내연기관 자동차의 종말과 전기차(수소차) 파워트레인(Power trains)을 다이어트(Diet)하는 마지막 전동화(Electrification) 기술인 ‘인휠모터시스템’

  1. 백삼십 년 내연기관 자동차의 종말
  2. 당분간 지속될 내연차•전기차 공존
  3. 전기차의 마지막 전동화 기술인 인휠모터시스템
  4. 포스트이후(After Corona)에도 질주할 전기차

전기자동차 분야에서 가장 주목을 받는 기술 중 하나는 바로 인휠모터시스템(In wheel motor system)이다. 내연기관 자동차부터 최근의 전기자동차 대부분은 중앙의 엔진과 모터에서 생성된 출력을 여러 구동계를 거쳐 바퀴에 전달하는 방식은 크게 변화하지 않았다.

그러나 인휠모터시스템(In wheel motor system)은 바로 바퀴 안쪽에 모터를 장착하고 출력을 바로 바퀴에 전달하는 것이다. 이는 지금까지 여러 구동계를 거치면서 발생하는 출력의 손실을 최소화할 수 있으며, 파워트레인 다이어트(Power trains Diet)에 크게 기여할 수 있다.

인 휠 모터(In wheel motor)는 휠 안에 모터를 위치시켜 휠 안에 모터와 제동장치, 허브가 하나의 모듈로 구성된다. 이 방식은 동력 손실을 최소화할 수 있으며, 단순화된 구조 덕분에 무게를 줄일 수 있어 연비 개선 효과도 얻을 수 있다.

이런 단순한 구조는 자동차의 형태에 대한 제약을 크게 줄일 수 있어 전혀 새로운 디자인의 자동차를 보게 될 수도 있다. 예를 들면 전방의 보닛이 아예 없는 구조를 만들 수 있어 자동차의 내부 공간 활용에 있어 큰 이점을 제공할 수 있다.

전기차는 단순히 내연기관차에서 엔진과 트랜스미션을 배터리와 모터로 대체한 차량이 아니다. 전기차는 내연기관차 대비 단순한 차량 구조, 전자신호에 대한 즉각적인 응답성, 인터넷 연결성 등으로 인해 공유와 자율주행기술의 기반이 되는 차이다.

 

  1. 백삼십 년 내연기관 자동차의 종말

역사적으로 이동 수단을 움직이는 동력은 ‘사람(人)-말(馬)-내연기관(Engine)’의 변화를 거쳐왔다. 이 가운데 가장 오래된 동력은 ‘인간’으로 가마를 짊어졌고 수레가 발명된 후에는 ‘바퀴 달린 인력거(人力車)’  시대가 전개됐다.

하지만 사람의 힘은 강하지 못했던 만큼 무거운 것을 이끄는 동력으로 소(牛)나 말(馬)이 활용됐다. 인간과 소 혹은 말의 동력 시대를 합치면 적게는 수백 년에서 길게는 수천 년 전까지 거슬러 오른다.

기계 및 시스템 동력의 최종 에너지원을 석탄, 석유, 가스 등 화석 연료가 아니라 전기로 대체하는 기술 보급을 의미하는 전기화 혹은 전동화(Electrification)는 건물, 산업 부문 관련 기술 및 최종소비자가 활용하는 도구·기계·설비 등 다양한 분야에서 이루어지고 있다.

환경문제에 대한 관심과 인식이 높아지면서 자동차의 환경 성능에 대한 요구가 증가하고 있다. 이로 인해 전동화(Electrification)가 자동차 산업의 주요 트렌드가 되면서 하이브리드 전기차(HEV), 배터리 전기차(BEV), 연료전지차(FCV)와 같은 자동차 구동 시스템의 다양화가 이뤄지고 있다.

130여 년 자동차산업 역사에서 한정된 화석연료를 사용하는 내연기관 자동차에서 전기자동차를 기반으로 운전자가 직접 조작하지 않아도 자동차가 주행환경을 인식해 위험을 판단하고 주행경로를 계획해 스스로 운전하는 자동차인 자율주행차(autonomous vehicle)로의 패러다임이 빠르게 변화하고 있다.

가솔린·디젤 자동차를 단계적으로 퇴출하려는 움직임이 확산되고 있으며 내연기관의 발원지인 유럽과 세계 최대 자동차 시장인 중국도 화석연료를 사용하는 자동차의 생산과 판매를 금지하는 방안을 추진 중이다. 이러한 움직임이 각국으로 확산되면서 완성차 업체들을 긴장시키고 있다.

19세기에 등장한 내연기관의 역사는 불과 130년 정도에 그친다. 앞선 동력 시대의 역사와 비교하면 ‘찰나(刹那)’에 머물 뿐이다. 하지만 환경 측면에서 내연기관자동차는 지구를 가장 빨리 오염시킨 기계 문명으로도 꼽힌다.

동력을 만들 때 사용하는 화석연료 엄청난 힘으로 문명의 빠른 발전을 가져왔지만 기름을 태운 후 바깥으로 내보내는 배출가스가 오히려 지구의 지속 가능성을 낮춘다는 위기감이 커지자 동력을 바꾸자는 움직임이 계속되고 있다.

새로운 동력을 활용하려면 인프라도 구축해야 하고, 동력의 저장과 유통도 염두에 두어야 한다. 그러니 이 모든 것을 망라했을 때 내연기관의 시대의 종말 시점을 예측하는 것은 매우 어려운 과제다.

도로에서 우리 눈에 띄는 전기차는 조금씩 늘고 있는 정도지만 자동차업계의 향후 신차 출시 스케줄표는 전기차 라인업으로 빼곡하다. 글로벌 자동차업계가 올해 들어 공격적인 전기차 출시 계획을 밝히고 있다.

가솔린, 디젤 등을 연료로 하는 ‘내연기관 자동차의 종말’도 멀지 않은 느낌이다. 내연기관 자동차 시대의 ‘명차’로 불리던 브랜드들을 비롯해 주요 완성차 업체들은 전기차 변환을 가속화하고 있다.

