전기차·수소전기차 등…친환경차 글로벌 톱티어 원동력
극한의 조건까지 실험 가능…해외 협업 요청 쏟아져
차세대 PE(Power Electric) 시스템·배터리 셀 개발 지속

[제공=현대자동차그룹]

“이곳은 내연기관과 친환경 상용차 모두 개발 가능한 공간입니다. –40℃부터 60℃까지 조절할 수 있는 데다가, 안전성까지 갖춰 수소차에 관심이 높은 스위스, 중국, 중동 등에서 지속해 협업 요청이 들어오고 있습니다.”

이강웅 상용연비운전성시험팀 책임 연구원은 남양 연구소의 자랑인 ‘상용환경풍동실’을 소개하며 이같이 말했다.

현대자동차그룹은 명실상부 글로벌 ‘톱3’ 기업이자 친환경차 부문 글로벌 톱티어로 꼽힌다. 실제로 현대차그룹의 전기차 라인업은 미국, 유럽, 아시아 등 세계 각지 영향력 있는 자동차 기관과 매체가 주관하는 시상식을 석권하며 경쟁력을 입증하는 중이다. 특히 E-GMP 기반의 전기차들이 세계 3대 올해의 차를 모두 휩쓰는 등 남다른 행보를 이어가고 있다.

이 같은 저력엔 남양연구소가 있다. 남양연구소는 지난 1995년 출범한 종합기술연구소로 신차 및 신기술 개발은 물론 디자인, 설계, 시험, 평가 등 기반 연구시설을 두루 갖추고 있으며, 승용∙상용 등 전 차종에 대한 연구개발을 책임지고 있다. 최근에는 전 세계적으로 불고 있는 전동화 트렌드에 발맞춰 전기차, 수소전기차 개발 역량 확보에 초점을 맞추고 있다.

전기차 시대에는 내연기관차 대비 진입 장벽이 낮아지면서 중국 자동차 업체들이 우후죽순으로 생겨나는 등 시장 경쟁이 한층 뜨겁게 달아오르고 있다. 전기차 기술이 상향 평준화되고 있는 상황에서 현대차·기아는 작은 차이로부터 더 큰 상품 경쟁력을 확보하기 위한 연구개발을 이어가는 중이다.

지난 27일 경기도 화성시에 있는 남양연구소를 찾아 차량 개발의 주요 프로세스를 담당하는 ▲상용환경풍동실 ▲상용시스템시험동 ▲전기차 동력계 시험실 ▲배터리 분석실을 방문했다.

전기차의 성능을 결정짓는 핵심 요소인 PE(Power Electric) 시스템과 배터리 연구 시설부터 실차 조건의 시스템 평가를 통해 모든 부품의 내구성을 시험하는 대규모 연구동, 극한의 기후 환경을 재현할 수 있는 세계 최대 규모의 풍동 시설을 둘러볼 수 있었다.

[제공=현대자동차그룹]

세계 최대 친환경 상용차 개발을 위한 풍동 시험장 - 상용환경풍동실

새로운 자동차가 개발 후 양산화 단계까지 가기 위해서는 거쳐야 할 관문이 매우 많다. 차체의 안전과 내구성은 물론 수많은 차량 내 부품이 기후 및 도로 환경, 운전자 특성, 법규 등의 기준을 충분히 만족하는지 검증하기 위해서는 다양하고 혹독한 시험대를 거쳐야 한다.

상용환경풍동실은 상용환경시험동내 3개 시험실 중 하나로, 내연기관 및 친환경 상용차(전기차, 수소차 등)를 연구하고 테스트하는 곳이다. 이 곳엔 주행 환경시험을 위한 다양한 융복합 연구 장비들이 대거 설치돼 있다.

환경풍동시험실에서는 냉각, 열해, 연비, 냉시동, 히터/에어컨, 충·방전, 동력, 모드 주행, 배기가스인증 등 실차 주행 성능시험을 종합적으로 진행할 수 있다. 실내 온도를 –40℃~ 60℃까지, 습도를 5%~ 95%까지 조절할 수 있어 세계 곳곳의 날씨는 물론, 극한 환경까지 재현 가능하다는 점이 큰 특징이다. 더욱이 3.3m의 대형 팬으로 시속 120km에 달하는 기류를 만들어 실제 주행 조건과 동일한 시험도 할 수 있다.

