현대차그룹, 모하비 사막에서 극한 테스트

좋은 성능의 자동차를 만드는 데 지름길은 없다. 문제를 찾고 개선하기 위해 최선을 다할 뿐이다. 이것이 바로 현대자동차와 기아가 극한의 테스트 환경에서 차량을 밀어붙이는 이유다.

미국 서부에서 가장 건조한 땅인 모하비 사막 서쪽의 캘리포니아시티에는 현대자동차와 기아의 캘리포니아 주행시험장(모하비 주행시험장)이 자리 잡고 있다. 세계 자동차 어워드에서 화려한 수상 실적을 거둔 현대차·기아 전기차의 뛰어난 성능과 높은 품질은 바로 이곳에서 완성된다.

오늘날의 자동차는 기계공학, 전기, 전자 등 다양한 기술의 집합체다. 자동차를 구성하는 요소가 크게 늘어난 상황에서 높은 품질을 확보하려면 실제 도로 조건을 뛰어넘는 혹독한 시험이 필요하다. 컴퓨터 시뮬레이션으로는 찾을 수 없는 문제를 발견하고 해결해 기술적 완성도를 높이기 위함이다.

현대자동차와 기아는 극한의 조건을 찾아 2005년 모하비 주행시험장을 완공했다. 이 지역은 사막 기후로 매우 건조하다. 여름철 평균 기온은 39℃, 지면 온도는 54℃를 넘는다. 반면 겨울철 평균 기온은 26℃로 온화하지만, 폭풍이 몰아칠 때는 폭우가 쏟아진다. 이처럼 모하비 주행시험장에서는 다양한 조건에서 테스트를 진행할 수 있다.

모하비 주행시험장은 약 1,770만㎡(약 535만 평) 규모로, '고속 주회로', '범용 시험장', '장판 시험로' 등 12개의 시험로를 갖추고 있으며, 모든 시험로를 펼치면 길이가 무려 61km에 달한다. 이와 유사한 규모의 미국 내 주행시험장은 GM, 포드, 도요타 등 글로벌 완성차 업체만이 보유할 정도로 대규모다.

모하비 주행시험장에서는 현지 적합성 시험, 북미 법규 시험, 내구 시험, 소재 환경 시험 등이 진행된다. 현대자동차와 기아의 미국기술연구소 이승엽 부사장은 모하비 주행시험장을 소개하며 다음과 같이 설명했다.

"이곳에서 진행되는 시험은 크게 다섯 가지로 나눌 수 있다. 현지 적합성 시험은 승차감, 조종 안정성, 소음 등 제품 관련 분야를 다루고, 북미 법규 시험은 차량 전복, 제동 거리, 회피 속도 등 안전 관련 성능을 검증한다. 내구 시험은 다양한 노면에서의 차량 상태를 측정하고, 소재 환경 시험은 부품의 내구성을 평가한다. 또한 북미 시장에서 인기가 높은 SUV의 거친 노면 주행과 견인 능력 시험에도 주력하고 있다."

모하비 주행시험장에서는 현대차·기아의 미국기술연구소를 비롯해 전 세계 연구원들이 시험에 참여하고 있다. 연간 300대 이상의 차량을 시험하며, 시험장에서만 미국 전역을 평균 20만km 주행한다. 모하비 주행시험장은 현대차가 어떤 환경에서도 안전한 모빌리티를 제공하겠다는 의지의 결과물이다. 북미 및 글로벌 판매 증가의 원동력이자, 전기차와 SUV 시장에서 강력한 입지를 구축할 수 있었던 기반이다.

뜨거운 사막에서 전기차의 열기를 판단하다

현재 글로벌 자동차 시장이 전동화로 빠르게 전환되고 있는 가운데, 현대차와 기아는 전동화 시스템 전환에 가장 성공한 기업으로 평가받고 있다. 특히 현대차그룹의 E-GMP 기반 전용 전기차 모델들은 전 세계 시장에서 호평을 받으며 독보적인 존재감을 드러내고 있다.

현대차그룹의 E-GMP 기반 전용 전기차 모델들은 높은 완성도를 자랑한다.

현대차와 기아 전기차의 높은 인기 배경에는 완성도가 자리 잡고 있다. 전기차의 완성도를 높이기 위한 요구 사항은 내연기관차와 다르다. 전기차는 고밀도 배터리를 탑재해 내연기관차보다 300kg 이상 무거워진다. 서스펜션, 타이어, 차체 등에 가해지는 하중을 견딜 수 있는지가 핵심 평가 요소다. 여기에 1분에 1만 회 이상 회전하는 모터와 고전압 전류에서 발생하는 열을 관리하는 것도 중요한 평가 항목으로 꼽힌다.

