ISSUE


GM 얼티엄 기술: 우리가 알고 있어야 할 것

마케팅이 아닌 최신 엔지니어링으로 전기차 수익 내기

2022.05.25

얼티엄 플랫폼은 표준 모듈, 전력 전기장치, 전기모터와 조합을 이루는 배터리 팩으로 구성된다. 사진에 보이는 섀시의 나머지 부분은 트럭 전용이다
 
최근 뉴스에 GM 얼티엄 플랫폼이 소개되었다. 전기차에 관심 있다면 한 번쯤은 들어봤을 이 플랫폼이 정확히 어떤 구성인지 자세히 알아보려 한다. 얼티엄을 한마디로 요약하자면, 전기모터와 구동장치 제품군에 동력을 공급하는 공유 모듈식 배터리 시스템이다. GM의 최신 ‘자동차 지능 플랫폼(Vehicle Intelligence Platform)’ 전기 아키텍처를 작동하는 얼티파이 소프트웨어 운영 시스템이 이 플랫폼을 면밀히 감독하고 엄격하게 제어한다.

얼티엄 자체는 ‘스케이트보드’가 아니다. 이 플랫폼에 기반해서 나올 차는 다양한 활용 목적에 맞춘 아주 다양한 서스펜션과 프레임을 사용한다. 얼티엄의 진정한 실체는 값비싼 하드웨어를 공유함으로써 자동차 전동화에서 수익을 창출하려는 GM의 로드맵이다(GM 주주라면 진지하게 보기 바란다).
 
배터리 셀, 모니터링 시스템, 핵심 전기모터 아키텍처, 운영 시스템이 주요 공유 대상이다. 이렇게 해서 눈에 보이지 않는 전동화 플랫폼을 전체 제품 포트폴리오로 확장할 수 있다. GM이 계획하는 배터리와 전기모터 조합은 19개다. 놀랄 정도로 많은 현재 내연기관 파워트레인의 조합 550개와 비교해보라.
 
200kWh 팩은 24개 파우치 셀로 구성한 모듈 12개를 2층으로 배치했다

얼티엄 배터리
셀 설계  테슬라는 노트북 스타일의 원통형 배터리 셀을 이용해 시장에 빠르게 진입했다. 마음에 들지 않더라도 손쉬운 이해를 위해서는 테슬라 방식과 비교할 수밖에 없다. 얼티엄 배터리는 원통형보다 에너지 밀도가 높은 대형 파우치형 셀을 사용한다(크기는 584×102×10mm).
 
공간 제약이 있는 배터리 팩에서 파우치형 셀은 배터리 팩 전체의 크기를 줄이는 데 큰 역할을 한다. 표준 사이즈가 정해져 있지 않으므로 목적에 따라 여러 개의 셀을 자유자재로 묶어 사용할 수 있다. 또한 필요에 따라 여러 형태로 만들 수 있는 점도 매력이다. 개당 무게는 대략 1kg이고 0.37kWh의 전기에너지를 저장한다. 공간에 따라 수평이나 수직으로 배치할 수 있고, 보통 24셀 모듈을 묶음으로 제공한다. 이런 설계 방식은 재사용이나 재활용이 수월하다고 알려졌다.

화학작용  니켈-망간-코발트-알루미늄(NMCA) 화학 구성은 볼트 EV의 NMC 방식(둘 다 리튬이온)과 비교해 코발트 사용량을 75% 줄인다. 알루미늄은 전극을 강화하는 역할 외에 배터리 합선을 일으키는 급속 충전 중 리튬 스파크 현상을 막는 데 도움을 준다. 유효한 배터리 수명을 연장하고 잦은 DC 급속 충전에 대한 우려를 줄이는 효과도 낸다.
 
실리콘 기반 전해액을 사용하는 2세대 리튬-금속 배터리는 솔리드 에너지와 함께 개발 중이다. 완전한 고체 상태는 아니지만, 1세대 셀의 60% 비용으로 NMCA 배터리의 에너지 밀도를 2배로 높인다. 이전 버전과 호환도 가능해서 1세대 얼티엄 제품 소유자는 업그레이드 혜택을 누린다.

무선 배터리 관리  GM은 블루투스와 비슷한 2.4GHz 주파수를 사용해 배터리를 무선으로 모니터링하는 기능을 처음 도입했다. 유선으로 연결하는 데 드는 비용과 무게, 복잡성을 줄이고 보증 문제도 해결한다. 배터리 상태를 지속해서 모니터링하고 클라우드에 정보를 공유해 특정 배터리 묶음, 사용 사례 등 잠재적인 문제를 감지한다.
 
배터리 화학물질을 새로 넣거나 송전망 에너지 저장소 등으로 재활용하기 위해 팩을 용도 변경할 때 신속하게 다시 프로그래밍할 수도 있다.

용량/주행거리  8.9kWh 에너지 생성에 적합한 24셀 얼티엄 배터리 모듈 6개를 합쳐 50kWh 용량 팩을 만들면 가장 작은 경차에 쓸 수 있다. 반면, 200kWh 팩은 최상위 모델인 GMC 허머 EV에 알맞다. GMC가 측정한 허머 EV의 주행가능거리는 530km다(EPA 테스트는 무게 제한 초과). 큰 팩을 더 작은 차에 넣으면 640km 넘게 나온다. 100kWh 팩을 넣은 캐딜락 리릭의 주행가능거리는 480km 이상일 것으로 예상한다.

전압/충전  대부분 얼티엄 배터리 팩은 400V에서 작동하고, 250kW까지 급속 충전이 가능하다. 허머 EV에 들어간 400V 팩 2개는 충전 중 800V 시스템을 구현하기 위해 가상의 직렬로 연결된다. 이렇게 하면 350kW로 10분 충전해서 주행가능거리 160km를 확보할 수 있다.

