2022년은 GM이 한국에 출범한 지 20주년 되는 해다. 엔지니어링 조직인 GM 테크니컬센터코리아(GMTCK)는 GM의 All Electrification 미래 전략의 큰 축을 담당하기 시작했다. 현재 3,200여 명의 직원들이 GM이 전 세계적으로 개발 중인 차량 프로그램을 지원하며 다수의 글로벌 Ev 개발과 미래 모빌리티 프로젝트를 진행하고 있다. 쉐보레 스파크, 트랙스, 트레일블레이저, 볼트EV 등 글로벌 차량 개발을 주도하거나 협업을 수행해 왔고, 창원공장에서 생산될 차세대 미래 제품 등 GM의 주요 글로벌 차량에 대한 연구개발 프로그램을 주도하고 있다. 약 500명 이상의 한국인 엔지니어가 얼티엄 플랫폼 기반의 전기차를 포함해 20개 이상 글로벌 프로그램을 지원하고 있다. 사진은 유영우 상무.


GENERAL MOTORS ALL ELECTRIC FUTURE
지엠의 일렉트릭 電擊戰

GM은 모든 사람, 모든 가격대에 대한 EV를 개발하기 위해 노력하고 있다. 새로운 얼티엄 플랫폼을 기반으로 GMC 험머 EV, 쉐보레 실버라도 EV, 캐딜락 리릭 등을 차례로 출시하며 자동차 산업의 지형을 바꾸고 있다. 럭셔리, 고성능, 픽업, SUV, 컴팩트, 그리고 근거리 세컨드카에서 장거리 통근자까지, 배터리 혁신을 근간으로 모든 유형, 모든 가격대의 EV에 전력을 공급할 작정이다. 얼티엄은 GM이 EV 채택을 가속화하고 탄소중립 실현을 가능케 하는 초석이 될 것이다. 11월 17일 제주 신화월드에서 개최된 한국자동차공학회 추계학술대회 및 전시회의 특별세션에서 GM 테크니컬센터코리아(GMTCK)의 두 임원이 플랫폼 이노베이터로 변화하고 있는 GM의 비전과 미래 모빌리티 전략에 대해 말했다. 구동시스템 하드웨어 엔지니어링을 담당하고 있는 유영우 상무의 강연을 소개한다.  

정리 | 한상민 기자_han@autoelectronics.co.kr


 

GM의 미래차 전략은 전기차를 중심으로 한 ‘트리플 제로(Triple Zero)’로 요약된다.



“메리 바라(Mary T. Barra) 회장은 그동안 GM의 비전이 무엇인지, 전기차가 왜 중요한지, 전기차로 나아감에 있어 GM이 준비해야 할 것은 무엇인지, 우리가 마주할 미래와 우리가 풀어야 할 숙제들에 대해 잘 설명해줬습니다. 지난 50년 동안 자동차 산업이 겪은 변화와 혁신보다 지금 현재 맞닥뜨리고 있는 것이 훨씬 더 크고 빠르며 강력할 것입니다. 마차에서 내연기관 시대로 가기까지 이것들은 100년간 공존했지만, 내연기관과 전기차는 그렇지 않을 것입니다. 전기차는 더 빠른 속도로 우리의 삶에 다가오고 우리는 이에 맞춰 살 것입니다. 이와 함께 GM 비전의 또 하나의 시작은 ‘우리가 빌려 쓰고 있는 지구를 후손에게 그대로 넘겨줄 수 있는 ‘배출제로’를 달성하기 위해 전기차가 절대적으로 필요하다’는 것입니다. 

GM의 미래차 전략은 ‘트리플 제로(Triple Zero)’로 요약됩니다. ‘교통사고 제로(zero crashes)’, ‘탄소배출 제로(zero emissions)’, ‘교통체증 제로(zero congestion)’ 실현입니다. 전기차와 안전성 높은 자율주행차가 보급되면 교통사고·탄소배출·교통체증 모두가 사라질 수 있다는 것입니다. 그리고 여기서 한 단계 더 나아가면 로드맵이 나옵니다. 

GM의 로드맵, 그러니까 ‘성능 좋은 전기차 개발’을 떠나 모든 사람이 쉽게 사용할 수 있는 어포더블한 전기차를 만들겠다는 것입니다. 로드맵을 간단히 설명하면, 얼티엄(Ultium) 아키텍처를 기반으로 스마트, 컴팩트 세단, 픽업, SUV, 커머셜 비히클 등 모든 것을 포함하는 다재다능한 시스템을 개발한다는 것입니다. 이미 얼티엄 아키텍처 기반 차량이 시중에 나오고 있습니다. 