현대차와 기아는 극한 환경에서의 열 관리 성능을 시험하기 위해 모하비 주행 시험장을 적극 활용하고 있다. 기온이 45℃를 넘고 일사량이 제곱미터당 1,000W 이상인 날에는 전기차의 집중적인 열 관리 및 냉각 성능 시험이 진행된다. 이승엽 전무는 전기차 성능 시험에 대해 다음과 같이 설명했다.

“전기차는 내연기관차보다 무겁습니다. 따라서 승차감과 조종 안정성 등 주행 성능 시험이 매우 중요합니다. 그리고 전기차 고유의 충전, 방전, 주행 거리, 열 관리 등의 시험도 모하비 주행 시험장에서 진행하고 있습니다. 이것이 전기차 시대가 도래하면서 전동화 관련 많은 신기술을 검증할 수 있었던 배경입니다.”

현대차와 기아는 전기차 시대에 맞춰 열 관리 및 냉각 성능 시험의 강도를 더욱 높였다. 트레일러 견인, 등판, 고속 주행, 굽은 길 등 무거운 하중이 가해지는 가혹한 주행 조건에서도 모터나 배터리 시스템에 과도한 열이 발생하지 않도록 냉각 성능을 개선하고 열 관리 시스템을 최적화하기 위해서다.

예를 들어 아이오닉 5 N의 경우, 개발 과정에서 주요 목표는 가혹한 주행 조건에서도 배터리 온도가 60℃를 넘지 않도록 제어하는 것이었다. 모하비 주행 시험장에서 급속 충전과 주행을 무수히 반복한 끝에 효율적인 에너지 관리와 주행 성능 극대화라는 상충되는 목표를 모두 달성할 수 있었다.

성능 개선을 위한 노력은 모하비 주행 시험장 밖에서도 계속된다. 미국 전역이 현대자동차와 기아의 시험 무대다. 지난해 모하비 주행 시험장 연구원들은 데스밸리, 미네소타, 오리건 등 미국 내 다양한 환경에서 전기차의 배터리 안전성과 열에너지 관리를 최적화하기 위해 약 10주를 보냈다.

전기차의 성능 시험에는 당연히 '고속 주행'도 포함된다. 길이 10.3km의 타원형 3차선 트랙인 고속 주회로는 미국 고속도로를 재현했다. 모하비 주행 시험장에서 가장 큰 시험장이며, 시속 200km까지 주행이 가능하다. 규모가 큰 만큼 한 바퀴 도는 데 3분이 걸린다.

신차는 고속 주회로에서 가혹한 종합 내구 시험을 거친다. 평균 3개월간 고속 주행을 반복하며 차량의 노후화를 측정한다. 동시에 구동계 성능, 풍절음 평가 등 다양한 시험도 진행된다. 차량 한 대당 3만 마일(약 4만 8000km)을 주행하며, 시험을 통과하려면 4000바퀴 이상을 달려야 한다.

모하비 주행 시험장에는 차체 하부에 배터리를 탑재한 전기차의 성능을 평가하기 위한 다양한 노면도 마련되어 있다. 다양한 외부 도로 환경 조건을 고려해 고정로, 장파로, 오프로드(험로) 등 총 16종의 노면에서 차량 하부의 내구성을 평가한다.

내구성 테스트는 매우 가혹해서 일반 도로에서 10만 마일(약 16만 km)을 주행하는 효과를 단 1만 마일(약 1만 6,000km) 주행만으로 얻을 수 있다. 특히 비틀림 노면은 실제 배터리와 차량 내구성에 큰 영향을 미치는 상황을 실제보다 더 가혹하게 만든다. 현대자동차와 기아는 이곳에서 약 500회의 주행 테스트를 통해 극한의 내구성을 확보한다.

극한 환경을 견디는 부품 내구성

현대자동차와 기아는 모하비 주행 시험장의 고온 환경을 활용해 차량 각 부품이 열에 어떻게 영향을 받는지 테스트한다. '소재 환경 지속 가능성 시설'에서는 태양광 및 태양열이 부품에 미치는 영향을 측정한다. 범퍼, 헤드램프, 도장 시편과 같은 외장 부품, 자율주행 센서, 대시보드와 시트와 같은 내장 부품 등 자동차를 구성하는 수많은 부품이 여기에 포함된다. 극한 환경에 장시간 노출시켜 색상과 재료의 열화 현상을 관찰하는 것이다.

현대자동차·기아 미국기술연구소 내구시험팀의 윤영준 책임연구원은 "부품이 전시된 패널이 태양의 위치에 따라 움직이며 낮 동안 계속 태양을 정면으로 바라본다. 그 결과, 다른 지역의 변형 시험보다 최대 30배 빠르게 내구성을 검증할 수 있다"고 밝혔다. 이는 불과 몇 달 만에 연간 태양광량에 해당하는 양을 흡수할 수 있는 혹독한 시험을 통해 극한 환경에서의 내구성을 확보하기 위한 것이다.