하지만 내연기관 자동차 시대에서 전기차 시대로 넘어가면서 생산공장의 인력 감축에도 속도가 붙고 있다. 자동차산업은 전통적으로 노동집약적인 성격이 강했지만 전기차는 내연기관차에 비해 구조가 단순하기 때문에 필요한 인력이 적다.

전기차는 내연기관차에 비해 부품 수가 3분의 1정도에 불과하기 때문에 자동차 제조공정에 필요한 인력도 그만큼 줄게 될 것이다. 내연기관 자동차의 미래는 점점 더 불투명해지고 있다.

확대일로의 전기차 보급

프랑스는 전기차 및 하이브리드차와 대체연료를 사용하는 자동차의 시장점유율이 약 4%로 미미하지만, 이 시장이 빠르게 상장하고 있으며 2017년 전기차 판매량은 20,505대이다. 2017년 프랑스 전기차 시장은 르노 ZOE가 62.5%, 닛산 LEAF가 10.6%, 푸조 iON이 3.5%, 기아 Soul이 3.5%를 각각 차지했다.

세계 최대 전기차 시장인 중국도 가세하여 자동차 제조업체들은 2019년부터 매년 일정 대수의 신에너지차(New Energy Vehicle, NEV)를 판매해야 한다. 2018년부터 5만 대 이상 자동차를 생산하거나 수입하는 업체는 전체 생산·수입 대수의 8% 이상을 전기차로 채워야 한다.

향후 가솔린과 디젤 차량의 제조 및 판매를 금지하는 방안도 검토 중이다. 현재 관련 연구가 진행되고 있다. 중국은 전 세계 승용차 판매의 약 30%를 차지한다.

따라서 중국의 탈 가솔린·디젤 정책은 세계 자동차 시장에 적지 않은 파장을 몰고 올 것이다. 자동차 통계 사이트 이브이세일즈(ev-sales)에 따르면, 중국은 2017년 50만 대의 전기차가 팔려, 세계 전기차 판매량의 절반을 차지했다.

네덜란드와 노르웨이는 2025년부터 가솔린과 디젤 연료를 사용하는 신차 판매를 금지하는 방안을 모색 중이다. 이 같은 결정이 상원을 통과하면 네덜란드에서 내연기관이 가장 먼저 퇴출될 전망이다.

전기차 시장을 선도해 온 노르웨이는 2016년 한 해 판매된 자동차의 약 40%가 전기차와 하이브리드차였다. 그만큼 내연기관 자동차 퇴출에 따른 후폭풍이 크지 않을 것으로 전망된다.

2016년 10월 독일연방 상원도 2030년부터 디젤, 가솔린 등의 내연기관을 사용하는 자동차를 인증하지 않는 결의안을 통과시켰다. 다만, 연방상원 결의안이 나왔다고 이것이 법적 효력을 갖는 것은 아니다. 실질적 입법기관은 독일 연방하원이다.

자동차 시장규모 세계 5위로 대기오염이 심각한 인도는 2030년부터 내연기관 차량의 판매를 금지하고 자국 내 차량 판매를 전기차로 한정하는 정책을 내놨다.

세계 2위 자동차 대국 미국은 주마다 엄격한 환경 규제가 마련돼 있다. 미국 캘리포니아 주는 일정 대수 이상 판매되는 자동차에 대해 배출가스를 전혀 배출하지 않는 차량(Zero Emission Vehicle, ZEV)을 일정 비율 이상 판매하도록 의무화하고 있다.

캘리포니아 ZEV 규제는 1990년대부터 시작해 개정을 거듭해왔지만, 올해부터 ZEV 판매 비율이 14%에서 16%로 높아지고, 심지어 ZEV 대상에서 하이브리드차, 천연가스차, 저배출 자동차가 제외되는 등 규제가 대폭 강화된다. 이러한 ZEV 규제는 전국으로 확산돼 현재 11개 주가 채택하고 있다.

생존을 위한 선택인 전기차

이러한 국제적 흐름은 전통 완성차 업체들의 위기감을 고조시키고 있다. 더욱이 2015년 9월 미국발로 시작된 폭스바겐 ‘배출가스 조작’ 스캔들, 일명 폭스바겐 ‘디젤게이트’와 2016년 ‘파리협정’ 발효 등으로 내연기관 차량의 입지가 흔들리기 시작했다.

위기감을 느낀 자동차 제조업체들이 적지 않다. 반응은 즉각적으로 나타났다. 완성차 업체들이 앞다퉈 전기차 로드맵을 공개하기 시작했다.

디젤게이트로 불신을 초래한 폭스바겐은 2025년까지 30종 이상의 배터리 전기차(BEV)를 시장에 내놓을 계획이다. 또한 전체 매출의 약 25%(200만 대~300만 대)를 전기차로 전환하겠다는 목표도 제시했다.

다임러는 EV 프로그램을 가속화하고 있으며 2022년까지 10종의 새로운 EV를 출시할 계획이다. BMW는 2025년까지 12종의 새로운 BEV와 13종의 하이브리드차를 출시하기로 했다.

유럽 자동차 OEM과 달리, 미국 빅3(포드, GM, 크라이슬러)는 전기차 개발에 다소 소극적이었다. 세 회사를 합쳐 현재 BEV 3종과 PHEV 5종이 전부다. 빅3가 전기차로 방향을 튼 것은 지난 하반기부터이다.

GM이 향후 18개월 이내에 Bolt EV를 기반으로 한 새로운 전기차 2종을 발표하고 2023년까지 20종의 전기차를 출시하겠다고 선언했다. GM 고위 간부가 전기차의 수익성과 미래에 대한 확신을 공개적으로 밝혔다는 점은 주목할 만하다.

포드도 전기차 라인업을 늘리고 이를 전담할 팀을 구성했다. 포드는 2020년까지 300마일(482 km) 이상의 주행거리를 자랑하는 크로스오버 EV와 향후 5년간 13종의 전기차를 선보이겠다고 밝혔다.

