아이오닉 5는 전용 플랫폼인 E-GMP(Electric-Global Modular Platform)를 최초로 적용한 전기차로 친환경 자동차에 대한 현대자동차그룹의 철학과 기술력이 집약된 결과물이다. 이번에 공개된 영상에서 전용 전기차만의 가치를 극대화한 아이오닉 5는 기존 자동차와는 다른 혁신적인 제작 과정을 보여준다. 차세대 기술과 친환경 소재가 정교하게 맞물린 아이오닉 5의 첨단 생산 공정은 스마트 모빌리티의 산실이자 지속 가능한 미래에 대한 청사진이라 할 수 있다. 또한, 영상을 통해 아이오닉 5의 핵심 요소라 할 수 있는 ICCU(Integrated Charging Control Units)와 PE 시스템(Power Electric System), 배터리 팩 등 전용 전기차에만 적용되는 부품들의 혁신적인 제조 공정을 생생하게 확인할 수 있다.
스마트 모빌리티의 산실이자 현대자동차가 지향하는 스마트 팩토리의 청사진을 제시하는 아이오닉 5의 첨단 자동화 공정을 살펴봤다.
아이오닉 5의 제작 과정 영상은 ICCU 조립에서 시작한다. ICCU는 전기차에 탑재된 고전압 배터리와 보조배터리 모두 충전이 가능하도록 현대차그룹이 새롭게 개발한 통합 충전 시스템이다.
ICCU는 개별 부품의 이동, 조립, 용접은 물론, 완성품의 이동까지 모든 제조 공정이 자동으로 이뤄진다. 청정한 작업 환경과 정밀함이 요구되는 전력 공급 장치의 특성상 생산 라인은 클린룸 내에 설치돼 있다.
아이오닉 5의 대표적인 기능인 V2L(Vehicle to Load)을 사용하기 위해서는 ICCU가 반드시 필요하다. 기존 전기차는 외부 전력을 차량 내부로 전달하는 단방향 충전만 가능했지만, 아이오닉 5는 ICCU를 활용해 110V나 220V 전원을 차량 내·외부로 자유롭게 공급할 수 있다.
아이오닉 5는 V2L 기능을 통해 일반주택의 공급 계약 전력인 3kW보다 높은 3.5kW의 전력을 공급할 수 있으며, 배터리 용량에 따라 17평형 에어컨과 55인치 TV를 동시에 약 24시간 가동할 수 있다. 또한, 아이오닉 5를 커다란 보조배터리처럼 활용해 야외 활동이나 캠핑 장소에서 전자제품을 작동하거나 다른 전기차를 충전하는 데에도 이용할 수 있다.
ICCU 제조 공정에서 이어지는 장면은 PE 시스템으로, 이는 내연기관 자동차의 파워트레인을 대체하는 전기차 구동 장치다. 아이오닉 5의 근간이 되는 E-GMP의 PE 시스템은 구동에 필요한 모터, 동력을 차량에 필요한 토크와 속도로 변환해 전달하는 감속기, 전력을 변환해 모터의 토크를 제어하는 인버터가 일체화된 것이 특징이다. 이로 인해 E-GMP의 PE 시스템은 크기와 무게가 기존 시스템 대비 크게 줄었다.
아이오닉 5의 PE 시스템에 적용되는 구동 모터는 고난이도 공법인 헤어핀 권선 방식이 쓰인다. 헤어핀 권선 기술은 말 그대로 머리핀(헤어핀)의 형상을 닮은, 직사각형의 단면 코일을 활용한 구조를 뜻한다. 헤어핀 권선과 코일이 감겨 있는 고정자를 조립하는 로봇 공정을 마치고 나면 작업자들의 정교한 연결 작업이 더해져 복잡한 내부 구조가 완성된다. 이후 모터, 감속기, 인버터가 일체화된 PE 시스템은 고유 번호가 부여되어 아이오닉 5에 탑재될 준비를 마친다.
전기차의 동력원이자 아이오닉 5의 심장이라 할 수 있는 배터리 팩 조립 과정은 로봇들의 일사불란한 움직임이 마치 반도체 생산라인을 연상시킨다. 아이오닉 5의 배터리 팩은 배터리의 기본 단위인 셀이 12개 모여 표준화된 모듈을 이루고, 그 모듈이 모여 하나의 팩을 구성한다.
배터리 셀은 전기에너지를 충·방전해 사용할 수 있는 리튬이온 배터리의 기본 단위로, 사전에 양극, 음극, 분리막, 전해액을 파우치 모양의 케이스에 넣어 공장에 입고된다. E-GMP에 쓰이는 파우치형 배터리 셀은 적은 수의 배터리 셀로 원하는 에너지 용량을 만족시킬 수 있고, 제조 비용이나 제조 과정에서도 경쟁력이 뛰어나다.