GM은 2020년대 중반 예상되는 2세대 얼티엄 팩의 가격이 현재 배터리보다 60% 저렴한 반면 에너지 밀도는 두 배가 될 것으로 예상하고 있다.    



배터리 로드맵  

전기차의 개발, 판매에도 로드 블록은 있습니다. 이것은 내연기관의 파워팩과 비교해 전기차에 파워를 공급하는 배터리 팩의 가격이 월등히 높다는 것입니다. 파워팩 비용을 합리적으로, 효과적으로 줄이지 못한다면 모든 고객에게 다가가기 쉽지 않을 것입니다. 때문에 GM은 어떻게 하면 배터리를 액티마이즈 해 어포더블한 배터리를 개발할 수 있을지를 고민해왔습니다.

GM은 배터리 팩 성능을 떨어뜨리지 않으면서 비용을 낮출 수 있는 개발 활동을 세 가지 단계로 진행 중입니다. 우선은 지속적인 개선입니다. 그리고, 단지 기업적인 마인드에서 ‘우리가 이렇게 하면 되겠지’란 추상적인 것이 아니라, 모든 소비자 니즈를 적극적으로 받아들이고 이를 데이터화합니다. 그리고 소중한 협력사인 LG에너지솔루션과 함께 어떻게 더 좋은 성능의 저렴한 배터리를 개발할 수 있을까에 대한 지속적인 개선, 획기적인 개발을 추진하고 이것들을 GM의 포트폴리오에 반영합니다. 

모든 사람이 SUV만 원하는 게 아닙니다. 어떤 이는 도심 근거리 교통으로만 이용하기 때문에 일평균 주행거리가 30 km 미만이고, 또 어떤 사람은 장거리 통근을 합니다. 이런 다양한 니즈를 받아들여 포트폴리오를 새롭게 구성하고 시장을 확장합니다. 판매 대수가 늘면 가격이 떨어지고 규모의 경제가 발생할 수 있습니다. 그리고 우리는 한 번의 변곡점을 맞이할 수 있을 것입니다. 

기업적인 혁신을 통해 3원계 배터리가 아닌 4원계 배터리를 활용할 수 있을 것입니다. 현재 얼티엄은 배터리의 음극재로 흑연을 사용하고 있습니다. 여기서 GM은 지속적인 개선과 협업을 통해 실리콘을 가미해 음극재에 들어가는 흑연 비율을 낮추려 합니다. 이렇게 해 지금보다 에너지 밀도를 20~30% 높일 것입니다. 양극활 물질도 4원계로 감으로써 좀 더 가격적인 메릿을 갖게 될 것입니다. 궁극적으로는 초박형 리튬메탈을 음극재에 사용하고 양극활 물질에서 안정성과 에너지 밀도를 높일 수 있는 획기적인 방안을 강구함으로써 가격은 60% 낮추고 에너지 밀도는 2배 더 높일 것입니다. 



얼티엄 드라이브 유닛. AWD, 프론트, 리어 전용 드라이브 유닛 등을 포함한다.



유연한 얼티엄   

배터리 로드맵은 결과적으로 폴리폴리오의 전체 로드맵으로 이어집니다. 하지만 단지 배터리에 대한 것만 갖고 비전이 실현되는 것은 아닙니다. 

소비자 니즈는 정말 다양합니다. 이를 반영하기 위해서 GM은 물리적 크기, 일렉트리컬 사이즈, 퍼포먼스라는 3개의 기둥을 기반으로 전기차에서 배터리 모듈, 팩, 모델 포지셔닝 등을 선정하고 있습니다. 물리적 크기와 관련 모델 등급을 어디에 맞출 것인지, 배터리가 장착되는 언더바디 아키텍처 프레임 형상은 어떻게 할 것인지, 주행거리를 어떻게 할 것인지, SOC 레벨은 어떻게 할 것인지, 배터리 사용 보장, 리텐션 전략은 어떻게 할 것인지 등을 정합니다.

그리고 얼티엄 아키텍처, 어떤 컴포넌트를 가져가야 할까를 고민합니다.  얼티엄 아키텍처는 여러 가지 양상으로 나타납니다. 얼티엄 배터리, 얼티엄 드라이브, 얼티엄 인버터, 얼티엄 컨버터, 파워 일렉트리피케이션 등 이전과는 다른 획기적인 기술들을 도입을 함으로써 더 효율적이고, 빠르고, 더 쉽게 차량 성능을 높이고 제어할 수 있는 유연한 시스템을 만듭니다.   

