현대차의 가장 진보된 EV 제조 공정

IONIQ 5는 현대차그룹의 전기차 전용 플랫폼 E-GMP(Electric-Global Modular Platform)가 최초로 적용된 모델로, 친환경 차량을 위한 최신 기술이 집약된 결과물이다. 현대자동차는 IONIQ 5의 제조 공정을 생생하게 보여주는 흥미로운 영상을 공개했다.

차세대 기술과 친환경 소재가 정교하게 결합된 IONIQ 5의 최첨단 생산 공정은 스마트 모빌리티의 탄생 현장이자 지속 가능한 미래를 위한 청사진이다. 또한 이 영상을 통해 IONIQ 5의 핵심 요소인 ICCU(통합 충전 제어 장치), PE 시스템(파워 일렉트릭 시스템), 배터리 팩 등 전기차 전용 부품의 혁신적인 제조 과정을 생생하게 확인할 수 있다.

스마트 모빌리티의 탄생 현장이자 현대차가 지향하는 스마트 팩토리의 청사진을 제시하는 IONIQ 5의 첨단 자동화 공정을 살펴봤다.

IONIQ 5의 대표 기능 V2L을 구현하는 핵심 요소 'ICCU'

IONIQ 5 생산 공정 영상은 ICCU 조립으로 시작된다. ICCU는 현대차가 새롭게 개발한 통합 충전 시스템으로, 전기차에 탑재된 고전압 배터리와 보조 배터리를 모두 충전하는 역할을 한다.

ICCU는 개별 부품의 이동, 조립, 용접부터 완제품 이동까지 모든 제조 공정이 자동으로 이루어진다. 청정 작업 환경과 정밀함이 요구되는 전원 공급 장치의 특성상 생산 라인은 클린룸에 설치된다.

ICCU는 IONIQ 5의 대표 기능인 V2L(Vehicle to Load)을 사용하기 위해 반드시 필요한 장치다. 기존 전기차는 외부 전력을 차량 내부로 전달하는 단방향 충전만 가능했다.

IONIQ 5는 V2L 기능을 통해 일반 가정용 계약 전력(3kW)보다 높은 3.5kW의 전력을 공급할 수 있으며, 배터리 용량에 따라 17평형 에어컨과 55인치 TV를 약 24시간 동안 동시에 가동할 수 있다. 또한 야외 활동이나 캠핑장에서 전자제품을 작동시키거나 다른 전기차를 충전하는 대용량 보조 배터리로 IONIQ 5를 활용할 수도 있다.

모터, 감속기, 인버터가 통합된 전기차 구동 시스템 'PE 시스템'

ICCU 제조 공정 다음으로 소개되는 장면은 내연기관 차량의 파워트레인을 대체하는 전기차 구동 장치인 PE 시스템이다. IONIQ 5의 기반이 되는 E-GMP의 PE 시스템은 주행에 필요한 모터, 차량에 필요한 토크와 속도로 변환하는 감속기, 전력을 변환하고 모터의 토크를 제어하는 인버터를 통합한 것이 특징이다. 이로 인해 E-GMP의 PE 시스템은 기존 시스템 대비 크기와 무게가 대폭 줄어들었다.

아이오닉 5의 PE 시스템에 적용된 구동모터는 고난도 공법인 헤어핀 권선 방식을 사용한다. 헤어핀 권선 기술은 말 그대로 헤어핀(머리핀) 모양을 닮은 각형 단면 코일을 사용하는 구조를 의미한다. 헤어핀 권선과 코일이 감긴 스테이터를 조립하는 로봇 공정을 거친 후, 작업자의 정교한 연결 작업이 더해져 복잡한 내부 구조가 완성된다. 이후 모터, 감속기, 인버터가 일체화된 PE 시스템에는 고유 번호가 부여되며 아이오닉 5에 탑재될 준비를 마친다.

셀과 모듈이 모여 하나를 이루는 '배터리 팩'

전기차의 동력원이자 아이오닉 5의 심장인 배터리 팩을 조립하는 공정에서는 로봇의 조화로운 움직임이 반도체 생산 라인을 연상시킨다. 아이오닉 5의 배터리 팩은 배터리의 기본 단위인 12개의 셀이 모여 표준화된 모듈을 구성하고, 이 모듈들이 결합해 팩을 이룬다.

배터리 셀은 전기에너지를 충·방전해 사용할 수 있는 리튬이온 배터리의 기본 단위다. 양극, 음극, 분리막, 전해질이 파우치 형태의 케이스에 미리 담겨 공장으로 공급된다. E-GMP에 적용된 파우치형 배터리 셀은 적은 수의 배터리 셀로 원하는 에너지 용량을 충족할 수 있으며, 제조 원가와 제조 공정 측면에서 우수한 경쟁력을 갖췄다.