제어실로 입장하자 엑시언트 수소전기 트럭이 비치된 환경풍동실이 눈앞에 펼쳐졌다. 환경풍동실 내부 공간은 길이 20m, 너비 10m, 높이 6.6m에 달할 정도로 세계 최대 규모를 자랑한다. 바람을 일으키기 위한 유로 시스템까지 포함하면 시설 규모는 더욱 커진다.

풍동실 내부 천장 및 측면에 태양광(Solar) 장비가 설치돼 있다. 취재진의 편의를 위해 시험실 온도를 35℃에 맞췄음에도 들어가자 마자 후끈거림을 느낄 수 있었다. 실제로는 중동 환경에 맞춰 45℃로 실험하는데, 방치한 자동차의 실내 온도는 보통 60℃ 이상으로 올라간다. 남양연구소는 온실효과를 동일하게 재현해 연구·개발, 미국 현지 판매 조건으로 시험하고 있다.

환경풍동시험실은 상용 전기차 개발에도 유용하게 쓰인다. 온도에 따라 효율이 달라지는 전기차의 특성상 배터리 충·방전 및 냉각 성능 등 각종 성능을 확인할 수 있기 때문이다. 실제로 이 시험실에는 400kW급 초고속 충전기 3대가 마련돼 있어 언제든지 혹서, 혹한의 상태에서의 배터리 충전 효율을 점검할 수 있다. 이외에도 수소차의 연비를 중량법으로 시험 가능한 수소 공급 전용 설비 또한 마련돼 있다.

게다가 실도로 주행 시험을 위해 1000마력 다이나모 모터는 물론 세계 현지 모드를 재현할 수 있도록 160인치 모니터로 구성된 도로영상 주행 보조 시스템을 갖추고 있어 다양한 상황에 맞춘 테스트도 가능하다.

실험실 관계자는 장시간의 시험과 반복 재현성이 필요한 경우 로봇 드라이빙을 이용한 시험도 진행한다고도 설명했다. 로봇은 주행 사이클에 맞춰 자동차를 스스로 운행한다. 로봇을 이용한 평가는 사람의 운전 패턴과 유사한 재현성으로 신뢰성 높은 데이터를 만들어 낸다.

이날 현장에서는 고온 조건 테스트 시연과 함께 유동 가시화 시험을 실제로 지켜볼 수 있었다. 유동 가시화 시험은 풍동 내부에 가스를 분사시켜 차량 주변의 공기 흐름을 확인함으로써 공력성능 향상에 기여하는 테스트다.

환경풍동시험실의 또 다른 특징은 바로 안전이다. 상용 전기차 및 수소차를 전문적으로 연구하는 시설인 만큼 최첨단 안전시스템을 갖추고 있다. 시험실 내부 모든 시설물은 수소 방폭 설비로 되어 있으며, 화재를 방지하기 위한 각종 감지기(열/연기/불꽃/수소 등)와 자진 소화 설비까지 갖추고 있다. 이러한 노력 덕분에 과학기술정보통신부와 국가연구 안전관리본부에서 인증하는 ‘안전관리 우수연구실’ 자격도 실차를 시험하는 시험실로는 최초로 획득했다고 한다.

이강웅 책임 연구원은 “이러한 희소성과 기술력 덕분에 국내 정부부처/학계/자동차업계를 비롯해 해외에서도 수많은 기업과 정부 기관이 연구 및 비즈니스 협업을 위해 계속해서 환경풍동실을 방문하고 있다”고 설명했다.

[제공=현대자동차그룹]

운전자를 위한 모든 조건을 평가하다 - 상용시스템시험동

‘상용시스템시험동’은 차량 개발 및 평가에 필요한 300여가지 시험을 한 곳에서 진행할 수 있는 공간이다. 상용시스템시험동에서는 상용차의 특수성을 반영한 환경 및 성능 조건의 시스템 단위 평가를 통해 자동차의 내구성을 시험하고 최적화한다. 현대차∙기아의 모든 상용차는 이곳에서 혹독한 시험을 거쳐 개발된다. 평가 조건은 일부 다르겠지만 구조적으로는 승용차 시험 연구와 거의 동일한 프로세스로 볼 수 있다.

