아이오닉 5, 아이오닉 6, EV6, EV9 등 현대차그룹 전기차가 최고의 상품성을 갖추기까지 끊임없는 담금질이 계속되는 곳, 바로 남양기술연구소다. 

지난 27일 방문한 경기도 화성시에 위치한 현대차·기아 남양기술연구소에선 극한의 고온과 세찬 바람이 부는 상황 속에서 수소전기 트럭이 다이나모 위를 연신 달리고 있었다. 로봇이 자동차 문 열고 닫기를 무수히 반복하기도 했다. 

또 전기차 바퀴에 회전축을 연결해 고속으로 구동계 부품을 작동시켰다. 반도체 실험실을 연상시키는 밀폐 공간에서는 연구원들이 배터리 분석에 여념이 없다.

남양연구소는 1995년 출범한 종합기술연구소로 신차 및 신기술 개발은 물론 디자인, 설계, 시험, 평가 등 기반 연구시설을 두루 갖추고 있다. 현대차·기아는 남양연구소에서 전동화에 대한 치열한 연구를 거듭하며 전기차 시장을 선도하는 동시에 글로벌 시장에서의 입지와 영향력을 한층 더 강화해 나가는 중이다.

먼저 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 하는 곳이다. 

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'가 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. 시험이 이루어지는 구동계에는 냉각과 윤활을 위한 오일펌프, 냉각수 쿨러와 배터리 시뮬레이터 등이 연결돼 있어 다양한 충전 상태(SOC) 조건에 따른 평가와 개발이 가능하다.

연구원들은 모니터를 통해 방금 시험된 모터의 토크, 전력, 전류 맵, 구동·시험 효율 특성에 대한 결과를 확인할 수 있었다. 담당 연구원에 따르면 1축 동력계 시험실에서 국가별 모터, 인버터 기준 및 요구 조건에 대한 연구 시험도 수행하고 있어, 글로벌 시장용 제품 개발에서도 중요한 역할을 담당한다고 한다.

2축 동력계 시험실은 모터와 인버터에 감속기, 구동축을 추가해 실제 차량의 구동계를 모사한 환경이 구축돼 있었다. 전기차 구동계 시스템이 작동되자 이와 연결된 구동축이 실제 주행하는 것처럼 빠르게 회전했다. 시험실 한쪽에는 구동계와 연결된 전자식 오일펌프(EOP)가 보였다. 이를 통해 고열로 인한 영향이나 냉각 성능을 더욱 정확하게 평가하고, 최적화 매핑이 진행됐다.

마지막으로 아이오닉 5가 올라가 있는 4축 동력계 시험실은 실체 차량을 직접 구동해 사륜구동(AW) 포함 구동계 전체의 시험 평가가 가능한 곳이었다. 특이한 점은 운전석에 로봇이 기어, 액셀, 브레이크 등을 조작하고 있다는 점이었다. 운전자의 역할을 대체하는 이 로봇은 가속과 제동을 위해 페달을 밟는 동작을 사람과 유사하게 따라 하고, 심지어 자동으로 변속까지 할 수 있었다.

이어 방문한 '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 환경 하에 운영되고 있었다. 분석을 위해 배터리가 처음 옮겨지는 장소는 '셀 해체실'이다. 배터리 셀의 구조 파악과 구성 소재 분석을 위한 시료 채취 작업이 진행됐다. 

채취된 시료는 드라이룸의 '전처리실'로 옮겨졌다. 이곳에서는 정밀 분석 장비에 시료가 장입될 수 있도록 글로브 박스 내에서 시료 절단 및 샘플링 작업이 진행됐다. 샘플링 된 시료는 이후 '메인 분석실'로 이동했다. 이곳에서는 배터리 구성 소재에 대한 기본적인 재질 및 화학구조 분석 등 정밀 분석이 진행됐다. 분석 장비 가운데 레이저 광원을 활용, 물질 간 결합을 분석하는 라만분광분석기를 자세히 살펴볼 수 있었다. 

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. 

