1. 현대차 유니버설 휠 드라이브 시스템
현대차·기아가 선보인 유니휠은 전기차의 주요 구동 부품을 휠 내부로 옮겨 실내 공간을 획기적으로 확대하는 기능 통합형 휠 구동 시스템으로, 전기차의 감속기와 드라이브 샤프트, 등속 조인트의 기능을 모두 휠 안에 넣고, 모터를 각 휠 가까이에 배치함으로써 플랫 플로어 구성을 가능하게 한 것이 특징이다.
현재 판매되고 있는 전기차의 파워트레인은 모터의 높은 회전수로 만들어진 동력이 감속기를 거치면서 토크가 증대되고, 이는 드라이브 샤프트를 통해 각 휠로 전달된다.
이때 드라이브 샤프트 양쪽에 달린 등속 조인트는 휠이 상하좌우로 움직일 때에도 동력을 끊김 없이 일정한 속도로 전달하는 역할을 한다.
이러한 구조는 과거 내연기관 자동차에서부터 오늘날 전기차에 이르기까지, 모빌리티가 다양한 형태로 발전하는 동안 거의 동일하게 유지되며 차량 구동 시스템의 표준으로 자리잡아 왔다.
현대차∙기아가 공개한 유니휠은 중앙의 선 기어(Sun Gear)와 좌우 각 4개의 피니언 기어(Pinion Geer), 그리고 가장 바깥쪽의 링 기어(Ring Gear) 등으로 이루어진 특수한 유성기어 구조를 지녔다.
모터가 만들어낸 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 링키지(Linkage)를 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 있다.
기존 등속 조인트가 적용된 드라이브 샤프트는 휠의 상하좌우 움직임에 따라 꺾이는 각도가 커질수록 동력 효율과 내구성이 하락하는 문제가 있었다. 하지만 유니휠은 휠의 어떤 움직임에도 동력을 거의 동일한 효율로 끊김 없이 전달할 수 있어 높은 내구성과 승차감을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
무엇보다 눈에 띄는 점은 유니휠이 전기차의 감속기의 역할도 대체한다는 점이다. 유니휠은 기어 잇수가 적은 선기어와 피니언 기어들이 맞물리며 상대적으로 기어 잇수가 많은 링기어를 회전시키는 구조를 통해 입력축과 출력축 사이의 감속비를 자연스럽게 만들어낼 수 있다. 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 있다. 이를 통해 최대 네 개의 휠 구동력을 각각의 소형 모터로 독립 제어함으로써 높은 수준의 조향 및 주행 안정성을 구현할 수 있다.
이와 함께 유니휠은 기존 구동 시스템의 등속 조인트와 드라이브샤프트, 감속기의 기능을 휠 안에 넣고 동시에 휠 사이에 자리하던 모터를 소형화해 각 휠에 직결함으로써 공간 활용성을 크게 확장한다.
이렇게 좌우 휠 사이가 확장된 공간은 트렁크나 프렁크 등 추가 적재 공간으로 활용할 수 있으며, 운전자를 중심으로 설계된 지금의 좌석 배치를 탈피해 완전자율주행 시대에 대비한 새로운 디자인도 가능하다. 해당 공간을 배터리 탑재 공간으로 활용한다면 주행거리가 향상되는 효과도 기대할 수 있다. 즉, 차 크기를 늘리지 않더라도 대형 전기차 이상의 주행거리 확보가 가능하다는 의미다.
유니휠의 이러한 특징은 높은 공간활용성과 저상화 설계를 추구해야 하는 PBV에 활용될 경우 더 큰 진가를 발휘할 것으로 보인다. 유니휠을 통해 구현되는 플랫 플로어 플랫폼은 PBV에 강력한 유연성과 확장성을 부여, 고객의 사용 목적에 따라 다양한 바디 타입 설계를 가능하게 만들어 준다. 기존 전기차에 필요한 동력원 및 감속기 기능을 동일하게 구현할 수도 있어 일반 승용 및 고성능 전기차 등 모든 종류의 전기차에 쉽게 적용할 수 있다는 장점도 가지고 있다.