현재 중국에서는 200개 이상의 전기차 회사가 격전을 벌이고 있다. 여기에 세계 주요 자동차 OEM들이 전기차 개발을 위한 파트너십을 맺기 위해 중국으로 향하고 있다.

전기차 대세론을 반영하듯 지난해 세계 5대 모터쇼의 메인 주인공은 단연 ‘전기차’로 테슬라는 늘 화제의 중심에 있었다. 올해도 자동차 산업의 화두는 “환경”과 “자율주행차”가 될 것이라는 데 이의를 제기할 사람은 없다.

최근 들어 자동차 빅 플레이어들이 전기차 시장 예측치를 다시 상향 조정하고 있다. 국제에너지기구(IEA)는 전기차 시장 전망치를 두 배 이상 늘려 2030년에 2,300만 대에서 5,800만 대로 상향 조정했다.

엑슨 모빌은 2040년 전기차 판매 추정치를 6,500만 대에서 1억 대로 올렸으며 영국 에너지 기업 BP는 2035년까지 전 세계 도로 위에 1억 대의 전기차가 달릴 것으로 전망했다. 이것은 1년 전 발표보다 40% 증가한 전망치다.

노르웨이 국영 석유회사인 스타토일(Statoil ASA)은 2030년까지 전기차가 신규 매출의 30%를 차지할 것이라고 밝혔다. 모건 스탠리는 지난해 보고서에서 배터리 전기차가 2040년까지 세계 자동차 시장의 51%를 차지할 것이라고 전망했다.

BNEF(Bloomberg New Energy Finance)는 전기차에서 가장 비싼 배터리에 주목했다. 2010년 리튬이온배터리 팩은 kWh당 1,000달러였다. 현재 150달러 이하다. 리튬이온배터리 팩 가격이 특정 기술의 도약이 아닌 규모의 경제를 이루면 2030년에 50달러 이하로 떨어질 것으로 예상된다.

전기차는 눈에 띄게 상승 무드를 타고 있으며 각국 정부의 배출가스 규제 강화로 전기차에 호의적인 환경이 조성되고 있는 것은 분명하다. 규모의 경제와 함께 주요 자동차 업체들 간 경쟁은 전기차 가격을 예상보다 빠르게 낮출 것이다.

또한 전기차는 자율주행 및 카쉐어링과 결합될 것이다. 지금의 기세대로라면 전기차 전성시대는 좀 더 앞당겨질 것으로 보인다. 각국의 내연기관 차량 판매 금지 선언이 실제로 실현 가능성이 있는지 의문의 여지가 없는 것은 아니다.

이러한 선언이나 발표가 아직은 구체적이지 않고 이행 계획도 분명하지 않으며 후속 정부에 의해 언제든지 뒤집힐 수 있기 때문이다. 세계적인 자동차회사들이 속속 친환경차에 대한 비전을 발표한다고 해서 당장 자동차시장에 획기적인 변화가 오는 것은 아니다.

전기차는 에너지 밀도 개선과 높은 차량 가격의 문제로 인해 당분간 시장성 확보가 쉽지 않다. 실제로 미국, 중국과 같이 전기차 생산과 판매가 활발한 국가조차 전기차가 전체 자동차 시장에서 차지하는 비중이 한자리수를 넘지 못하고 있다.

2040년까지 내연기관 자동차 판매 금지를 선언한 유럽도 아직까지 1% 정도의 판매 비중을 보이고 있다. 상대적으로 높은 자동차 가격과 충분한 주행거리를 확보하기 위한 배터리 성능 개선 등 아직까지는 극복해야 할 과제가 많다.

그럼에도 불구하고 대세는 내연차에서 전기차로 이동하고 있다는 점에는 이견이 없다. 특히 각국 정부의 다양한 정책 지원과 규모의 경제가 실현된다면 그 시기는 빨리 도래할 수 있다. 20세기 산업은 자동차산업을 중심으로 발전해 왔다.

자동차는 시간과 공간을 단축시켜 경제적인 효율성 제고와 인류의 삶 자체를 변화시키는데 크게 기여했다. 자동차 보급이 늘어남에 따라 과도한 화석연료 사용으로 인한 지구 환경오염 문제와 자동차 사망 사고, 실제 이용률이 4%에 불과한 비효율적인 기계라는 점 등은 자동차산업이 변화해야 하는 요인으로 작용했다.

그 변화의 중심에 전기차 기반의 자율자동차와 공유경제도 함께 확산되고 있다. 실로 100년만의 대 변혁기에 접어든 것으로 기존 자동차산업이 기계와 금속산업을 중심으로 전후방 연관효과가 큰 산업이었다면, 향후 IT와 서비스산업이 자동차 산업을 이끌고 나갈 것으로 보인다.

스마트폰의 도입으로 새로운 연관 산업이 거미줄처럼 파생되는 것을 경험한 바 있다. 전기차를 중심으로 하는 새로운 자동차산업은 스마트폰과는 비교가 안 될 정도로 거대한 신규산업을 창출할 것으로 전망된다.

 

  1. 당분간 지속될 내연차•전기차 공존

탈(脫)내연기관은 언제쯤일까. 전 세계 각국의 환경 규제가 강화되고 친환경차 개발 경쟁이 가속화됨에 따라 세계 자동차 산업의 전동화(Electrification) 흐름은 한층 빨라질 것으로 전망된다. 하지만 내연기관차의 종말을 점치는 이들의 의견은 여전히 분분하다.

전기차 보급이 큰 폭으로 확대돼도 여전히 내연기관차가 도로를 장악하고 있기 때문에 내연기관차의 퇴출이 생각했던 것만큼 빨리 오지 않을 것이란 예측에도 힘이 실린다. 백삼십 년 넘게 전 세계 도로를 달리던 내연기관차의 운명은 어떻게 될까.