4400여평에 달해 국내 최대 규모를 자랑하는 거대한 시험동에서는 실차 거동 재현과 필드 환경을 반영한 차량 평가 검증이 한창이었다.

시험동 내부는 차체∙안전, 조향∙현가, 구동∙제동, 품질∙내구, NVH 등 크게 다섯 가지 구역으로 이뤄졌다. 차체∙안전 구역에서는 차량 내외부의 안전을 테스트하는 충돌 시험과 기후환경을 재현한 시험 장비들을 볼 수 있었다.

로봇시험실에 들어서자 로봇 팔이 차 문을 일정한 강도로 열고 닫기를 반복하며 부품의 내구성을 시험하는 테스트가 진행되고 있었다. 문을 여닫는 강도는 실제 사람의 힘과 동일하다. 로봇은 충분한 내구성 데이터 확보를 위해 24시간 내내 몇 달간 시험을 계속하기도 한다.

조향∙현가 구역은 로봇이 끊임없이 서스펜션을 흔들어 내구성을 테스트한다. 주행거리가 승용차 대비 긴 상용차의 특성을 고려, 시험 기간만 몇 달이 걸리는 경우가 많다. 일반적으로 상용차의 누적 주행거리가 100만km를 넘는다는 점을 고려해 브레이크 성능 테스트 등도 꾸준히 이뤄진다.

사방이 삼각뿔 모양의 흡음재로 둘러 쌓인 BSR(Buzz, Squeak, Rattle) 시험실은 차량 소음을 측정하는 곳이다. 차량 부품간 발생하는 민감한 소음까지 잡아내기 위해 시험실 내부는 귀가 먹먹할 정도로 모든 소음을 차단한다.

이진원 상용내구시험팀 책임연구원은 “앞으로 모빌리티의 발전방향이 전기차와 같이 점점 더 조용함을 추구하기 때문에 이러한 BSR 소음을 평가하는 시험이 보다 중요해질 것”이라고 말했다.

[제공=현대자동차그룹]

전기차의 심장을 개발하는 고성능 EV의 산실 - 전기차 동력계 시험실

전동화시험센터는 현대차그룹의 전동화 체제 전환에 따라 기존 파워트레인 개발 조직이 전동화 조직으로 개편됐다. 이곳에서는 신차가 양산에 이르기 전까지 충분한 성능 개발을 통해 EV 품질을 개선하고 확보하는 활동을 담당한다.

이번에 방문한 곳은 전동화시험센터 내에 있는 ‘전기차 동력계 시험실’로 EV 핵심 구동계인 모터와 인버터의 성능을 사전 개발하고 실차 효율을 평가해 전기차가 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 연구한다.

이 시험실은 실도로에서 이뤄지는 주행 테스트와는 달리 실내 시험 공간 내에서 가혹한 테스트를 반복해서 진행할 수 있는 장점이 있다. 다양한 상황과 조건을 모사해 개발 과정에서 발생하는 문제에 대한 신속한 원인 파악과 개선으로 EV의 품질 제고 및 강건화를 가능하게 한다.

시험실에 들어서자 좌우에 위치한 여러 개의 시험실 유리창 너머로 ‘위이잉’ 대는 모터 소리가 들려왔다. 총 3곳으로 이루어진 시험실 내부에는 모터와 인버터를 측정하는 커다란 장비들이, 그리고 한쪽에는 현대차 아이오닉 5 차량이 장비에 맞물려 있었다.

곽호철 전동화구동시험3팀 책임연구원은 “모터 단품 시험부터 차량 양산까지 종합적인 평가를 수행할 수 있는 대표적인 3가지 동력계 시험을 진행하고 있다”며 “동력계 장비의 개수에 따라 크게 1축과 2축, 그리고 4축 동력계 실험실로 나눠 운영된다”고 설명했다.