잘 달리고 조용한 전기차를 만들기 위한 시험

잘 달리는 자동차를 만드는 데 있어 '승차감과 핸들링'(R&H)의 중요성은 크다. 모하비 주행시험장의 연구원들은 전기차의 승차감과 핸들링을 평가하기 위해 '범용 시험 노선', '승차감 저감 및 소음 시험 노선', '핸들링 시험 노선' 등 다양한 구간에서 시험을 진행하고 있다.

핸들링 시험은 미국의 높고 험준한 지형에서 차량의 안정적인 주행 성능을 확보하는 데 도움을 준다. 총 길이 5km로 급커브 구간과 8% 경사 언덕으로 구성돼 코너 진입 후 다시 고속으로 탈출하는 등 한계 상황에서의 주행 시험을 집중적으로 실시할 수 있다. 이는 산악 지형이 많은 국내 도로에서도 안정적인 주행 성능 확보로 이어진다.

2~12% 경사로가 포함된 총 길이 5.3km의 롱 플레이트 시험로에서는 주로 구동계의 등판 성능 시험이 진행된다. 전기차의 높은 토크를 시험하기에 완벽한 조건이기 때문이다. 연구원들은 경사로에서 차량을 반복적으로 정차 및 출발시키며 전기차의 가속 성능을 시험한다.

한편, 모터로 구동되는 전기차는 엔진 소음이 없어 외부 소음이 더욱 두드러진다. 이에 현대자동차와 기아는 다양한 도로 환경과 주행 조건에서 발생하는 소음을 최대한 줄이는 데 주력하고 있다. 모하비 주행 시험장에서의 승차감 및 소음 시험은 미국 도로의 다양한 실제 노면 환경을 재현한다. 북미 도로는 노선별로 다양한 포장 공법이 적용되므로, 이를 반영하기 위해 전체 구간에 걸쳐 다양한 포장 기법을 적용했다.

또한 북미 도로는 강한 자외선 기후를 고려해 아스팔트 노면이 오래 견딜 수 있도록 '슬러리 실(slurry seal)'이 두껍게 코팅되어 있다. 따라서 노면 표면이 거칠어 주행 시 잔여 진동이 많이 발생한다. 바람, 비, 태양 등으로 풍화된 도로, 파손된 아스팔트 도로 주행 시 충격음, 철길 건널목, 맨홀 뚜껑 등 주행 환경에서의 소음도 적지 않다.

이에 따라 현대차와 기아는 대표 간선도로인 'LA 프리웨이(LA Freeway)'를 재현한 시험 경로는 물론, 뉴욕, 디트로이트, 덴버, 샌프란시스코 등 미국의 30여 가지 노면 조건을 재현한 승차감 및 소음 시험 코스에서 현지 적합성 평가를 실시한다. 소음을 최소화하고 차량의 충격 흡수 능력을 높이며, 실내로 전달되는 진동도 최대한 억제해 우수한 승차감을 구현한다.

모하비 주행 시험장, 글로벌 트렌드에 맞춰 진화 중

모하비 주행시험장의 또 다른 특징은 '진화'다. 글로벌 고객이 요구하는 자동차와 시장 환경은 끊임없이 변화하고 있다. 이에 발맞춰 더욱 가혹한 시험을 진행할 수 있도록 시설을 개선하고 추가하는 것이다. 모하비 주행시험장에서 20년간 근무하며 운영 및 관리를 총괄하고 있는 현대자동차·기아 미국기술연구소의 매튜 R. R. 선임연구원은 다음과 같이 말했다.

"기술이 발전함에 따라 20년 전에는 존재하지 않았던 새로운 시험을 지속적으로 도입하고 있습니다. 환경에 맞춰 다양한 시험 주로와 연구 시설을 구축하고 관리하는 것이 중요한 과제입니다. 모하비 주행시험장은 사막의 자연환경을 그대로 보존하면서 미래를 위한 시험을 수행하기 위해 큰 노력을 기울이고 있습니다."

모하비 주행시험장이 완공되었을 당시에는 오프로드 시험 코스가 하나뿐이었다. 당시에는 포장된 시험 주로에서 도심 및 고속도로 주행을 시뮬레이션하는 데 초점을 맞추고 있었기 때문이다. 현재 모하비 주행시험장의 오프로드 코스는 7개로 늘어났으며, 추가 시험 트레일도 건설 중이다. 글로벌 SUV 트렌드에 맞춰 어떤 환경에도 대응할 수 있는 자동차를 만들기 위해서다. 현대자동차·기아 미국기술연구소 차량시험개발실의 강희진 선임연구원은 다음과 같이 설명했다.

