▲유니휠이 장착된 차체 하부 구조를 반영한 모델카(왼쪽)과 기존 전기차의 차체 하부 구조를 반영한 모델카(오른쪽). 유니휠을 통해 구동 부품 위치를 옮겨 보다 넓은 공간이 확보된다. <사진=현대차·기아제공>

전기차의 구동 부품을 바퀴의 휠에 통합, 기존의 불용공간을 가용공간으로 탈바꿈시킨 신개념 휠시스템이 현대차그룹 기술진에 의해 세계 최초로 개발됐다.

현대차·기아는 28일 서울 중구 명동 커뮤니티하우스 마실에서 '유니휠 테크데이'를 열고 신개념 '유니버설 휠 드라이브 시스템'(Universal Wheel Drive System·이하 유니휠)을 개발, 한국을 포함 미국, 유럽 등 주요국에 8건의 특허를 출원했다고 밝혔다.

그야말로 자동차 바뀌의 재발견이라 할만하다. 휠과 휠 사이의 넓은 공간을 독차지하던 모터, 감속기 등 자동차 구동에 필요한 부품들을 휠쪽으로 통합, 자유롭게 활용 가능한 여유공간이 생긴 것이다.

현대차는 유니휠을 '100년 넘은 구동 시스템의 패러다임을 바꾸는 기술'인 동시에 성큼 다가온 전동화 시대의 '게임 체인저'가 될 신기술이라고 자평한다.

◇ '불변의 공간' 구동시스템 개념 송두리째 뒤엎어

현대차그룹 기술진이 심혈을 기울여 개발한 유니휠은 종전에 볼수 없던 신개념 구동시스템이다. 구조 자체가 획기적이며 기존의 개념을 뒤엎은 기술이다. 

그도 그럴 것이 지금까지 자동차 개발 역사에서 구동시스템이 차지하는 공간은 누구도 감히 손댈 수 없는 '불변의 공간'으로 여겨졌다.

기존 내연기관차에 비해 구조가 훨씬 심플해졌다는 전기차나 수소차 역시 마찬가지다. 단지 엔진을 모터로, 변속기를 감속기가 대체할 뿐 전체 구동 시스템만큼 내연기관차와 별반 다르지 않았다.

유니휠은 이같은 구동시스템이란 공간의 제약을 아예 없앴다. 감속기, 드라이브 샤프트, 등속 조인트 등 기존 전기차 구동 시스템의 모든 부품과 기능을 휠 안으로 통합했다.

구동시스템을 휠로 모듈화한 셈이다. 전기차 구동의 핵심 부품인 모터도 휠에 최대한 붙여서 배치함으로써 공간활용을 극대화했다. 유니휠이 감속기와 CV조인트 등의 기능을 모두 하나로 품으면서 ‘모터→유니휠→바퀴’ 순서로 동력 전달이 단순화된 셈이다.

▲유니휠과 기존 시스템의 비교. <사진=현대차·기아 제공>

원래 기존 전기차 동력시스템은 전기 모터의 동력이 감속기를 통해 토크(회전력)를 생성하고, 이 토크는 드라이브 샤프트를 거쳐 휠에 전달돼 바퀴의 회전력을 얻는다. 내연기관차 구조와 기본 원리도 이와 동일하다.

유니휠은 이러한 기능을 모두 바퀴 안으로 옮겼다. 단순히 기존 부품을 이동시킨게 아니라, 특별하게 설계한 '기어'가 바퀴 안에서 구동 기능을 대체한다.

유니휠은 중앙의 선 기어와 좌우 각각 4개의 피니언 기어, 가장 바깥쪽의 링 기어로 구성된다. 모터가 생성한 동력이 선 기어로 전달되면, 맞물린 피니언 기어가 돌며 링 기어를 회전시킨다. 링 기어는 휠과 연결돼 최종적으로 휠까지 동력을 전달한다.

◇ 공간활용도 극대화...배터리 탑재량 늘려 주행거리 개선

구동시스템 일체가 휠에 통합되기에 기존에 부품이 있던 공간은 고스란히 잉여 공간으로 남는다. 즉, 실내를 넓히거나 트렁크 적재 용량을 더 확보할 수 있다.

특히 이 공간에 배터리를 추가 장착하면 주행거리를 획기적으로 늘릴 수 있다. 박종술 현대차·기아 선행기술원 수석연구위원은 "유니휠을 채택한 전기차는 기존 전기차 대비 실내 공간이 10~20% 늘어날 것"이라고 기대했다.