다음으로 방문한 상용시스템시험동은 차량 개발 및 평가에 필요한 300여가지 시험을 한 곳에서 진행할 수 있는 공간이다. 4400여평에 달하는 면적으로 국내 최대 규모를 자랑하는 거대한 시험동에서는 실차 거동 재현과 필드 환경을 반영한 차량 평가 검증이 한창이었다. 일직선으로 길게 뻗은 시험동 내부는 차체∙안전, 조향∙현가, 구동∙제동, 품질∙내구, NVH 등 크게 다섯 가지 구역으로 이뤄졌다. 

로봇시험실에 들어서자 로봇 팔이 차 문을 일정한 강도로 열고 닫기를 반복하며 부품의 내구성을 시험하는 테스트가 진행되고 있었다. 담당 연구원에 따르면 문을 여닫는 강도는 실제 사람의 힘과 동일하며, 충분한 내구성 데이터 확보를 위해 로봇이 24시간 내내 몇 달간 시험을 계속하는 경우도 있다고 했다. 

이어 방문한 BSR 시험실은 사방이 삼각뿔 모양의 흡음재로 둘러 쌓여 있었다. 차량 부품간 발생하는 민감한 소음까지 잡아내기 위해 시험실 내부는 귀가 먹먹할 정도로 소음이 없는 공간이었다. 차량에서 발생하는 이음은 다양한 온도와 진동 조건에서 발생하기 때문에 이러한 환경 조건까지 구현이 가능했다.

조향∙현가 구역으로 넘어가자 거대한 장비들이 대화가 어려울 정도의 굉음을 내며 돌아가고 있었다. 한쪽에는 유압 액추에이터로 구동되는 육중한 로봇이 전기버스 일렉시티의 서스펜션을 연신 흔들며, 서스펜션의 내구성을 시험하고 있었다. 타이어에 직접 하중을 가하며 로봇이 다양한 방향의 움직임과 회전을 구사할 수 있어 혹독한 상황을 가정한 테스트가 가능했다.

조향성능내구시험은 24시간 연속으로 진행되지만, 주행거리가 승용차 대비 긴 상용차의 특성을 고려, 시험 기간만 몇 달이 걸리는 경우가 많다. 이를 통해 얻은 데이터들은 내구성이 뛰어난 우수한 품질의 차를 만드는 기반이 된다. 

구동∙제동 구역 다이나모 무향실에서는 유니버스의 브레이크 소음을 평가하는 테스트가 진행되고 있었다. 최고 수준의 브레이크를 개발하기 위해 한달 반의 기간동안 정해진 시험조건에 따라 반복적인 제동시험이 이뤄진다.

여러 설비를 지나 상용시스템시험동의 마지막 구역인 NVH 다이나모 무향실에 도착했다. 문을 열고 안으로 입장하자 1만3000개의 흡음재로 빼곡히 둘러싸인 7.5m 높이의 방음벽이 눈에 들어왔다. NVH 구역에서는 엔진 구동계 소음부터 실내외 소음까지 실제 차량에서 발생할 수 있는 모든 소음을 평가한다. 기자가 방문한 이날에는 수소전기 유니버스의 소음에 대한 테스트가 진행되고 있었다.

남양연구소 투어의 대미를 장식한 곳은 압도적 기술력과 스케일을 자랑하는 상용환경 풍동실이었다. 상용환경시험동내 3개 시험실 중 하나인 상용환경풍동실은 내연기관 및 친환경 상용차(전기차·수소차 등)를 연구하고 테스트하는 곳으로, 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.

풍동실 내부 천장 및 측면에 태양광 장비가 설치되어 있어 마치 화창한 여름날 야외 풍경을 보는 듯한 느낌이 들었다. 실제로 풍동실 안에 들어가 보니 후덥지근한 열기가 느껴졌다. 시험실 온도가 중동 지역 테스트 기준 온도인 45℃에 맞춰져 있었기 때문이었다. 실제 45℃ 환경에 방치한 자동차의 실내 온도는 보통 60℃ 이상으로 올라가는데, 상부의 Solar 시스템이 이와 같은 온실효과를 동일하게 재현하여 미국 현지 판매 조건으로 시험을 했다.

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. 

이강웅 상용연비운전성시험팀 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.

/지피코리아 김기홍 기자 gpkorea@gpkorea.com, 사진=현대차