온실가스 배출 규제가 강화되면서 최근 순수 전기차와 수소차의 수요가 늘고 있지만, 아직까지 자동차의 주력 동력원은 내연기관이 차지하고 있다.

2030년에 내연기관차 종말 예상

컨설팅 회사 맥킨지는 최근 보고서에서 “포드의 ‘모델T’가 출시된 1900년대 초반이 자동차 산업의 첫 변곡점이라면 자동차 배출가스로 인한 도심 환경 오염문제로 자동차업계가 탈내연기관 하는 지금은 기술 혁신에 따른 두 번째 변곡점”이라고 했다.

미국의 신기술 연구기관 ‘리싱크엑스’가 최근 발간한 보고서를 보면, 내연기관차가 2020년을 기준으로 줄어들어 2030년에는 아예 사라질 것이라는 극단적 전망이 나왔다. 전기차는 내연차에 뒤지지 않을 만큼 기술적 보완이 빠르게 이뤄지고 있다.

국내에 출시되고 있는 전기차만 봐도 가속페달을 밟는 순간부터 출력을 쏟아내는 전기 동력의 특성으로 고성능 차 못지않은 힘을 낸다. 페달 반응도 과거 전기차와 비교해 이질감이 거의 없어졌고, 조향감도 예리해졌다.

에어컨을 계속 가동해도 공인연비를 넘어서고, 주행가능거리는 200㎞를 훌쩍 넘는다. 단점으로 꼽혀온 공간 활용성도 좋아지고 있다. 수입차는 성능이 뛰어난 전기차를 잇따라 내놓고 있다. 1회 완충 시 주행거리가 500㎞에 근접하고, 환산 출력도 400마력을 넘어선다.

전기차에 이어 주목되는 자율주행차도 자동차 산업의 패러다임을 바꿀 것으로 전망된다. 제너럴모터스(GM) 부회장을 지낸 밥 루츠는 ‘오토모티브 뉴스’에 좋은 시절이여 안녕(Kiss the good times goodbye)이라는  자동차 산업에 대한 암울한 칼럼을 기고했다.

그는 “20년 뒤면 자율주행차와 자동차 공유가 산업 전반을 뒤덮으며 전통적인 자동차의 시대는 끝날 것”이라고 했다. 특히 고성능 자동차를 만들던 벤츠, BMW, 아우디 같은 프리미엄 브랜드 회사의 충격은 더 클 것으로 예상했다.

전기 동력 기반 자율주행차의 세상이 오면 기존 자동차 회사들은 자동차 판매를 통해서는 수익을 올리기 힘들어진다. 자율주행차의 비율이 20%를 넘어서면 자동차는 기차의 객차처럼 모듈화돼 우버나 리프트 같은 공유업체에 대량 납품될 것으로 예상했다.

이렇게 되면 자동차 브랜드 의미는 크게 퇴색되고 이동용 자율주행 모듈 납품업체로 전락할 수도 있다는 것이다. 실제로 최근 모터쇼에서 선보이는 자율주행차는 자동차의 모습이 아니라 이동식 박스형 모듈이다.

이런 형식의 자동차가 도로를 가득 매우면 자동차 브랜드의 가치는 사실 무의미해진다. 이 때문에 루츠는 ‘대부분의 도로에서 인간의 운전이 금지되고 기존 자동차들은 서킷이나 한정된 공간에서만 탈 수 있는 놀이기구로 전락할 것‘이라고 전망했다.

전기차로 인한 일자리 축소와 GDP 감소

친환경차가 대세로 떠올랐지만 대중화까지는 갈 길이 멀다. 현재 세계 자동차 시장은 내연기관 96.5%, 하이브리드(엔진·모터 겸용) 2.7%, 전기차 0.8%의 점유율을 보이고 있으나 ‘탈내연기관’의 흐름은 가속화될 것이다.

국내 완성차 업체들은 친환경차를 내세우고 있지만 내연차를 포기한 것으로 보기는 어렵다. 무엇보다 현실적으로 경제성과 수익성을 동시에 가져다 주는 내연차 생산을 마다할 이유가 없는 상황에서 아직 수익성이 불확실한 전기차에 주력할 수 없다.

국내 완성차 업체들이 내연차 생산을 중단하고 전기차로 대체한다고 가정하면 자동차부품사들이 대폭 감소하게 된다. 내연차의 부품은 평균 3만개인 반면 전기차는 최대 1만개로 2만개의 부품을 만들어 내는 업체가 필요 없어진다.

내연기관차와 전기차는 구조부터 다르다. 전기차에는 내연기관차의 엔진이나 변속기, 구동축 같은 부품이 필요 없으며 바닥에 배터리 팩이 들어갈 자리가 필요하고 앞뒤에 전기모터가 놓일 공간이 마련돼야 한다.

고용도 감소할 전망으로 현재 국내 자동차 관련 직접 고용 인원은 39만 명에 달한다. 정비소와 주유소, 보험 등까지 포함하면 우리나라 전체 근로자의 10%를 넘는 인원 중 3분의 2가량이 일자리를 잃게 된다. 수십만개의 일자리와 수백개의 중소기업이 사라진다.

그렇다고 국내 산업 보호를 위해 내연차를 계속 생산하고 탈 수는 없다. 한국은 수출주도형 국가로 전 세계의 흐름에서 벗어날 수 없다. 전기차가 내연차의 대체재로 자리잡을 때까지 시간이 꽤 걸리겠지만 전기차 대중화를 잠자코 지켜볼 수만은 없는 이유이다.

내연기관 자동차의 미래는 아직 불확실하지만 자동차산업의 주도권을 쥐려면 변화에 민감하게 반응해야 한다. 이동성에 대한 자동차 소비자의 인식이 바뀐다면 여러 제약조건에도 불구하고 ‘자동차 포맷’도 급속히 바뀔지도 모른다.