1축 동력계 시험실은 모터와 인버터의 기본 특성에 대한 시험을 하는 곳으로 단품 시험이 이뤄지는 곳이다. 주로 차량 개발 초기 단계에 이루어지는 시험으로 모터 시스템의 성능, 효율 개발을 목적으로 한다.

연구원들은 모니터를 통해 방금 시험 된 모터의 토크, 전력, 전류 맵, 구동 및 시험 효율 특성에 대한 결과를 확인할 수 있었다. 1축 동력계 시험실은 국가별 모터, 인버터 기준 및 요구 조건에 대한 연구 시험도 수행하고 있어, 글로벌 시장용 제품 개발에서도 중요한 역할을 담당한다.

2축 동력계 시험실은 모터와 인버터에 감속기, 구동축을 추가해 실제 차량의 구동계를 모사한 환경이 구축돼 있다. 파워 일렉트릭(PE, Power Electric) 시스템 전체의 효율과 매핑, 냉각, 열해 시험으로 필드에서 발생할 수 있는 문제를 사전 검증하는 것을 목적으로 한다.

전기차 구동계 시스템이 작동되자 이와 연결된 구동축이 실제 주행하는 것처럼 빠르게 회전했다. 시험실 한쪽에는 구동계와 연결된 전자식 오일펌프(EOP, Electric Oil Pump)가 보였다. 이를 통해 고열로 인한 영향이나 냉각 성능을 더욱 정확하게 평가할 수 있으며 해당 시험 결과를 기반으로 최적화 매핑이 진행된다.

마지막으로 아이오닉 5가 올라가 있는 4축 동력계 시험실은 실체 차량을 직접 구동해 사륜구동(AWD, All wheel drive) 포함 구동계 전체의 시험 평가가 가능한 곳이다. 배터리 시뮬레이터를 사용했던 1, 2축 시험실과 달리 전기차에 탑재되는 실제 배터리를 직접 활용하며, 고객의 주행 환경과 동일한 조건에서 평가가 이루어지기 때문에 모든 영역에서의 EV 성능을 가장 정확하게 검증할 수 있다.

대표적인 시험 항목으로 파워 일렉트릭 시스템 효율, 매핑 검증, 에너지 손실 분석, 냉각 및 열 관리 등이며, 전비 평가와 같은 인증 관련 시험도 이루어진다. 또한 전기 모터가 과열되지 않게 출력을 제어하는 ‘부하경감(Derating) 현상’ 최소화 연구와 함께 경쟁사 차량 시험을 통해 PE 시스템 개발 방향을 분석하기도 한다.

특이한 점은 운전석에 로봇이 기어, 액셀, 브레이크 등을 조작하고 있다는 점이다. 운전자의 역할을 대체하는 이 로봇은 가속과 제동을 위해 페달을 밟는 동작을 사람과 유사하게 따라 하고, 심지어 자동으로 변속까지 할 수 있다.

에너지 손실을 최소화하고 효율을 극대화하기 위한 현대차·기아의 노력은 결실로 이어지고 있다. 최근 미국 환경보호국(EPA)이 발표한 2024년형 차량 연료소비효율에 따르면 아이오닉 6 롱레인지 후륜모델이 복합연비 140MPGe로 1위를 차지했다.

현대차·기아 전동화구동시험 담당 연구원들은 전기차 동력계 시험실에서 얻은 다양한 데이터를 공유하며 전기차 설계 및 개발 관련 부서들과 긴밀히 협업하고 있다. 예컨대 설계 측면에서 의도된 사양의 성능과 효율이 제대로 구현되는지 검증하고, 부족하다고 판단하는 부분은 시험 데이터를 분석해 개선 방안을 제시하는 형태다. 또한 시험 결과를 바탕으로 신차의 콘셉트나 기술 전략 수립에 도움을 주고 있다.

전기차 동력계 시험실은 현대차그룹의 고성능 전기차 탄생에서도 핵심적인 역할을 담당한다. 일반적인 전기차와 달리 고성능 전기차는 가혹 조건에서의 주행을 고려해 제작되는데, 전기차 동력계 시험실에서는 아이오닉 5 N이 도달할 수 있는 시속 260km의 초고속 시험이나 극한의 부하 조건을 구현할 수 있다. 이러한 데이터 습득과 평가는 고성능 전기차 개발의 단초가 된다.