배터리 모듈은 일정 개수로 묶어 프레임에 넣어 외부 충격, 열, 진동 등으로부터 셀을 보호하는 배터리 모듈 어셈블리(BMA)를 의미한다. 현대자동차그룹은 E-GMP를 개발하며 배터리 셀과 모듈을 표준화했다. 덕분에 배터리 손상 시 배터리 전체가 아닌 모듈 단위로 교체가 가능해 수리 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 제조 및 품질 경쟁력도 향상됐다.

배터리 팩은 전기차에 탑재되는 배터리 시스템의 최종 형태로, 일정 수의 모듈로 구성된다. 아이오닉 5의 배터리 팩은 사양에 따라 기본형과 상시형으로 구분되며, 팩에 탑재되는 모듈의 개수도 이에 따라 달라진다. E-GMP 기반의 아이오닉 5는 표준화된 배터리 시스템으로 인해 동일한 크기의 배터리를 사용하는 기존 전기차 대비 에너지 밀도가 10% 향상돼, 보다 효율적이고 경량화된 배터리 시스템을 구성할 수 있다.

배터리 팩 조립은 다공성 소재로 만든 패드를 셀에 부착하는 공정으로 시작된다. 작업자가 PU(폴리우레탄) 패드를 작업판에 올리면 자동화 장비가 패드를 진공 흡착한 후 양면 필름을 벗겨낸다. 이후 필름이 제거된 패드를 셀에 다시 부착하고 높은 압력을 가해 완전히 접착한다.

이 공정에서 핵심은 정전기의 영향을 받기 쉬운 PU 패드의 특성을 자동화 장비가 제어한다는 점이다. PU 패드가 부착된 셀은 카메라를 이용한 자동 육안 검사인 비전 시스템을 통해 올바른 위치에 부착되었는지, 필름이 정상적으로 제거되었는지 확인한 후 다음 공정으로 이동한다.

이후 공정에서는 6축 다관절 로봇이 컨베이어 위에 셀 12개를 하나씩 쌓아 하나의 모듈을 만든다. 개별 셀의 위치는 배터리 품질에 결정적인 영향을 미치므로, 셀을 0.2mm 오차 범위 내에서 정확한 위치로 이동시킨다. 손상되기 쉬운 셀의 특성을 고려해 모든 설비 작업은 적절한 가압 상태를 유지하며 진행된다.

아이오닉 5에 탑재된 배터리 모듈은 현대차의 전용 전기차 플랫폼 E-GMP를 위해 새롭게 개발됐다. 영상 속 배터리 모듈의 크기가 매우 작은 이유가 바로 여기에 있다.

이후 여러 개의 모듈이 모여 팩을 구성한다. 배터리 팩 조립 공정은 BMA, 버스 바(전기적 연결을 가능하게 하는 막대형 도체), 전기 케이블, 팩의 기밀을 유지하는 개스킷이 장착된 하부 케이스에 상부 케이스를 덮는 것으로 시작된다.

배터리의 상부와 하부 케이스는 총 70개의 볼트와 너트로 고정된다. 이때 비전 시스템을 이용해 볼트와 너트의 정확한 위치 정보를 확인한 후, 해당 정보를 너트 러너(너트를 조이는 동력 공구)가 장착된 6축 다관절 로봇에 전송한다. 6축 다관절 로봇이 설정된 기준에 따라 볼트와 너트를 자동으로 조이면 배터리 팩 조립 공정이 완료된다.

미래 스마트 팩토리를 미리 만나는 '무인 운반 장치'

완성된 배터리 팩은 저장된 지도의 경로를 따라 이동하는 현대차의 AGV(Automated Guided Vehicle, 무인 운반차)에 실려 지정된 위치로 운반된다. 무인 운반 시스템은 무선 통신과 충돌 방지 센서를 통해 주변 장애물을 스스로 회피하고 목적지까지 최적 경로를 찾아 자율 주행함으로써 생산성을 높이는 시스템이다.

무인 운송 시스템의 장점은 작업자가 무거운 부품을 수동으로 끌 필요가 없어 작업 환경과 안전성이 향상된다는 점이다. 또한 실시간 제어를 통해 부품을 정확한 시간과 장소로 이동할 수 있으며, 무인 운송 장치의 이동을 최소화해 공장 규모를 최적화하는 동시에 부품 품질 관리가 용이하다. 현대차의 스마트 팩토리는 인공지능(AI)과 로봇 기술 등 혁신적인 자동화 방식을 적용한 것이 특징이다.

IONIQ 5의 외관을 완성하는 차체 조립

무인 운송 장치에 실려 지정된 장소로 이동한 배터리 팩은 ICCU, PE 시스템, 전후방 서스펜션, 구동계와 만나 E-GMP 플랫폼을 완성한다. 이렇게 E-GMP 플랫폼이 순차적으로 완성되는 동안 다른 한편에서는 IONIQ 5의 차체가 제조된다.

