자동차 산업 메가 트렌드

자동차 산업의 트렌드를 이야기할 때 보편적으로 M.E.C.A(Mobility, Electrification, Connectivity, Autonomous)가 많이 언급되며 그 외에 C.A.S.E(Connectivity, Autonomous, Shared economy, Electrified)로도 이야기하는데 이중 E에 해당되는 Electrified가 역시 대중화가 가장 빠르게 진행되고 있는 것이 특징이다.

<그림 1>은 각각 GV80과 전기차인 아이오닉 5의 전장과 휠 베이스를 나타내며, 아이오닉 5가 GV80대비 전장은 300mm가 작지만 전륜~후륜 간격인 휠 베이스는 오히려 큰 것을 볼 수 있다.

이러한 특징은 전기차인 아이오닉 5의 배터리 시스템으로 인한 공간 확보가 최우선으로 반영된 결과이며, 조향 관점에서 보면 <그림 2>처럼 휠 베이스 증가로 인해 차량 선회 반경이 증대되는 것을 의미한다.

앞서 언급한 자동차 산업의 메가 트렌드를 바탕으로 모비스는 필요한 핵심 조향 기술에 관한 키워드를 도출하여 두가지 카테고리로 분류하였다. 첫번째 카테고리인 미래 모빌리티 대응 핵심 조향 기술 개발 관련해서는 고출력 조향 시스템, 전륜 Steer by wire 시스템, 대조향각 후륜 조향 시스템, 4륜 독립조향 시스템 개발 등이 있으며, 두번째 카테고리인 아키텍처 개발 체계 구축 대응 조향 기술 구축 관련해서는 아키텍처 기반 조향 부품 표준화/공용화 기준정립, 독립형 Rear Wheel Steer 시스템 개발, Deep Learning 기법을 활용한 조향 성능 사전 예측. HiLS(하드웨어 기반 시뮬레이션), MiLS(모델기반 시뮬레이션)를 활용한 조타감 육성 등이 있다.

조향 시스템 트렌드

조향 시스템에서 Power Assist 시스템은 유압식, 전동식, 유압/전동-하이브리드 형태의 3가지로 분류되고, 그 중 현재 주류인 전동식 Power Steering 시스템은 다시 R/P/C MDPS(Motor Driven Power Steering) 3가지로 분류된다. R/P/C는 각각 조향 시스템의 핵심 부품 명칭의 앞 글자를 따서 명명하는데 각각 Rack, Pinion. Column을 의미한다. Power Assist를 제공하는 Motor가 R/P/C 어느 부품을 직접 구동 시키는가에 따라 분류된다. R/P/C중 Pinion 직접 구동 타입은 다시 Single 및 Dual 타입으로 분류된다.​

​<그림 3>은 차량의 세그먼트별로 위에서 설명한 분류가 어떻게 적용되는지 간략히 나타내었다. 차량 출력에 따라 Pinion 직접 구동 타입은 Single과 Dual타입으로 나눠 적용할 필요가 있으며, 이외 D세그먼트 이상에 해당되는 큰 차량 위주로는 Rack 직접구동 타입의 R-MDPS가 시장에서 적용되고 있다. 

조향 시스템 적용 현황

<그림 4>는 전동식 조향 시스템 분류별 글로벌 마켓쉐어를 전망한 것인데, C타입 MDPS가 여전히 많은 양을 차지하고 있는 가운데 2025년 부터는 SBW(Steer by Wire, 기계적 연결없이 전기 신호로 제어) 시스템이 본격적으로 양산되면서 비중이 증가할 것이라는 전망이다.

조향 시스템의 미래 트렌드는 크게, 기능 신뢰성 및 안전성 / 운전성 및 편의성 / 시스템 효율의 3가지 측면에서 변화가 추구될 것으로 전망된다. 2025년 이후에는 자율 주행에 적합한 조향 시스템 개발이 보다 활발하게 이루어질 것으로 생각된다.​

조향 신기술

향후 전개될 미래 모빌리티에 필요한 조향 시스템에 대응하기 위해 모비스는 전기차 보급의 확대로 더욱 필요성이 증가된 RWS(Rear Wheel Steering, 후륜조향), 자율 주행에 맞물린 SBW(Steer by Wire, 전자제어식 조향), 그리고 다양한 주행 모드 구현이 가능한 4WIS(4 Wheel Independent Steering, 독립조향) 개발에 집중하고 있다​.

신조향 시스템–RWS

RWS란 Rear Wheel Steering의 약자로서, 차량의 주행 상황에 따라 전륜의 조향각에 맞춰 후륜을 능동적으로 조향하는 시스템이다. 차량의 후륜을 조향 함으로써 저속 주행시 회전 반경을 축소하고, 고속 주행시에는 차량 안전성을 확보하는 대표적인 기술이다. 전기차 시장이 확대되면서 휠베이스가 증가하는 차량이 많아 지므로, 차량 안전성 및 주행 편의성 확보를 위해 RWS 시스템 시장 요구가 증가하고 있다. RWS는 후륜 양쪽을 하나로 연결하는 타입과 각각 독립적으로 나눈 타입으로 구분할 수 있는데, <그림 5>는 GV80차량에 모비스에서 선행 개발 후 장착된 후륜 양쪽을 독립적으로 나눈 독립형 RWS를 보여준다. 이런 독립형 RWS의 적용은 차량 공간 확보에 유리하고, 후륜 양쪽을 독립적으로 제어함으로써 제동력 향상에도 도움이 된다. <그림 5>의 GV80에 적용된 선행 개발 사양은 타이어 회전각을 10도까지 조향할 수 있는 시스템으로 회전반경을 최대 23%까지 축소하는 효과를 가져올 수 있다.