[제공=현대자동차그룹]

차세대 배터리 기술 내재화의 중심 - 배터리 분석실

기초소재연구센터 소속 ‘배터리 분석실’은 전기차의 핵심 부품인 배터리를 분석해 세부 구성 물질을 연구하는 곳이다. 배터리 셀을 구성하는 소재에 대한 정밀 분석을 통해 셀의 성능, 내구성, 안정성 등을 전체적으로 평가한다. 현대차∙기아가 자체 연구하고 있는 차세대 배터리에 적용될 신규 소재에 대한 분석도 진행하고 있다.

배터리 분석실은 소재 연구 특성상 온/습도가 일정하게 유지되는 드라이룸 안에서 운영하고 있다. 이재욱 재료분석팀 팀장은 “전기차 배터리는 소재 특성상 수분에 매우 민감하기 때문에, 일정 온도와 습도 조건을 유지하는 것이 중요하다”면서 “드라이룸이라는 특수환경에서 셀을 해체하고 분석을 진행해야 신뢰성 있는 분석 결과를 확보할 수 있기 때문”이라고 말했다.

분석을 위해 배터리가 처음 옮겨지는 장소는 ‘셀 해체실’이다. 배터리 셀의 구조 파악과 구성 소재 분석을 위한 시료 채취 작업이 진행된다.

셀 해체실 공간은 혹시 모를 화재 위험을 방지하기 위해 바닥, 벽면, 천장을 비롯해 테이블과 같은 기본 설비 모두 스테인리스 스틸 소재로 마감돼 있다. 또 해체실 한편에는 자동소화 설비가 적용된 흄후드와 각종 화재 차단 설비가 곳곳에 비치돼 있다.

정이든 재료분석팀 파트장은 “배터리 셀 해체 시 발생할 수 있는 화재 발생 가능성을 최소화하고 위험 상황을 대비하기 위해 2023년 연구소 최초로 셀 해체 전용 공간을 구축했다”고 설명했다.

채취된 시료는 드라이룸의 ‘전처리실’로 옮겨진다. 이곳에서는 정밀 분석 장비에 시료가 장입될 수 있도록 글로브 박스 내에서 시료 절단 및 샘플링 작업이 진행된다. 이러한 작업이 필요한 이유는 배터리를 구성하는 일부 소재는 수분과 산소에 매우 민감하여 시료 샘플링 과정에서 해당 소재가 손상될 수 있기 때문이다.

샘플링 된 시료는 이후 ‘메인 분석실’로 이동한다. 이곳에서는 배터리 구성 소재에 대한 기본적인 재질 및 화학구조 분석 등 정밀 분석이 진행된다.

분석 장비 가운데 레이저 광원을 활용, 물질 간 결합을 분석하는 라만분광분석기를 자세히 살펴볼 수 있었다. 시료 표면에 레이저를 쬐어 나온 신호를 기반으로 물질 특성을 분석하는 장비로, 반도체 웨이퍼나 배터리 분리막 코팅 소재 등의 구조 분석에도 활용된다고 한다.

이외에도 배터리 분석실에서는 다양한 시험을 통해 배터리 설계 사양 및 내구성, 충·방전 조건에 따른 성능과 수명 평가 등을 확인하며 필드에서 발생할 수 있는 모든 품질 문제에 대응한다. 또 현대차∙기아가 자체 연구 중인 차세대 배터리에 적용될 신규 소재에 대한 분석도 진행하고 있다.

현대차∙기아가 배터리 소재 기술을 집중 연구하는 것은 차세대 배터리 개발의 출발점이기 때문이다. 소재 단계에서 그 특성을 이해하고 개선하면 문제점을 미리 알고 예방할 수 있으며, 최적의 소재 개발을 통한 전체적인 완성도도 높일 수 있다. 전기차 혁신을 선도하기 위해 소재 단위까지 연구하는 모습처럼, 미세한 격차를 만들기 위한 현대차∙기아의 노력은 지금도 계속되고 있다.

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