PBV(목적 기반 자동차에의 적용도 상정하고 있다.

지금 배터리 전기차는 고급차에서 보급차로 이동하기 시작하고 있다. 특히 가격 경쟁이 심화되고 있는 상황이다. 그것을 해결하지 못하는 업체와 그러지 못하는 업체로 나뉠 수 있다. 과거 일본의 가전 업체와 반도체 업체는 비용 저감 대신 고부가가치 전략을 추구하다가 급속히 존재감을 잃었었다. 

전기차에서도 지금 크게는 생산방식의 혁신을 통한 비용 저감을 시작으로 전동 액슬 등 다양한 영역에서 새로운 아이디어를 동원해 비용저감, 공간 확보, 전비 향상, 새로운 탈것의 개발 등 다양한 노력이 경주되고 있다. 유니 휠은 비용 저감과는 거리가 있지만 새로운 미래 모빌리티에 대응하고자 하는 기술 중 하나라고 할 수 있다.