 

  1. 전기차의 마지막 전동화(Electrification) 기술인 인휠모터시스템

일반적으로 전기자동차는 구동방법에 따라 모터에서 발생된 동력을 전동축(transmission shaft)과 차동장치를 통해 바퀴에 전달하는 인라인(in-line) 전기구동 시스템과 모터를 차량바퀴 내부에 장착하는 인휠(in-wheel) 전기구동시스템으로 구분된다.

전기자동차 분야에서 가장 주목을 받는 기술 중 하나는 바로 인 휠 모터(In wheel motor)다. 내연기관 자동차부터 최근의 전기자동차 대부분까지, 중앙의 모터에서 생성된 출력을 여러 구동계를 거쳐 바퀴에 전달하는 방식은 크게 변화하지 않았다.

자동차 전동화(Electrification)기술의 최종 지향점은 바퀴 안쪽에 모터를 장착하고 이를 통해 출력을 바로 바퀴에 직접 전달하는 것이다. 이는 지금까지 여러 구동계를 거치면서 발생하는 출력의 손실을 최소화할 수 있으며, 파워트레인(Power trains)이 극도로 간소화된다.

휠의 림 내부에 직접 모터를 설치하여 바퀴를 직접 구동하는 인휠 모터는 1890년 페르디난트 포르쉐(Ferdinand Porsche)의 발명품으로 전륜에 트랜스미션이 없이 직접 전기모터로 구동하는 방식이 개발되었으나 내연기관 자동차에 비해 경쟁력이 떨어져 단산되었다.

인휠 시스템은 구현방법에 따라 구동 모터만 휠 안에 장착하여 기존 서스펜션장치와 공존하는 단순 인휠 시스템과 구동모터와 함께 제동, 조향, 현가 시스템 전체를 휠 안에 장착하는 통합 인휠 시스템으로 대별할 수 있다.

인 휠 모터시스템의 특장점

인 휠 모터는 휠 안에 모터를 위치시키는 방법으로, 이를 통해 휠 안에 모터와 제동장치, 허브가 하나의 모듈로 구성된다. 이 방식은 전기자전거나 스마트휠, 전동킥보드 등에도 이미 사용되고 있는 기술이지만, 자동차에 적용하기 위해서는 몇가지 추가로 고려해야 할 부분이 있다.

상대적으로 가벼운 자전거나 전동킥보드 등은 작은 힘으로도 구동할 수 있으며, 그다지 높은 속도를 내지 않기 때문에, 자동차와 같이 무거운 무게를 감당하면서 노면의 충격이나 침수 등의 가혹한 환경에서 견뎌내야 하기 때문이다.

또한, 구동 휠이 하나인 자전거나 전동킥보드와는 달리 자동차는 두개, 혹은 네개의 바퀴에 모터를 장착해야 하기 때문에 일반 자동차의 디퍼런셜 역할을 위해 각 바퀴에 대한 미세한 회전 제어 기능이 별도로 필요하다.

하지만 인 휠 모터 방식은 전기자동차에게 여러가지 획기적인 이점을 제공할 수 있게 된다. 우선 여러 단계의 동력 전달 과정을 거치지 않고 모터가 바퀴를 직접 굴리기 때문에 동력 손실을 최소화할 수 있으며, 단순화된 구조 덕분에 무게를 줄일 수 있어 연기 개선 효과도 얻을 수 있다.

더구나 이런 단순한 구조는 자동차의 형태에 대한 제약을 크게 줄일 수 있기 때문에 전혀 새로운 디자인의 자동차를 보게 될 수도 있다. 엔진이나 변속기 등이 필요없기 때문에 전방의 보닛이 아예 없는 구조를 만들 수 있어 자동차의 내부 공간 활용에 있어 큰 이점을 제공할 수 있다.

모터에서 생성된 출력이 여러 구동계를 거쳐 바퀴에 힘을 전하면 직접적이지 않기 때문에 동력손실이 발생할 수밖에 없다. ‘인 휠 모터’ 방식을 채택하면 휠에 직접 토크를 전하기 때문에 구동 과정이 더욱 간소화되고 동력손실도 줄어든다.

인 휠 모터는 말 그대로 휠 안에 모터가 위치하는 구조로 모터, 감속기, 제동장치, 허브가 하나의 모듈로 바퀴 안에 장착된 시스템이다. 요즘 길가에서 쉽게 볼 수 있는 전동킥보드 대부분이 바로 이 인 휠 모터 시스템을 사용한다.

개념은 단순해도 만들기는 쉽지 않으며 모터 구동 모듈을 휠 안에 전부 넣어야 하기 때문에 부품의 소형화가 불가피하다. 무게가 가벼운 전동킥보드 정도는 작은 힘으로도 구동할 수 있지만, 몸집 큰 자동차는 강력한 힘도 동반되어야 하고 노면으로부터 전해지는 충격과 침수 등의 가혹한 조건도 견뎌야 한다.

생산에 어려움이 있어도 인 휠 시스템은 획기적인 이점을 가져온다. 우선 여러 단계에 걸친 동력장치를 거치지 않고 모터가 바퀴를 직접 굴리기 때문에 구동 과정에서 새어나가는 동력손실이 없다.

또한, 구동계의 각종 부품이 최소화되면서 무게도 줄어 연비개선의 효과도 기대할 수 있다. 단순한 구조 덕에 자동차의 형태를 더욱 자유롭게 만들 수도 있다. 인 휠 모터 시스템이 적용된 바퀴만 있다면 어떠한 형태로든 제작할 수 있다.

효율, 공간활용성, 성능 등 모든 부분에서 유리하며 특히 넓은 실내공간을 구현하는 데 유리하다. 변속기와 드라이브샤프트를 달 필요가 없어 바퀴 사이의 공간을 활용할 수 있으며 엔진이나 전기모터를 담아둘 보닛도 필요 없다.

굴림방식도 자유로워 모터를 집어넣는 쪽이 구동축이 된다. 네 바퀴 모두에 인 휠 모터 시스템을 적용하면 손쉽게 4WD 차량을 만들 수도 있고, 일반차를 하이브리드차로 만들 수도 있다.