"모하비 주행시험장은 설립 이후 다양한 시험을 추가해 왔습니다. 과거에는 내연기관의 내열 시험이 주 프로그램이었지만, 이제는 전기차를 포함한 친환경차의 주행 및 내구 시험, SUV의 오프로드 시험 등 다양한 시험으로 확대되었습니다. 시험은 자동차 산업의 트렌드가 변화하는 속도만큼 빠르게 변화하고 있습니다."

미국은 오프로드 주행 기회가 많고 환경도 다양하다. 따라서 강력한 성능을 완성하려면 고객이 주행하는 도로보다 더 가혹한 환경에서 다양한 조건을 검증해야 한다. 현대자동차·기아 미국기술연구소 차체 열에너지 성능 시험팀의 이경재 선임연구원은 "오프로드 시험은 기존 비포장 시험로 외에 다양한 노면을 추가해 외부 환경 조건에 대한 검증을 강화하고 있다. 캠핑 등 야외 활동을 즐기는 글로벌 트렌드에 맞춰 고객의 니즈를 충족시킬 수 있는 강력한 SUV를 이곳에서 만들고 있다"고 밝혔다.

험로에서 갈고닦은 기술, 모두의 안전으로 이어진다.

오프로드 주행 시험은 SUV만을 위한 것이 아니다. 이는 모든 이의 안전을 위한 기술 확보로도 이어진다. TCS(트랙션 컨트롤 시스템) 시험이 대표적인 예다.

TCS는 차량이 언덕을 넘거나 구덩이를 지날 때 구동력을 지면에 닿은 바퀴에 집중시켜 험로를 쉽게 빠져나올 수 있게 해주는 필수 오프로드 기능이다. 현대차·기아는 TCS를 시험할 수 있는 모래길, 자갈길, 아스팔트 경사로 등 다양한 노면을 마련했다. 이는 오프로드 주행 성능을 개발하면서 TCS의 성능을 끌어올리기 위한 시험 단계다. 현대차·기아 미국기술연구소 차체 열에너지 성능 시험팀의 랜스 맥로스 선임연구원이 설명했다.

"저속 험로 주행 조건에서의 구동력 제어, 휠 슬립(바퀴가 미끄러지는 현상으로, 그립 이상의 강한 힘이 바퀴에 전달될 때 발생) 등 오프로드 주행 성능 평가 및 튜닝 전반을 담당하고 있다. 또한 매우 거친 오프로드 도로에서의 주행 성능 검증도 진행 중이다. 기아 텔루라이드 같은 SUV가 얼마나 험준한 경사로와 바위 길을 주파할 수 있는지 알면 놀라실 겁니다."

이와 같은 오프로드 테스트는 SUV만을 위한 것이 아니다. 전기 모터 구동으로 최대 토크에 가까운 출력을 즉시 전달하는 전기차는 거친 노면에서도 뛰어난 주행 성능을 발휘한다. 대신 힘 전달이 워낙 빠르다 보니 바퀴가 헛도는 휠 슬립이 발생하기 쉽다. 이를 제어하기 위해 TCS의 정교함이 필요하다. 랜스 맥러스 수석 연구원은 자신의 작업에 대해 다음과 같이 자부심을 드러냈다.

“미국 기술연구소는 설계 및 규제 등 여러 측면을 고려해 소프트웨어와 하드웨어 튜닝을 수행하고 있다. 특정 장애물이나 거친 노면에서 더욱 안정적으로 주행할 수 있도록 운전자 안전을 강화하는 튜닝 사례가 여럿 있다. 내 업무의 일부인 휠 슬립 제어는 부수적인 기능이지만 결국 안전 사양이다. 언젠가 고객들이 내가 튜닝한 기능으로 더 안전하게 운전할 수 있게 될 것이라고 생각하면 정말 보람차다.”

모하비 주행시험장의 매튜 알 셰이 운영 책임자는 모하비 주행시험장에 대한 자부심을 다음과 같이 표현했다: "지난 20년간 현대자동차와 기아의 모든 성과를 경험할 수 있었다는 점에 항상 자부심을 느낀다. 그리고 차량 개발을 담당하는 연구원들과 함께 일하는 것은 매우 보람 있는 일이다. 연구원들은 자동차를 진정으로 사랑하며, 차량에 아주 작은 변화 하나라도 만들기 위해 모든 열정을 쏟아붓는다. 이곳은 자신의 일에 대한 애정과 자부심이 큰 사람들과 함께 일하는 모하비 주행시험장이다."