현재 모비스에서는 <그림 6>과 같이 보다 진보된 RWS 시스템을 개발 중인데, 가칭 대조향각 RWS라고 하며, 이는 기존의 RWS의 효율을 개선하여 전륜과 유사한 조향각도를 구현하는 시스템이다. 전륜과 유사하게 35도 각도까지 회전할 수 있도록 개발중이며, 이를 적용하면 차량 회전 반경을 50%이상 획기적으로 줄일 수 있다.

신조향 시스템–SBW

SBW란 Steer By Wire의 약자로서, 스티어링 휠에서 타이어까지 연결되는 조향 장치 중 중간의 기구적 연결을 삭제하여 전기적인 신호로 통신에 의해 조향을 하는 새로운 시스템이다. <그림 7>과 같이 운전자가 스티어링 휠을 조타할 때 기존 차량처럼 휠의 감각을 구현하는 SFA(Steering Force Actuator, 조향감액추에이터)와 타이어를 구동하는​ RWA(Road Wheel Actuator, 구동액추에이터)로 구성된다. 

SBW는 스티어링 휠 각도와 별개로 타이어의 회전각을 자유롭게 튜닝 할 수 있다. 기존의 기구적으로 연결된 조향 시스템은 스티어링 휠을 돌리는 만큼 타이어도 비례하여 움직이게 되는데 SBW는 중간의 기구적 연결 구조를 삭제한 만큼 스티어링 휠을 조금만 움직여도 타이어가 많이 회전할 수​ 있게 제어 로직을 통한 자유로운 회전각 튜닝이 가능하다. 또한 기구적 연결이 없으므로 운전자에게 불쾌한 노면진동이 전달되는 것을 차단할 수도 있고, 무엇보다 자율주행시에는 스티어링 휠은 고정시킨 상태로 타이어는 조향이 가능하므로, 스티어링 휠 수납도 가능하다.

신조향 시스템–4WIS

4WIS란 4 Wheel Independent Steering의 약자로서 차량 바퀴 4개를 각각 독립적으로 제어할 수 있는 시스템이다. 최근 미래 모빌리티가 ePBV(electric Purpose Built Vehicle)나 자율주행 등 다양한 방향으로 전개되고 이는데 이로 인해 차량에서 바퀴 4개를 자유롭게 제어하고자 하는 요구가 증대되고 있다. 이런 4WIS 시스템이 적용될 수 있는 분야는 자율주행 배송차량, 로보택시, EV셔틀, eLCV(electric Light Commercial Vehicle) 등 다양하게 검토되어지고 있는 상황이며, 이런 차량들을 통틀어 PBV라는 이름으로 시장에서는 이야기하고 있다. 일부 리서치 업체에서는 2030년에는 글로벌 기준 790만대까지 시장이 커질 것으로 보고 있다. 이중 4WIS가 적용될 수 있는 수준은 아직 시장 분석 초기 단계라서 2020년대 후반이 되면 좀더 윤곽이 뚜렷해질 것으로 판단된다.

모비스가 개발하고 있는 4WIS는 <그림 8>처럼 수직형, 수평형, 코너모듈 통합형, 4 Wheel Active Steer의 4가지가 있다. 4륜 독집 제어로 인하여 <그림 9>와 같이 대각주행, 크랩​ 주행, 제자리 회전, 피봇 회전 등 여러가지 주행 모드가 가능하다. 

신조향 시스템–조이스틱

최근 차량의 운전석 공간 확보를 위한 다양한 개발이 이루어지고 있는데, 이 중 조이스틱은 스티어링 휠을 대체하여 차량의 방향을 제어할 수 있도록 하는 보조 조향 장치로서 개발이 활발히 진행되고 있다. 모비스 조이스틱 조향 장치는​ <그림 10>과 같이 주행 상황에 맞춰 조이스틱 작동각과 타이어 조향각을 최적화하여 개발하였으며, 주차 모드부터 4WIS로 구현 가능한 다양한 주행 모드도 조이스틱으로 구현 가능하게 개발 중이다. 

조향 시스템의 미래

미래 모빌리티는 단순 이동 및 운송 수단을 뛰어넘어 차량 내 공간 활용과 라이프 스타일을 충족하는 차량으로 변화할 것이라는 전망이 다양한 분야에서 나오고 있다. 사용자 목적에 부합하는 도시 Infra 구축과 기술의 발전으로 미래 모빌리티는 서비스 공간으로서 변화될 전망이다. 커넥티드카, 로보택시, 셔틀서비스, UAM, 전동화 등 뉴 모빌리티 변화에 적절하게 대응하기 위해 모비스에서는 SBW, 4WIS를 비롯해, 스티어링 휠 완전 수납 가능한 Foldable Column 등 다양한 조향 신기술 개발을 통해 앞으로 다가올 미래를 준비하고 있다.​

자동차 산업의 메가 트렌드 C.A.S.E.(Connectivity, Autonomous, Shared Economy, Electrified)중 Electrified가 빠르게 진행되고 있으며, 그에 따른 미래 조향 기술 트렌드도 빠르게 진화하고 있다. 이에 따라 미래 모빌리티 대응을 위해 RWS, SBW, 4WIS, 조이스틱 등 다양한 조향 선행기술을 개발 중에 있으며, 미래 모빌리티의 진화 방향인 이동 및 운송 수단을 뛰어넘는 서비스 공간으로의 변화에 발맞춰 뉴 모빌리티 변화에 적절하게 대응하기 위해 모비스에서는 앞으로 다가올 미래를 준비 중이다.​

글 / 오세욱 (현대모비스)

출처 / 오토저널 2023년 8월호