각 바퀴에서 동력이 생산되기 때문에 90도 직각 주차나 360도 회전은 물론, 미끄럼 방지나 트랙션 컨트롤에서도 많은 이점이 있다. 그러나 각 바퀴의 무게가 늘어나고 현가하질량(unsprung mass)의 증가로 서스펜션 조율도 함께 이뤄져야 한다.

전 세계적으로 자동차의 전동화가 빠르게 진행되면서, 현재 많은 업체가 인휠모터시스템 개발에 열을 올리는 추세다. 현대모비스를 비롯한 혼다와 토요타, GM 등 여러 글로벌 완성차 업체들이 인 휠 시스템 상용화 개발에 치열한 경쟁을 벌이고 있다.

인휠모터시스템은 차세대 구동 장치로서의 가능성을 꾸준히 타진해왔다. 인휠 모터는 구동력을 직접 바퀴에 전달하기 때문에 에너지 효율이 높다. 아직 적용 예는 적지만 적용 가능성을 높여가는 방향으로 개발이 진행 중이다.

상용화를 가로막는 문제점

물론 인 휠 모터 시스템이 장점만 있는 것은 아니다. 다수의 모터를 제어해야 하기 때문에 고성능 프로세서와 정밀 센서가 필요하며, 정밀한 제어가 어렵다. 또한 더 큰 구동 토크를 얻거나 최대 속도를 높이기 위해 더 큰 모터를 사용하는 것이 어렵다.

또한 모터와 배터리를 연결하는 전원이나 신호 케이블의 단선 문제도 해결해야 할 문제다. 그러나 인휠모터 시스템은 실제 산업에서의 응용측면에서 휠이라는 제한된 공간에 여러 기계와 전자부품들이 복잡한 구조로 장착되기 때문에 부품의 소형화가 요구된다.

그 중 핵심부품인 모터는 소형화 및 고출력, 그리고 내구성 확보를 위하여 열에너지로 방출되는 코일의 동손(copper loss), 코어의 철손(iron loss), 베어링과 기어 등의 기계손, 풍손과 같은 손실(입력-출력)에너지를 소산시키는 경제적 냉각방식과 바퀴의 진동절연 대책이 병행되어야 한다.

상기 인휠모터시스템의 냉각과 진동절연문제는 전동축(transmission shaft)과 차동장치(Differential Gear)를 통해 동력을 각 바퀴에 전달하는 인라인(in-line) 전기구동 시스템과는 다르게, 노면 충격에 의한 진동이 가장 심한 위치의 좁은 공간에 모터가 장착되어야 한다.

따라서 내구성 확보가 곤란하고, 차륜 내 냉각수 배관이 어려워 공랭식 밀폐형 구조를 채택함으로써 고정자 코일 권선저항에 의한 동손과 로터 영구자석의 히스테리시스 손실 및 와전류 손실에 의한 발열과 방열, 경량화, 내습(耐濕)문제가 발생되어 고효율, 고성능화, 내구성 확보가 매우 어려운 과제이다.

특히 인휠 모터는 현가장치 아래에 위치하여 휠의 중량 증가하고 모터가 자동차 바퀴와 함께 상하운동을 함으로써 자동차의 운동성능에 커다란 영향을 끼치는 현가하질량 혹은 스프링 아래 질량(unsprung mass)의 증가로 관성력이 커져 주행 중 자동차 타이어가 노면에 밀착되는 로드홀딩(load holding, 접지력)의 악화와 스프링을 통해 차체에 전달되는 진동이 증폭되어 승차감을 저하시킨다.

인휠 모터 시스템은 정밀 제어가 어렵고 구조가 복잡하다. 다수의 모터를 제어해야 하기 때문에 고성능 프로세서와 정밀 센서가 뒷받침되어야 한다. 또한 가속 및 언덕 주행에 필요한 큰 구동 토크와 충분한 최대 속도를 달성하기 위해 원하는 대로 모터 사이즈를 늘릴 수 없다.

모터와 배터리를 연결하는 전원 케이블과 신호 도선의 단선 문제도 인휠 모터의 실용화를 막는 걸림돌이다. 때문에 일부에서는 무선 인휠 모터 개발도 진행하고 있다.

인 휠 모터 시스템은 기존 전기차 파워트레인과 비교했을 때 수준 높은 기술력이 필요하고, 생산 비용도 많이 들기 때문에 아직 가격 경쟁력이 떨어지는 것은 사실이다. 그러나 많은 업체가 인 휠 시스템을 차세대 성장동력으로 삼고 있는 만큼, 생산효율성과 경쟁력은 자연스럽게 올라갈 전망이다.

그리고 보다 콤팩트한 모터가 더 강력한 힘을 얻을 것이다. 기존 내연기관 자동차가 전기화를 거치면서 새로운 변화를 맞이했듯이 인 휠 모터 역시 미래 이동수단의 큰 패러다임을 제시할 것이다.

인휠모터시스템의 개발동향

근래 인휠모터 개발동향은 주로 회전자(로터)가 고정자(스테이터) 외측에 위치하여 다극구조와 고토크 출력에 유리한 외전형(exterior rotor type, 外轉型)의 형상과 유랭식 혹은 수랭식 냉각방식의 영구자석 동기전동기(permanent magnet synchronous motor: PMSM)방식으로 부족한 토크를 보완하기 위해 전동기에 감속기를 부가하고 전류밀도를 높이는 방향으로 개발되고 있다.

현재 현대모비스를 비롯해 혼다, 토요타 GM 등 여러 업체들이 인 휠 시스템 개발에 박차를 가하고 있으며, 프로틴 일렉트릭(Protean Electric)과 같은 인 휠 시스템 개발업체는 오빗(Orbit)이라는 인 휠 시스템 적용 자율주행차를 자동차 제조업체인 피스커를 통해 선보일 예정이라고 밝히고 있다.