비용  스마트한 설계, NCMA 화학 구성, 수직 통합형 생산 덕분에 팩 수준 비용은 거의 100달러(약 12만 원)/kWh까지 떨어졌다. 2010년 쉐보레 볼트 EV를 처음 만든 때와 비교하면 불과 10분의 1 수준이다. 얼티엄 제품의 수익성을 확보하는 데 매우 중요한 요소다.

확장 가능한 얼티엄 전기모터 제품군은 2개의 영구자석 전기모터와 AC 인덕션 타입 1개로 나뉜다. 모두 공통 고정자 아키텍처(아래)를 공유한다
 
얼티엄 전기모터 제품군
출시 때는 오일 냉각식 축방향 유동 전기모터(신형 팬케이크 스타일이 아니라 전통적인 통 모양) 3개로 구상했다. 영구자석 전기모터 2개의 출력은 241마력과 342마력이고, AC 인덕션 타입 한 개는 83마력을 낸다. 인덕션 타입과 영구자석 전기모터 하나를 짝지어서 고효율 AWD를 구성했는데, 영구자석 전기모터가 ‘타력 주행’ 때 전자기 항력을 발생하지 않기 때문이다. 함께 쌓아 올려 고정자를 형성하는 금속판 형태는 공유한다.
 
강한 전기모터일수록 금속판을 더 공유해 길이가 길어지고, 권선은 더 많이 회전해서 회전자는 공유 영구자석을 더 많이 사용하게 된다. 모두 일반 가공으로 구축할 수 있고, 모든 전기모터는 감속 구동과 전력 인버터로 일체화한다. GM은 입력 출력을 0.01초마다 미세 조정하는 제어 전략을 이용할 계획이다.
 
이렇게 하면 효율성은 거의 97%까지 올라가고 안정성 제어가 개입했을 때 정밀한 제어를 제공할 수 있다. 얼티엄 제품의 첫 번째 응용은 전기모터 3개를 구동장치 5개에 합치는 것이다. 가장 큰 전기모터 2개는 고성능 뒷바퀴굴림을 위해 묶이고, 나머지 3개는 각각 단일 전기모터로 활용한다(대형과 경량 적용 모두 큰 전기모터를 사용하도록 구상했으므로 구동장치가 5개 필요하다). 아래 표는 어떤 차가 어떤 구동장치를 사용하는지 추정한 최선의 결과를 보여준다.
 
3가지 전기모터로 힘을 내는 얼티엄 구동
 
얼티파이 운영 시스템
지난 한 세기 동안 자동차는 가장 대표적인 하드웨어 제품이자 제조업의 총아로 자리매김하고 있었지만, 급변하는 세상 속에서 자동차의 개념 또한 그에 발맞춰 달라지고 있다. 지금은 소프트웨어로 자동차를 정의하는 시대이므로, 얼티엄 전기차는 GM의 핵심 특기가 될 것이다.
 
2019년에 소개한 GM의 ‘자동차 지능 플랫폼’ 전기 아키텍처 버전과도 공유할 예정이다. 이 아키텍처는 매우 빠른 처리 능력, 무선 업데이트와 차대 사물 통신과 전자상거래를 지원하는 강력한 사이버 보안 클라우드 연결을 제공한다. 근본적으로 자동차가 스마트폰처럼 작동한다. 사용자 인터페이스는 얼티파이 운영 시스템을 통해 이뤄진다. 리눅스 기반이어서 GM의 승인을 받으면 GM 직원이 아닌 외부 개발자도 얼티파이에서 실행하는 앱을 쉽게 개발할 수 있다.
 
얼티파이는 2가지 목적에 초점을 두고 개발했다. 하나는 고객 충성도를 높이는 것, 다른 하나는 새로운 수익원 창출이다. 이를 위한 사업 모델로 스트리밍 콘텐츠 구독, 컨시어지 서비스, 영구 업그레이드 판매, 자동차 유효수명 기간(내연기관 자동차보다 훨씬 길다) 동안 임시 기능 임대 등을 들 수 있다. 다음은 몇 가지 잠재적인 기능 출시 계획이다.
 
운전석 카메라와 안면 인식 소프트웨어를 이용한 자동차 인증
지역 일기예보 연동에 기반한 자동 윈도/루프 닫힘
GPS를 이용해 인포테인먼트 화면에 가까운 별자리를 표시하는 천문대 앱
대기 중에 꽃가루가 많을 때 창문을 닫고 공기 내부 순환을 활성화하는 건강 모드
빙판이나 미끄러운 구역, 팬 곳, 장애물 등을 파악하기 위한 주변 교통 모니터링
트랙 데이에 사용할 수 있는 파워트레인과 서스펜션 강화 설정
 
그렇다면 증권가의 반응은 어떨까? 만약 GM이 얼티엄 라인업 전기차로 적절한 수익을 낸다면 그들은 진심으로 경의를 표할까? 테슬라의 대차대조표를 목격한 이후 전기차 신생기업에 대해 이뤄진 과도한 융자는 앞으로 점차 사라질까? 아닐 수도 있지만, GM이 꿈꿔볼 만하다.
 

 

 

 

모터트렌드, 자동차, 전기차, EV, 최신기술, GM, 플랫폼, 얼티엄, 전기모터, 배터리

페이스북 트위터 링크
CREDIT

EDITOR : 프랭크 마커스PHOTO :

모터 트렌드 ©motortrendkorea.com, ©motortrendkorea.co.kr 무단 전재 및 재배포 금지