배터리 모듈은 셀을 외부 충격과 열, 진동 등으로부터 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 모듈 조립체(BMA, Battery Module Assembly)를 의미한다. 현대차그룹은 E-GMP를 개발하며 배터리 셀과 모듈을 표준화했다. 덕분에 배터리 손상 시 배터리 전체가 아닌 모듈 단위로 교체를 할 수 있어 수리 비용을 절감할 수 있을 뿐 아니라 제조 및 품질 경쟁력까지 향상시키는 장점이 있다.
배터리 팩은 전기차에 장착되는 배터리 시스템의 최종 형태로, 일정 개수의 모듈이 모여 구성된다. 아이오닉 5의 배터리 팩은 제원에 따라 기본형과 항속형으로 나뉘며 이에 맞춰 팩에 탑재되는 모듈의 수가 달라진다. E-GMP를 기반으로 하는 아이오닉 5는 표준화된 배터리 시스템으로 인해 동일한 크기의 배터리를 사용하는 기존 전기차 대비 에너지 밀도가 10% 향상돼 한층 효율적이고 가벼운 배터리 시스템 구성이 가능하다.
배터리 팩 조립은 셀에 다공성 재질의 패드를 부착하는 공정부터 시작한다. 작업자가 작업판에 PU(폴리우레탄) 패드를 적재하면 자동화 설비가 낱장의 패드를 진공 흡착한 후 양면 필름을 벗겨낸다. 이후 필름이 벗겨진 패드를 셀에 다시 부착해 높은 압력을 가해 완전히 점착시킨다.
이 공정에서는 정전기의 영향을 받아 문제가 생기기 쉬운 PU 패드의 특성을 자동화 설비가 제어하는 게 관건이다. PU 패드가 부착된 셀은 카메라를 이용한 자동화 시각 검사인 비전 시스템을 통해 정확한 위치에 부착됐는지, 필름은 정상적으로 벗겨졌는지 등을 확인한 후 다음 공정으로 이동한다.
이어지는 공정에선 6축 다관절 로봇이 컨베이어에 12개의 셀을 차곡차곡 쌓아 1개의 모듈로 만든다. 개별 셀의 위치가 배터리 품질에 결정적인 영향을 미치기 때문에 0.2mm 편차 범위 내에서 정확한 위치에 셀을 옮긴다. 손상되기 쉬운 셀의 특성을 고려해 모든 설비 동작은 적절한 가압을 유지하며 진행된다.
아이오닉 5에 탑재되는 배터리 모듈은 현대차그룹의 전기차 전용 플랫폼인 E-GMP를 위해 새롭게 개발된 것으로, 에너지 밀도를 크게 높여 부피를 최소화한 점이 특징이다. 영상 속 배터리 모듈의 크기가 매우 콤팩트한 것은 바로 이 때문이다.
이후에는 모듈이 여러 개 모여 하나의 팩을 이룬다. 배터리 팩 조립 공정은 BMA, 버스바(Bus Bar, 전기적인 연결을 가능하도록 하는 막대형 전도체), 전장 케이블, 팩 기밀 유지를 위한 개스킷 등이 장착된 하부 케이스에 상부 케이스를 덮는 것으로 시작한다.
배터리의 상부 케이스와 하부 케이스는 총 70여 개의 볼트와 너트로 고정된다. 이 때 비전 시스템을 이용해 볼트와 너트의 정확한 위치 정보를 확인한 후, 해당 정보를 너트 러너(너트를 조이는 전동 공구)가 장착된 6축 다관절 로봇에 전달한다. 설정된 기준으로 6축 다관절 로봇이 볼트와 너트를 자동 체결하면 배터리 팩 조립 공정은 마무리된다.
완성된 배터리 팩은 저장된 맵 상의 경로를 따라 이동하는 무인 운반 장치(Automated Guided Vehicle, AGV)에 실려 정해진 장소로 운반된다. 무인 운반 장치는 무선통신 및 추돌방지 센서들을 통해 자율적으로 주변 장애물을 피해 목적지까지 최적의 경로를 찾아 자율 주행하며 생산성을 높이는 시스템이다.
작업자가 직접 무거운 부품을 끌고 다니지 않아도 되기 때문에 작업 환경과 안전성이 개선된 것이 무인 운반 장치의 장점이다. 뿐만 아니라 실시간 제어를 통해 정확한 시간과 장소에 맞춰 부품을 옮길 수 있고, 무인 운반 장치의 이동 동선 최소화로 공장의 규모를 최적화하는 한편, 부품의 품질 관리도 용이하다. 현대차가 지향하는 스마트 팩토리는 이처럼 인공지능(AI)과 로봇 기술 등 혁신적인 자동화 방식을 적용한 것이 특징이다.
