전기 자동차의 제조 기술은 내연기관보다 적은 부품과 간단한 구조이지만 핵심 기술들이 많이 있기 때문에 잘 알아둬야 한다. 전기 자동차의 핵심 중 하나는 배터리이다.
배터리의 원리는 금속은 다른 원소와 화합물을 만들 때 전자를 내주고 +이온이 되려는 경향이 있는데, 그 이온화 경향이 금속마다 차이가 발생되는 점을 이용한 것이 배터리의 기본 원리이다. 그 중 리튬이 전기 자동차 배터리로 많이 사용되는데 리튬은 금속에서 제일 가볍고 원자가전자가 하나이기 때문이다. 양극재로는 리튬, 음극재로는 흑연(탄소)가 쓰인다. 흑연을 쓰는 이유도 역시 이온결합 때문이다.
그럼 리튬 배터리에서 제일 무서운 상황은 무엇일까? 전 포스팅에서 설명했듯이 리튬 배터리에는 양극재, 음극재, 분리막, 전해액 이 4가지 통칭 F4가 존재하는데 만약 분리막이 손상돼서 불이 붙게 되면 화재를 진압하는건 사실상 불가능에 가까우므로 그 자동차는 버려야 된다. 이를 방지하기 위해서 전해액이 없는 전고체 배터리 개발에 더욱 박차를 가하고 있다. 또한 전고체 배터리는 어떤 형태로든 제작이 가능하기 때문에 더욱 각광받고 있다.
⊙전기 자동차의 Platform 은 스케이트 보드 기술이라고 하는데 여기서 스케이트 보드 기술이란 새로운 개념의 전기자동차를 위한 Platform 개념으로 설계되어, 누구나 쉽게 구입하여 차량을 만들 수 있는 기반을 제공한다. Platform의 가격은 전기 자동차 전체 가격의 50~70%에 육박할 정도로 차량 전체가 아닌 스케이트 보드의 품질과 기술력, 가격경쟁력이 향후 자동차 산업을 좌지우지 할 것으로 예측된다.
애플의 아이폰은 OEM 하는 팍스콘이 전기차 Platform을 만들어 주목을 받고 있다. 팍스콘은 특히 이 Platform을 모든 회사에서 사용할 수 있도록 공유했는데 향후 자율주행 시스템이 더욱 정착화 될 때 소프트웨어 쪽에 자신이 있기 때문에 오픈플랫폼으로 공유한 것이다. 결과적으로 다양한 목적차량 제작에 부품 + Software + Module + Platform + Vehicle 까지를 각각의 사업영역으로 하여 테슬라 보다 강한 새로운 회사가 탄생했다고 볼 수도 있다.
전기 자동차 Platform의 스케이트 보드 기술을 다루는 각 회사들의 행보는 어떨까?
현대자동차와 손잡은 전기차 스타트업 카누의 스케이트 보드 기술을 이용한 다양한 모델의 전기차를 볼 수 있다.
여기서 주목할 점은 좌측부터 시작된 5개의 차량이 모두 우측에 있는 Platform에 껍데기만 입힌 것이다. 하나의 플랫폼만 있으면 다양한 모델을 양산할 수 있다는 점이 내연기관 차와 많이 비교된다.
위 사진은 폭스바겐의 전기 자동차 Platform인데 variable 컨셉개념으로 구조가 다양하게 변경 될 수 있다.
배리어블 개념이 전기차에서 가능해지면서, 자동차 내부 의장 부품 역시 Assembly가 가능하다. 따라서 관련 인테리어 업체가 많이 등장할 것으로 예상된다. 실제로 미국에서는 인테리어가 되지 않는 자동차를 판매한다. 필요한 부품만 조립하면 되는 것으로 자동차의 Body 역시 소비자가 얼마든지 선택할 수 있게 인터넷에서 클릭 한번으로 판매될 수도 있다. 그렇기 때문에 플랫폼의 중요성이 더 부각된다.
이 외에도 GM, 벤츠, 볼보, Rivian, Arrival 등 다양한 회사들이 전기 자동차 Platform을 개발하고 있다.