인 휠 모터 시스템 분야에서는 단연 프로틴 일렉트릭이 선도적인 입지를 차지하고 있으며, 150여 개 특허와 프로틴드라이브(ProteanDrive) 시스템을 통해 시장을 주도해 나가고 있다. 국내에서는 그동안 자전거용 인휠 모터 시스템에서 쌓아온 노하우로 전기자동차용 통합형 모터2단변속기를 개발하는 데 성공했다고 발표했다.

현대모비스도 지난 2010년부터 인 휠 모터 시스템 개발을 시작해 2020년 인 휠 모터를 장착한 차량을 상용화할 계획이다. 이외에 일본의 NSK도 변속기가 내장된 전기자동차용 인휠 모터의 프로토타입을 공개한 바 있다.

인휠모터 시스템은 바퀴의 휠(wheel)안에 구동 및 제동 장치를 일체화한 것으로 전통적인 차동장치나 구동축 등의 동력전달계통(power train)의 부품을 제거하고 기계적 손실을 줄여 에너지 효율의 향상이 가능하다.

각 휠마다 구동력을 자유롭게 바꾸는 토크벡터링(torque vectoring)모션제어능동적인 디퍼렌셜 기능 제어로 주행성능과 조향성능을 향상시키며, 차량자세제어(electric stability control)자동주차 시스템(smart parking assist system)자율주행시스템(autonomous driving system)의 구현이 용이하다.

또한, 4륜 휠의 구동력과 제동력을 독립 제어함으로 빠른 응답성, 차량의 가감속 운동 제어와 선회운동 제어를 네 바퀴에서 직접 수행하여 고도의 운동성능 실현, 차량의 안정성 증대, 차량 중량감소연비개선, 실내 서비스 공간의 추가 확보차량 레이아웃이나 디자인의 자유도가 향상되는 장점을 가지고 있다.

 

  1. 포스트이후(After Corona)에도 질주할 전기차

자동차 산업은 코로나19로 가장 심각한 타격을 입은 업종이라고 해도 과언이 아니다. 근본적으로 거시경제 동향에 민감한 업종인데다, 교체수요가 상당부분을 차지하는 내구재이기 때문에 소비자들의 불안심리가 판매 감소로 직결된다.

자동차 업계는 최소 1년 이상의 대규모 판매 공백 이후 시장이 회복되는 시점이 기존의 기술과 시장 질서를 뒤엎을 만한 큰 전환기가 될 것이기 때문에 ‘포스트 코로나’ 시대의 ‘뉴 노멀’에 대비하여야 한다.

코로나19의 확산으로 글로벌 자동차 수요가 급감하면서 내연기관차에 대한 규제가 완화되고, 유가도 급락하면서 전기차 성장이 둔화될 것이라는 우려가 있다. 하지만, 이는 비상 상황에 발생하는 일시적 요인이다.

코로나이후에도 지속성장할 전기차

이는 전기차의 성장속도를 소폭 둔화시킬 수 있지만, 중장기 성장성을 변화시킬 요인은 아니다. 글로벌 전기차 시장은 연평균 25% 성장하면서 2025년 연간 860만대(시장침투율 9%)를 기록할 전망이다.

2020년에는 일시 정체되겠지만, 2021년 이후 자동차 수요의 회복과 정부 규제와 경제성 확보, 그리고 기술적 진전 등으로 전기차의 성장은 회복될 것이다. 전기차의 가격 경쟁력을 제고할 배터리 가격의 하락도 기대된다.

에너지 밀도 개선에 따른 배터리 용량 증대가 셀 메이커들의 전지 표준화로 이어지고, 이는 다시 배터리 가격 하락으로 연결되며 1kWh당 배터리 팩 가격은 2016년 270달러, 2020년 122달러, 2024년 98달러로 낮아질 전망이다.

전기차로의 변화는 단순한 동력원의 변화가 아니고, 전기차가 내연기관차 대비 자율주행과 공유경제에 유리한 시스템과 플랫폼이기 때문에 중요하다. 하드웨어 이상의 가치를 소프트웨어로 시현할 수 있어 테슬라를 위시한 IT 기반 완성차들이 시장 입지를 확대하고 있다.

세계 주요국들은 코로나19 사태로 인한 경기침체를 ‘그린뉴딜’로 부양하겠다고 나서고 있다.  그린뉴딜은 녹색산업 분야에 대한 대규모 투자로 환경문제에 대처하는 동시에 경기부양을 도모하는 정책으로 이 중 가장 대표적인 분야가 친환경차인 전기차이다.

한국자동차산업은 제조업 생산의 13%를 차지하고, 부가가치의 12%, 전체 고용의 약 12%를 담당하는 매우 중요한 산업영역이다. 여기에다가 철강, 비철금속, 유리 등 소재부터 운송, 정비, 광고, 금융 등 서비스에 이르기까지 모든 산업영역에 영향을 미치는 핵심산업이다.

이런 자동차산업이 지금 위기를 맞고 있다. 기존 내연기관 기반의 완성차들도 전용 플랫폼 개발과 신모델 출시를 통해 대응력을 늘리고 있다. 전기차 시장의 성장세가 높아지는 가운데 한국자동차산업은 경쟁력을 확보할 수 있을 것인가?

한국 자동차산업계는 파괴적혁신을 할 수 있는가?

와해성 혁신(瓦解性革新, disruptive innovation)은 업계를 완전히 재편성하고 시장 대부분을 점유하게 될 신제품이나 서비스를 의미하는 단어로 와해성 기술로도 불리우며 파괴적 혁신이라고도 한다.

와해성 혁신 전략은 획기적이고, 인류에게 놀라운 선물을 제공하여 인류문명을 몇 단계 끌어 올렸지만, 반면에 기존 시장과 비즈니스 세계를 혼란과 충격에 빠뜨리기도 한다. 더불어 대량 실업과 예측 불가능한 세상을 만들기도 한다.