가장 중요한 파트 중 하나는 얼티엄 드라이브 유닛입니다. 이 유닛은 AWD, 프론트, 리어 전용 드라이브 유닛 등을 포함합니다. 각각의 드라이브 유닛에 적용되는 모터는 그 특성, 성능이 다릅니다. 예를 들어, AWD의 경우엔 구름저항이 낮아야 하기 때문에 유도모터를 사용하는 방향으로 가고 있습니다. 프론트 휠 전용, 리어 휠 전용 모터가 있고, 프론트와 리어 휠에 동시 적용될 수 있는 타입도 있습니다. 또 고용량, 고출력의 커머셜용 드라이브 유닛이 있습니다. 이런 드라이브 유닛에 적용되는 모터는 직렬로 연결함으로써 더 큰 파워를 부가해 커머셜용 차량에도 적용할 수 있습니다. 예를 들면 험머 EV가 그런 것입니다.




GMC HUMMER EV는 ZERO5 공장에서 제조된 최초의 Ultium 플랫폼 기반 차량이다. 모듈식 얼티움 베이스는 차량 설계에 따라 적층 및 스케일링이 가능하며 차량 수명 동안 유지보수가 용이하다. 험머 EV 최고사양은 1,000마력의 3모터 AWD 시스템, 한 번 충전으로 563 km를 주행한다. 350 kW의 급속충전을 지원한다.



드라이브 유닛 다음으로 중요한 부분은 배터리 셀입니다. 보통 전기차에서 사용하는 셀은, 테슬라의 18650처럼 원통행 셀도 있지만 대부분 파우치형 셀을 사용하고 있습니다. 하지만 GM은 각형 셀도 검토하고 적용할 예정입니다. 또 양극재에서 코발트를 줄이고 알루미늄을 첨가한 4원계 배터리로 가격을 낮추려 하고 있습니다. 지금까지 배터리 모듈은 단지 셀을 담아놓는, 버스 바를 통해 셀과 셀을 연결해 전압을 만들어주는 틀 정도의 역할로 여겨졌지만, GM은 모든 단계에서, 특히 차량 프레임의 강성에 도움을 줄 수 있는 새로운 모듈로 개발하고 있습니다. 단순히 두껍고 탄탄한 박스가 아닌, 배터리 셀마다 온도와 같은 특성을 체크하고 관리할 수 있는 시스템입니다. 또, 셀은 모듈 내에 수직 방향으로 적용되는 것이 일반적이지만, 언더 바디 프레임에 수평 방향으로도 설치할 수 있는 것처럼 온 더 바디에서 형상에 맞게 다양한 형태, 각도로 조정해 붙일 수 있는 형태로 개발되고 있습니다. 이런 모듈을 통해 두 개 이상의 모터를 사용하는 풀 사이즈 트럭, 롱 레인지 비히클의 경우 배터리 셀을 더 많이 적재할 수 있을 것입니다. 고객 각각의 니즈를 충분히 만족할 수 있는 파워, 주행거리가 가능하도록 배터리 모듈을 매우 유연하게 할 것입니다. GM은 착탈식 배터리 모듈, 팩도 개발하고 있습니다. 




배터리 팩은 차량의 주요 구조 강성 부문이 될 수 있다. GM은 특히 구조 강성, 해석 부문에서 다른 업체보다 월등히 앞서 있다고 자부한다. 



배터리 팩도 차량의 주요 구조 강성 부문이 될 수 있고 이미 제조사들은 자체 배터리 팩을 차량의 구조, 강성 역할을 하는 부품으로 만들어 가고 있습니다. 하지만 GM은 특히 구조 강성, 해석 부문에서 다른 업체보다 월등히 앞서 있다고 자부합니다. 배터리 팩이 좀 망가졌다고 해 전체를 교환하는 일을 없앨 것입니다. 일부 모듈만 쉽게 교환하도록 팩 엔지니어링 컨셉을 잡고 있습니다. 

얼티엄 아키텍처는 비단 우리가 늘 타고 다니는 픽업, 승용차 같은 일반 고객을 위한 것뿐만이 아니라, 밀리터리, 보트, 커머셜 비히클 등 다양한 분야에 적용됩니다. 예를 들어, 와브텍(Wabtec)과 전기기관차를 시연하고 있기도 합니다. 또 전기 컨버전 키트도 하고 있습니다. 내연기관의 엔진과 트랜스미션을 드러내고 전기 파워팩을 집어넣음으로써 나만의 전기차를 꾸밀 수 있도록 하려 합니다. 상당 부분 진척돼 있습니다.