Nikkei Automotive_2023.7 특집 요약 (p54-59)

테슬라의 제조혁신 (후편)
전동엑슬 1,000달러 이하, 차세대 EV가 쥐고 있는 패

2030년까지 연간 2,000만대의 전기자동차(EV)를 생산하겠다고 선언한 미국의 테슬라. 그 야망을 실현하는데 빼놓을 수 없는 것이 비용 저감이다. 2023년 3월에 개최한 설명회 '2023 Investor Day'에서 보여준 ‘차세대 EV가 쥐고 있는 패’를 해설하는 후편 기사는 전동 파워트레인과 충전 인프라의 비용 저감 대책이나 부품의 안정적인 조달을 위한 테슬라의 방침을 정리한다.

테슬라가 전동 파워트레인 비용을 대폭 낮춘다. 희토류 금속을 전혀 사용하지 않는 구동용 모터를 개발해, 인버터에 탑재하는 탄화규소(SiC) 파워반도체는 기존 시스템 대비 75%나 줄인다. 저가 EV 전용으로 준비한 자동차의 심장부가 보이기 시작했다.

테슬라에서 파워트레인 부문을 통괄하는 콜린 캠벨(Colin Campbell) 부사장은 “차세대 파워트레인 비용을 1,000달러까지 낮추었다. 다른 자동차 업체는 이 숫자에 근접하지 못했을 것이다”라고 확신에 찬 자신감을 보이며 이렇게 말했다. 테슬라가 3월 1일에 투자자를 대상으로 개최한 설명회 '2023 Investor Day'에서 한 말이다.

여기서 말하는 전동 파워트레인은 구동용 모터와 인버터, 감속기로 구성된 일체형 유닛을 말한다. 이른바 전동액슬(e액슬)과 동의어다.

-- 희토류 금속을 사용하지 않는 영구자석식 모터 --
‘희토류 금속 프리'. 가격 급등이나 산출이 중국에 편재하는 지정학적 리스크를 피해 희토류 금속을 사용하지 않는 구동용 모터 개발이 가속화되고 있다. 예를 들면, 니혼덴산은 2023년 가을에 희토류 금속 프리 모터를 탑재한 전동액슬의 양산을 시작할 예정이다.

테슬라도 “희토류 금속의 수요는 극적으로 증가하고 있다. 확보가 어려울 뿐만 아니라 희토류 금속의 채굴에는 환경과 건강 등의 면에서 리스크를 수반하기 때문에 더욱 어렵다”라는 문제의식을 갖고 있다.

희토류 금속을 많이 사용하는 것은 영구자석식 동기모터이다. 테슬라는 ‘모델S’나 ‘모델X’에서는 구동용으로 영구자석을 사용하지 않는 유도모터를 사용했었다. 그 이후에 출시한 ‘모델3’와 ‘모델Y’에는 뒷바퀴 측에 영구자석식 동기모터를 채택했다.

이 모터는 네오디뮴(Nd) 자석을 사용한다. Nd를 기반으로 고온 환경에서도 보자력(자력을 유지하는 힘)을 높이기 위해 디스프로슘(Dy)이나 테르비움(TB)을 첨가하는 것이 일반적이다.

테슬라는 차세대 파워트레인 전용의 구동용 모터에 대해서 “희토류 금속을 일절 사용하지 않는 영구자석식 모터를 선택했다”라고 밝힌다. 모델Y의 구동 모터에서는 3개의 희토류 금속을 사용하고 있다고 한다. 모터 1개당 사용량이 약 500g으로 많은 것이 Nd이고, 약 10g을 사용하는 2가지 재료가 Dy와 Tb로 추정할 수 있다.

희토류 금속 프리를 실현하는 수단으로는 유도모터나 권선계 자기식 동기모터 등이 있지만 모두 자석을 사용하지 않는 모터이기 때문에 테슬라의 차세대 제품에는 해당되지 않는다. 영구자석식 동기모터에서는 사마륨코발트(Sm-Co) 자석을 사용하는 움직임도 있지만 Sm은 희토류 금속이다.

테슬라는 세부사항을 공개하지는 않았지만 발표 내용을 충족시킬 후보 중 하나가 페라이트 자석을 사용하는 동기모터일 것이다.

Nd 자석이나 Sm-Co 자석에 비해 자력에서 떨어지지만 그 약점을 해소하고 있다. 예를 들어 Proterial(구 히타치금속)은 “일정 조건 하에서는 네오디뮴 자석을 사용하는 모터와 동등한 레벨의 출력을 얻을 수 있는 것을 시뮬레이션으로 확인했다”라고 22년 12월에 발표했다. 이미, 전동차 전용의 구동용 모터용 자석으로서 제안을 시작했다고 한다.