차체를 구성하는 패널과 골격을 조립해 외관을 완성하는 차체 라인부터 도색을 위한 도장 라인까지 작업 공정이 이어진다. 산업용 로봇이 절도 있는 동작으로 차체를 조립하고 유연하고 섬세한 움직임으로 도장을 마무리하면 IONIQ 5는 비로소 외형을 갖추게 된다.

E-GMP 플랫폼과 차체를 하나로 결합한 후에는 세부 사항을 채워 넣기 위해 디자인 라인으로 이동할 준비를 마친다. 조립 과정에서 IONIQ 5의 배터리 보호 성능을 대폭 높이기 위해 배터리 하단에서 차체 플로어 내부까지 긴 볼트로 체결하는 8포인트 마운트가 추가된다.

헤드램프/테일램프, 앞유리/윈도우, 휠/타이어, 계기판/인포테인먼트 화면, 각종 전자 장비/센서 등 세부 요소가 IONIQ 5에 더해지면 익숙한 IONIQ 5가 완성된다.

IONIQ 5의 전장 품질 신뢰성을 확보하는 '전장 집중 검사'

각종 전장 시스템을 탑재한 현대차의 IONIQ 5는 다양한 기능이 제대로 작동하는지 확인하기 위해 전장 집중 검사 과정을 거친다. 컴퓨터가 설정된 데이터를 입력하면, 그 데이터에 따라 카메라와 레이더 등 각종 센서가 신속하고 정확하게 작동한다.

IONIQ 5는 해당 검사 시스템을 통해 서라운드 뷰 모니터(SVM), 헤드업 디스플레이(HUD), 전방 코너 레이더, 디지털 사이드 미러 등의 기능을 점검하고 보정한다. 첨단 전자 장비와 각종 시스템의 정상 작동을 확인하는 전자 검사 시스템은 품질 편차를 줄이고 신뢰성을 높이는 것이 특징이다.

전장 집중 검사 이후, 마지막 공정인 디자인 라인에서 숙련된 작업자의 솜씨와 터치가 더해지고 최종 품질 점검 과정을 거쳐 IONIQ 5 생산 과정이 최종 완료된다.

현대차 IONIQ 5, 스마트 팩토리 생태계를 기반으로 탄생하다

앞서 살펴본 바와 같이, IONIQ 5는 제조 시스템의 혁신을 추구하는 스마트 팩토리 생태계를 기반으로 탄생했다. 현대자동차의 스마트 팩토리는 정보통신기술(ICT)을 활용해 공장 내 모든 시스템 데이터(제품 품질 관리, 생산 설비, 물류 등)와 외부 정보를 빅데이터로 수집·분석해 공장을 운영하는 시스템을 목표로 한다. 

인공지능과 빅데이터를 활용한 스마트 팩토리 운영은 소비자에게 최고의 제품을 만들기 위함이다. 불필요한 공정을 없애고 정확한 데이터를 기반으로 제품 생산의 정확성과 효율성을 높이는 것이 목표다. 

그동안 현대자동차는 개별 고객 니즈에 민첩하게 대응하기 위해 혁신적이고 진보된 자동화 생산 방식을 도입해 한 공간에서 다양한 차량을 신속하고 효율적으로 생산할 수 있도록 스마트 팩토리 생태계 구축에 많은 노력을 기울여 왔다. 

스마트 팩토리 구축에 앞서 다양한 생산 기술도 개발됐다. 2017년에는 위치 추적 센서, 대용량 메모리, 무선 통신 칩으로 구성된 스마트 태그 시스템을 도입했다. 이 시스템은 조립 로봇이 어떤 차종인지 파악해 조립할 수 있도록 돕는 기술이다. 2018년에 공개된 현대차의 전장 집중 검사 시스템은 여러 공정에 걸쳐 진행되던 ADAS 품질 검사를 6대의 협동 로봇을 활용한 단일 공정 방식으로 변경해 효율성을 개선한 시스템이다. 

스마트 팩토리 구축의 핵심 기술로 꼽히는 현대차의 인공지능 기술도 적용되고 있다. 자동차 도장 검사 공정에 인공지능 기술을 접목한 도장 검사용 딥러닝 스캐닝 인식 기술을 통해 자동차 도장 품질 수준을 높이고 있다. 

전용 전기차 플랫폼 기반의 스마트 팩토리 생태계를 통해 탄생한 IONIQ 5. 새로운 모빌리티 경험을 제공할 차세대 스마트 모빌리티 IONIQ 5는 향후 모빌리티 산업 환경을 변화시킬 것으로 기대된다. 

출처: HMG 저널