⊙모터 구동 기술
In-wheel Drive Motor Type : 차동기어가 필요 없고 차량이 제자리서 360도 회전 가능, 감속기어도 불필요, EPS 불필요, 이들을 차량에 부착하는 cradle 불필요, 구동 Shaft 불필요 등의 장점으로 세계가 상용화를 경쟁하고 있다. 현재 이 기술은 퀵보드 바퀴에는 적용되고 있지만 아직 전기 자동차에는 안정적으로 적용되지 못하고 있다.
⊙배터리 관리 시스템(BMS)
BMS란, 차량용 배터리 관리를 최적화하여 에너지 효율을 높이고 한 번 충전으로 가능한 최대 주행거리를 늘리고, 조기 노후화를 예방하여 수명을 연장시켜주는 역할을 하는 핵심부품이다. HEV, BEV, ESS, 전동카트 등에 사용되는 대용량 배터리 팩은 수많은 작은 배터리 셀을 연결하는 구조로 각 셀의 관리장치가 확장된 안전관리시스템이 필요하며 이를 BMS로 구성한다. 기본역할에는 4가지가 있다.
1. 배터리의 전압, 전류 및 온도, 내부저항 등을 실시간으로 모니터링 하여 과도한 충전 또는 방전을 미연에 방지한다.
2. 충전상태(SOC) 와 배터리 건강상태(SOH)를 검사하여 사용가능한 남은 수명을 예측 배터리의 안전성과 신뢰성을 높여준다.
3. 셀 밸런싱을 통해 셀들의 충전 상태를 밸런싱하여 갖아 노후화 된 셀이 배터리의 총 가용 용량을 결정하는 것을 방지한다.
4. 셀 밸런싱은 센서 측정이므로 측정 안정성이 필요하며 따라서 그 결과 획득과정의 노이즈 필터링과 스트레스 센싱, 온도 등을 감안한 보정 알고리즘의 설계, BMS의 품질과 기술의 정확성을 제공한다.
⊙전장 제품 제조 기술
전장 제품 : 자동차 등에 사용되는 전자제품을 연결하는 전기 장치와 시스템을 의미한다.
전장 기술 : 주로 전자제품을 연결하는 와이어링 하네스(Wiring Harness)를 구성하는 배선, 커넥터, protector, 조립용 clip류 등의 설계 및 제조, 조립하는 기술을 말한다.
전장부품들이 진동이 발생해 열이 생기고 까지면서 화재의 원인이 된다. 설계가 계속 발생하기 때문에 전장 설계쪽은 굉장히 어렵고 마지막 까지 고생이 많다. 그만큼 배선이 매우 중요하다. 배선의 루틴을 잡는다라고 말하는데 예를 들면 책상 위에 독서등을 하나 달더라도 배선들이 따라오기 때문에 루틴을 잡는 것이 매우 힘들다.
Wiring Harness 제조 방법은 6단계로 이루어진다.
1단계 : 구리 와이어에 절연 피복을 입히는 공정
2단계 : 와이어 하네스를 필요 길이별로 절단
3단계 : 커넥터와 결합부위 또는 결선부위의 피복을 벗기는 공정
4단계 : 커넥터와 클리핑 공정 및 이탈력 시험 공정
5단계 : 여러 개의 와이어 하네스 어셈블리를 열수축 튜브, 조립용 clip등을 조립하여 완성
6단계 : 통전 검사 및 Label 부착, 포장
여기에 관련해서 꼭 알고 있어야 하는 관련 국제 규격으로 USCAR 21을 꼭 알고 있어야 한다.
Wiring Harness의 방법중 하나인 Crimping 방법에서 너무 세게 잡으면 피복쪽 와이어에 변형이 생길 수 있고, 너무 헐렁하면 통전이 잘 안될수 있다. 위의 그림에서 보면 오른쪽 bad 칸에 뿔처럼 보이는 ram-homing 이 너무 커서 안에 육각 형상을 파괴했고, 오버랩이 심하기도 한다. 그리고 밑에 받쳐주는 부분이 금형이 잘못된 부분을 버 라고 하는데 이런 버가 생기면 장애물로 작동해서 제대로 결합이 안 될수 있다.
현재 자동차 전장업체가 중국으로 많이 갔는데 그 이유는 자동화가 어렵기 때문에 많은 인력이 필요하기 때문이다. 한국에도 많은 전장업체가 존재하는데 전기 자동차의 성장과 더불어 같이 성장하는 산업이므로 빠른 시일내에 자동화에 성공하여 관련 산업을 선도하는 시대가 왔으면 좋겠다.