유니휠은 다양한 크기의 차량뿐 아니라 휠체어, 자전거, 배송로봇 등 다른 종류의 모빌리티에도 적용할 수 있다. 대상 모빌리티의 요구 조건에 따라 작게는 4인치부터 크게는 25인치 이상의 휠에 탑재할 수 있도록 유니휠의 크기를 조절할 수 있기 때문이다. 또한, 휠의 회전축이 이동한다는 유니휠의 특성상, 계단을 에스컬레이터처럼 부드럽게 오르는 모빌리티도 만들 수 있다.
현재 현대차·기아는 유니휠과 관련된 특허 8건을 국내와 미국, 유럽 등 주요 국가에 출원 및 등록했다.
2. 현대 모비스가 선보인 인 휠 모터
현대모비스가 관련 기술을 모두 자체 개발한 것으로 유명한 '4륜 독립 구동 인휠(In Wheel)시스템'은 현재 전세계에서 양산 사례가 없는 신기술로 손 꼽힌다.
이 기술은 전동화 차량의 주행 거리를 늘리는 데 도움을 줄 수 있다. 기존 구동시스템이 바퀴 안으로 들어가기 때문에 그 공간을 활용해 배터리 용량을 늘릴 수 있기 때문. 인휠은 네 바퀴를 각 모터가 직접 제어하기 때문에 구동력을 효율적으로 배분해 최적의 선회 성능이나 차체 자세 제어 성능을 제공할 수 있다. 실제로 현대모비스가 개발한 4륜 인휠 시스템은 전후좌우 효율적인 토크 분배를 통해 선회 성능 향상과 함께 약 20% 이상의 전비 개선 효과를 볼 수 있는 것으로 알려졌다. 인휠 시스템을 적용하면 제로턴이나 크랩 주행 등 특수 모션을 구현하는 것도 가능하다.
현대모비스는 이 기술을 올해 초 미국 라스베가스에서 개최된 CES 2023에서 이미 선보인 바 있다. 특히 e-코너 시스템은 구동부에 해당하는 인휠을 중심으로 전자식 조향, 제동, 현가 기술이 융합된 통합 솔루션으로, 현재 실제 차량을 대상으로 향후 5년 안에 개발을 완료한다는 목표로 연구를 진행 중이다.
3. YASA가 개발한 측방향 자속 모터
현재 전기차와 하이브리드에서 주류가 되는 모터는 '영구 자석 동기 모터'다. 코일을 감은 고정자의 내부에서 영구 자석을 품은 로터가 회전하는 방식이다. 영어로는 Radial Flux Motor인데, 적절하게 번역되는 단어는 없는 것 같다. '축방향 자속 모터'는 어느 날 갑자기 등장한 기술은 아니다. 사실은 굉장히 오래된 기술로, 200년도 더 된 과거에 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 발명했다.
'축방향 자속 모터'는 '영구 자석 동기 모터'에 비해 토크의 밀도도 출력의 밀도도 높다고 한다. 동일한 부피 안에서는 더 큰 출력과 토크를 얻을 수 있으며, 동일한 출력이 필요하다면 그만큼 크기를 줄일 수 있다고. 영구 자석 동기 모터도 크기를 줄이기 위해 코일을 감는 방식을 변경하는 등의 진화를 거쳤지만, 축방향 자속 모터는 훨씬 작은 크기로 모터를 만들 수 있다는 장점이 있다. 단점도 물론 존재한다. 첫 번째로 냉각 문제가 있으며, 두 번째는 대량 생산이 어렵다는 점이다.
이에 YASA를 창립한 울머는 이 부분에 주목하고 '축방향 자속 모터'의 장점을 살리고 단점을 극복하기 위해 연구에 돌입했다. YASA는 먼저 레이스에서 기술력을 쌓으며 그 한계를 극복했다. 당시 라트비아에 Drive eO라는 엔지니어링 회사가 지속적으로 파이크스피크 힐 클라임 레이스에 도전하고 있었는데, 이 곳에 20213년부터 모터를 공급하기 시작한 것. 그 결과 Drive eO는 2015년에 YASA의 모터를 탑재한 레이스용 자동차로 종합 우승을 기록했다. 전기차가 엔진 자동차보다 뛰어난 성능을 발휘할 수 있다는 것을 레이스를 통해 증명한 것이다.
그 결과, YASA는 페라리에 모터를 공급할 수 있게 되었고, 현재 페라리에서 PHEV 하이퍼카인 'SF90 스트라달레'와 PHEV 슈퍼카인 '296 GTB'가 YASA의 모터를 탑재하고 있다.