와해성 혁신과 기술이 마냥 좋은 것만은 아니다. 와해성 혁신의 선두 기업인 애플은 수많은 기업들을 무너뜨렸으며, 소비자의 입장에서는 이런 혁신이 있을 때마다 색다른 경험을 할 수 있다는 취지에서 환영할 일일지도 모른다.

필름 카메라의 최강자였던 코닥, 세계 휴대폰 시장을 호령했던 노키아, 일본의 기술력을 대표하던 소니는 한때 세계 최고였으나 현재 존폐의 갈림길에 놓여 있다. 디지털카메라, 스마트폰, MP3라는 새로운 메가 트렌드를 과소평가하며 안일하게 대응했기 때문이다.

누구보다 앞서 사진산업의 미래를 예견하고 준비해 왔던 코닥은 1975년에 세계 최초로 디지털 카메라를 개발하였고 디지털카메라의 위협도 정확히 분석했다. 디지털이미지 처리 핵심특허를 다수 보유하고 있었으나 결국 파산했다.

지엠(GM) 같은 자동차업체들이 선구적으로 전기자동차를 개발해놓고도 대중화에 뛰어들지 않는 것 역시 기존 시장과 수익성 때문이다. 이동통신사들이 문자메시지의 미래를 알고 있고 충분한 개발 역량이 있지만, 카카오톡 같은 소규모 벤처기업에 시장을 내주는 것도 마찬가지다.

자동차 업계의 애플‘로 불리는 미국 전기차 업체 테슬라의 성장에는 미국 정부가 큰 역할을 했다. 캘리포니아주 프리몬트에 있는 테슬라의 첫 양산 공장은 글로벌 금융 위기가 한창이던 2010년 1월 미 정부의 대출금 4억6500만달러를 받아 지어졌다.

미 에너지부가 전기차 개발을 하는 민간 기업들을 위해 2009년에 만든 ‘첨단기술자동차제조’ (ATVM) 프로그램 덕분에 오늘날의 테슬라가 있는 것이다. 테슬라는 정부 대출금으로 공장을 완공, 2012년 선풍적 인기를 끈 ‘모델S’를 시판하기 시작했다.

2013년에는 예정보다 9년 먼저 정부 대출금을 다 갚았다. 테슬라는 지난 9일 미 증시에서 사상 최고 주가를 기록하면서 시가총액 1700억 달러를 가뿐히 넘겼다. 테슬라의 창업주인 일론 머스크가 만든 또 다른 혁신 기업 스페이스X도 마찬가지다.

자동차산업의 선제적 구조조정이 필요 

2019년 한국 자동차 생산 순위가 2년 연속 7위에 머물렀다. 특히 노사 분규 장기화에 따른 생산차질은 2009년(354만대) 이후 10년 만에 연간 400만대 생산 체계까지 허물었다. 지속된 경기 부진과 코로나19 탓에 올해 국내 자동차 산업 생태계의 붕괴가 현실화했다.

국내 자동차 산업을 지탱하는 마지노선으로 여겨지던 연 생산량 400만대, 내수 판매량 180만대가 동시에 무너졌다. 완성차 뿐만 아니라 부품업체 등 협력사들이 현재의 규모를 유지하려면 매년 400만대는 생산해야 한다.

5대 완성차 제조사(현대·기아·한국GM·르노삼성·쌍용)와 8800여 곳에 달하는 자동차부품산업의 부진을 계속 방치할 경우 한국경제는 걷잡을 수 없는 혼돈의 상황에 내몰릴 것이다. 이러한 상황을 타파하기 위해서는 자동차산업 생태계를 바꾸는 것에서 시작해야 한다.

모든 거래가 표준화와 모듈화를 기반으로 만들어진 경쟁력 있는 부품들을 바탕으로 이루어져야 한다. 이러한 표준화와 모듈화는 부품업체가 특정 완성차 업체에 매달리지 않고 자유롭게 글로벌화를 추진할 수 있다.

국내 자동차시장은 협소한데도 불구하고 동일한 부품으로 경쟁하는 회사도 많고 규모가 너무 작아 경쟁력이 없는 회사도 많다.

자동차산업의 선제적 구조조정을 통한 경쟁력강화가 필요하며 테슬라와 같은 전기차 전담 제조업체를 육성하여야 한다.

정부가 코로나19로 침체된 국내 자동차 업계 위기 극복을 위해 지원대책을 시행할 때 과잉생산과 과당경쟁이 일상화된 내연기관자동차 제조보다는 전기차 생산과 판매에 집중 지원함으로써 구조조정을 유도하여야 한다.

5대 완성차 제조사(현대·기아·한국GM·르노삼성·쌍용)와 8800여 곳에 달하는 자동차부품제조업체 중에서 기존 시장과 수익성을 갖는 내연기관 자동차 생산을 포기하고 전기차를 전담하여 개발하고 생산하는 제조업 생태계를 육성하여야 한다.

특별목적법인(Special Purpose Company)을 설립하여 R&D, 유통, 디자인, 시작품제작 등을 협업이나 협동조합과 같은 형태로 진행하고 정부의 집중지원으로 뒷받침하여 연평균 25% 고속성장하여 2025년 연간 860만대(시장침투율 9.0%)에 달하는 글로벌 전기차 시장에 대비하여야 한다.

전기차로의 변화는 단순한 동력원의 변화가 아니고, 전기차가 내연기관차 대비 자율주행과 공유경제에 유리한 시스템과 플랫폼이다. 테슬라를 위시한 IT 기반 완성차들이 시장 입지를 계속 확대하면 기존 내연기관 기반의 완성차 태계는 도태될 것이다.

지엠(GM) 같은 자동차업체들이 선구적으로 전기자동차를 개발해놓고도 대중화에 뛰어들지 않는 것 역시 기존 시장과 수익성 때문이다. 한때 자동차생산 세계5위, 현재7위 국가인 대한민국에 테슬라와 같은 전기차 전문제조업체는 반드시 필요하다.

Post Author: besetotube

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