내구성을 높이는 효과도 있다. 기존 드라이브 샤프트는 바퀴의 상하좌우 움직임에 따라 꺾이는 각도가 커질수록 동력 효율과 내구성이 하락하는 문제가 있는데, 유니휠은 휠의 어떤 움직임에도 동력을 동일한 효율로 끊김 없이 전달하기 때문이다.

다만 모터는 4개로 쪼개져 개별 휠에 직결된다. 4개의 구동력을 각각의 모터가 독립 제어하기 때문에 한 차원 높은 '토크 벡터링'을 구현할 수 있다는 게 개발진의 설명이다.

▲유니휠(왼쪽)과 유니휠 내부 기어 구조. <사진=현대차·기아 제공>

토크 벡터링이란 각 바퀴에 전달되는 토크를 정밀하게 제어하는 기술로, 미끄러운 노면이나 코너링 구간에서 안정적이면서도 역동적인 주행을 가능하게 한다. 유니휠이 주행 성능까지도 높일 수 있다는 의미이다.

유니휠은 4~25인치까지 다양한 휠에 모두 적용할 수 있다. 용도에 따라 새로운 디자인과 기능을 구현할 수 있다. 휠체어, 자전거, 배송로봇 등 중소형 모빌리티나 PBV(목적기반차) 등에 두루 쓸 수 있다.

현대차그룹은 유니휠이 다양한 모빌리티 환경에 획기적인 변화를 불러올 것으로 보고 있다. 유니휠은 특히 높은 공간활용성과 저상화 설계를 추구해야 하는 PBV에 활용될 경우 진가를 발휘할 것으로 보인다.

휠의 회전축이 이동하는 유니휠의 특성상 계단을 에스컬레이터처럼 부드럽게 오르는 모빌리티도 만들 수 있다. 실제 이날 현대차·기아는 유니휠을 통해 계단을 흔들림 없이 오르는 모빌리티의 개념을 소개하기도 했다.

박 연구위원은 "아직 상용화 시점을 얘기하긴 이르다"면서도 "미래 모빌리티 시장의 판도를 뒤바꿀 '게임 체인저'가 될 수 있는 혁신적인 아이디어"라고 자신했다.

◇ 현대차그룹, 미래 모빌리티 기술주도권 선점 기대

유니휠 개발팀은 현재 유니휠의 기어비 조정, 윤활 냉각 시스템 고도화 등 상품성을 높이기 위한 연구에 박차를 가하고 있다. 이와는 별개로 작은 모터로도 높은 토크를 구현할 수 있도록 감속비를 더 높인 유니휠을 개발에도 개발역량을 집중하고 있다.

최대 4개의 휠 구동력을 각각의 소형 모터로 독립 제어함으로써 높은 수준의 조향 및 주행 안정성, 토크 벡터링(각 바퀴의 토크를 정밀하게 제어하는 기술)을 구현하기 위해서다.

▲유니휠 개발을 주도한 선행기술원 연구원들. <사진=현대차·기아 제공>

전기차가 별도 전용 타이어를 넣듯 유니휠도 전용 타이어를 장착할 수도 있다. 김기석 현대차·기아 선행기술원 책임연구원은 "현재로서는 타이어까지 고민할 단계가 아니다"라고 했다.

업계에서는 유니휠 상용화를 위해 현대차그룹이 타이업체와 공동 개발하거나 경우에 따라 자체 개발도 검토할 수 있을 것으로 보고 있다.

현대차그룹이 이처럼 기존에 없던 완전히 새로운 구조의 구동시스템 통합 휠 개발에 성공함에 따라 향후 전기차나 수소차 등 친환경차와 미래 모빌리티 시장의 기술 주도권을 선점할 것으로 기대된다.

자동차업계 한 관계자는 "유니휠이 등장으로 기존 운전자 위주의 좌석 배치를 탈피해 새로운 디자인 구현도 가능해졌다"며 "장차 고객들이 지금과는 완전히 다른 방식의 경험이 가능한 미래형 모빌리티 개발을 앞당기는데 유니휠이 큰 역할을 할 것"이라고 강조했다.

친환경차와 미래형 모빌리티 개발에 그룹 역량을 집중하고 있는 현대차그룹이 신개념 구동시스템인 유니휠 개발을 통해 향후 모빌리티시장에서 어떤 반향을 불러모을 지 귀추가 주목된다.

토요경제 / 최영준 기자 cyj@sateconomy.co.kr 

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