무인 운반 장치에 실려 지정된 장소로 옮겨진 배터리 팩은 ICCU와 PE 시스템, 그리고 앞뒤 서스펜션, 구동계 등과 만나 E-GMP 플랫폼으로 완성된다. 이렇게 E-GMP 플랫폼이 순차적으로 완성되는 사이 다른 한쪽에서는 아이오닉 5의 차체가 제작된다.
차체를 구성하는 패널과 뼈대를 조립해 외형을 완성하는 차체 라인에 이어 색상을 입히는 도장라인까지 작업 공정이 이어진다. 산업용 로봇들이 절도 있는 동작으로 차체를 조립하고 유연하고 섬세한 움직임으로 도색 작업을 마치고 나면 드디어 아이오닉 5가 외형을 갖춘다.
E-GMP 플랫폼과 차체를 하나로 결합한 후에는 세부 요소들을 채워 넣는 의장 라인으로 이동할 채비를 마친다. 합체 과정에서 아이오닉 5의 배터리 보호 성능을 크게 높이기 위해 배터리 하단부터 차체 바닥 안쪽까지 긴 볼트로 체결하는 8점 마운트가 더해진다.
아이오닉 5에 헤드램프/테일램프, 윈드실드/윈도, 휠/타이어, 계기판/인포테인먼트 스크린, 각종 전자장비/센서 등 세부적인 요소들이 더해지면 비로소 우리에게 친숙한 아이오닉 5의 모습이 완성된다.
다양한 전장 시스템이 적용된 아이오닉 5는 각종 기능이 제대로 작동하는지 점검하는 전장 집중검사 과정을 거친다. 컴퓨터가 설정된 데이터를 입력해 해당 데이터에 따라 카메라와 레이더 등 각종 센서가 제대로 작동하는지 빠르고 정확하게 검사를 진행하는 것이다.
아이오닉 5는 해당 검사 시스템을 통해 서라운드 뷰 모니터(SVM : Surround View Monitor), 전방 주행 정보 표시 장치(HUD : Head Up Display), 전측방 레이더(Front Corner Radar), 디지털 사이드미러(Digital Side Mirror) 등의 기능을 확인하고 보정한다. 첨단 전자 장비와 각종 시스템의 정상적인 작동 여부를 확인하는 전장 검사 시스템은 품질의 편차를 줄이고 신뢰성을 높이는 것이 특징이다.
전장 집중 검사를 마친 아이오닉 5는 마지막 공정인 의장 라인에서 숙련된 작업자들의 눈썰미와 손길이 더해지고 최종 품질 확인 절차까지 거치고 나면 마침내 아이오닉 5 생산 공정의 대단원이 마무리된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 아이오닉 5는 제조 시스템의 혁신을 추구하는 스마트 팩토리 생태계를 기반으로 탄생한다. 현대차가 지향하는 스마트 팩토리는 정보통신기술(ICT)을 활용해 제품의 품질관리, 생산 설비, 물류 등 공장 내 모든 시스템 데이터는 물론 외부의 정보까지 수집, 분석해 빅데이터화 하고, 인공지능이 이를 기반으로 공장을 운영하는 시스템이다.
인공지능과 빅데이터를 활용한 스마트 팩토리 운영은 소비자를 위한 최상의 제품을 만드는 데 목적이 있다. 불필요한 과정을 덜어내고 정확한 데이터를 기반으로 제품 생산의 정확성과 효율성을 높이는 것이다.
현대차는 그동안 고객 개개인의 요구에 민첩하게 대응하기 위해 혁신적이고 고도화된 자동화 생산방식을 도입함으로써 한 공간 내에서 다양한 자동차를 신속하고 효율적으로 생산해 낼 수 있도록 스마트 팩토리 생태계 구축에 각고의 노력을 기울여왔다.
스마트 팩토리 구축에 앞서 다양한 생산 기술도 개발했다. 지난 2017년에는 위치추적 센서, 고용량 메모리, 무선통신 칩으로 이뤄진 스마트태그 시스템을 선보였는데, 이 시스템은 조립 로봇 스스로 어떤 차종인지 파악해 조립을 할 수 있도록 돕는 기술이다. 2018년에 공개한 전장 집중검사 시스템은 여러 공정에 걸쳐 진행하던 ADAS 품질 검사를 6대의 협동 로봇을 활용한 단일 공정 방식으로 바꿔 효율성을 높인 시스템이다. 스마트 팩토리 구축의 핵심 기술로 꼽히는 인공지능 기술도 적용 중이다. 자동차 도장면 검사 공정에 인공지능 기술을 접목한 도장검사지 딥러닝 스캐닝 인식 기술을 통해 자동차 도장 품질 수준을 높이고 있다.
전기차 전용 플랫폼을 바탕으로 스마트 팩토리 생태계를 거쳐 탄생한 아이오닉 5. 새로운 이동의 경험을 제공할 차세대 스마트 모빌리티인 아이오닉 5가 앞으로 일으킬 모빌리티 산업 환경의 변화가 더욱 기대된다.
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