-- SiC 삭감을 위한 2개의 포인트 --
1,000달러 이하의 전동 파워트레인의 실현을 위해 모터와 함께 중요해지는 것이 인버터의 비용 절감이다. 테슬라의 인버터는 파워반도체에 SiC를 풍족하게 사용해왔다. 캠벨 부사장은 “SiC는 훌륭한 반도체지만 고가이기 때문에 차량의 양산 규모를 확대하는 것이 어렵다”라며, 차세대 제품에서는 SiC를 75% 줄이는 방법을 생각했다고 한다.

캠벨 부사장은 구체적인 감축 수단은 언급하지 않았지만 타사와 비교했을 때 테슬라의 우위성으로 열 대책과 전용 반도체 2가지를 꼽았다.

SiC 파워반도체에는 대전류를 흘려보내기 때문에 수냉 방열기구가 필수다. 테슬라는 파워반도체를 수냉하는 막대 모양의 핀의 모양과 배치를 고안해 냉각 성능을 높였다. 게다가 인접하는 모터나 감속기의 유냉 기구도 활용하는 ‘더블 냉각’으로 했다.

캠벨 부사장은 “이러한 고안을 통해 시판 인버터에 비해 2배의 방열 성능을 실현했다. 방열 성능을 높일 수 있으면 SiC 파워반도체 칩을 보다 작게 할 수 있다”라고 말한다.

두 번째 전용 반도체에 관해서는, 파워반도체를 제어하는 MPU(Micro Processing Unit) 전용품을 개발했다. 기존 시스템에서는 범용 MPU를 4개 사용하고 있었는데 1개의 전용 MPU로 대체되었다. 이를 통해 비용은 절반으로 줄일 수 있었다고 한다.

-- 충전기는 하드웨어와 소프트웨어의 양 바퀴로 --
테슬라의 충전 인프라 담당 수석 이사인 레베카 티누치(Rebecca Tinucci) 씨가 “최근 몇 년간 kWh당 급속 충전기의 충전 비용을 40%나 낮출 수 있었다”라고 말하는 것처럼 테슬라는 충전 관련 비용 저감에도 주력하고 있다.

급속 충전기 충전 비용이란 전기요금을 제외하고, 그 인프라 상각에 드는 비용을 총 충전량으로 나눈 값이다. 인프라 구축 비용이 저렴할수록, 그리고 같은 급속 충전기로 많이 충전할수록 이 값은 작아진다.

전자의 인프라 구축 비용 저감에 대해서는 하드웨어 비용과 설치 비용의 양면에서 대응하고 있다고 했다. 우선, 하드웨어는 “충전기의 설계부터 제조까지 수직통합으로 (EV 등의) 다른 제품과도 부품 레벨에서 공유하고 있기 때문에 타사와 비교해 염가로 제조할 수 있다”(티누치 씨). 주거용 교류(AC) 충전기의 경우, 경쟁사와 비교해 소매가격이 북미에서 20%, 유럽에서 50% 저렴하다고 밝혔다.

설치 비용에 대해서는, 급속 충전 사이트에 관해 자사에서 토지를 확보함과 동시에 설치도 시행, 그 건설에서도 새로운 방법을 시도하고 있다고 한다. 그 구체적인 예로 티누치 씨는 미국 뉴욕주에서의 대응을 들었다.

테슬라 공장에서 토대에 4대의 고속충전기를 장착한 유닛을 만들고, 트럭을 이용해 그것을 그대로 현지로 수송한다. 현지에서는 크레인을 사용해 유닛을 내려 지면에 고정하는 방법을 취한다. 이 결과, 설치 비용을 15% 절감하고 설치 기간도 며칠 만에 완료할 수 있었다고 한다. “설치가 빠르면 빠를수록 그만큼 빨리 충전 서비스를 제공할 수 있기 때문에 비용을 저감할 수 있다”(티누치 씨).

급속 충전 사이트에서는 하드웨어 비용과 도입 비용의 합계가 경쟁 타사의 평균과 비교해 호주에서 35%, 미국 캘리포니아주에서 55%, 뉴욕주에서 75% 낮다고 한다.

충전기 1기당 충전량은 최근 몇 년간 30% 향상시킬 수 있었다고 한다. 하지만 단순하게 충전기 1기당 충전량을 늘리게 되면 유저의 대기시간을 길어져 불만으로 이어질 가능성이 있다.

그러나 테슬라는 ‘차량과 인프라 데이터를 모두 파악하고 있고, 이 데이터를 사용해 유저를 전체적으로 최적의 충전 사이트로 안내할 수 있다’는 사실로 이 문제에 대처하고 있다고 한다. 실제로 이용률은 전술한 바와 같이 30% 향상되었음에도 불구하고, 충전 사이트에서 유저가 기다릴 가능성은 2%에서 1%로 반감했다고 한다. 향후 개량을 통해 한층 더 개선할 수 있다고 한다.

-- 코로나19 사태의 '악몽'이 교훈 --
차량과 충전 인프라의 양면에서 비용 절감을 추진해 연산 2,000만대를 목표로 하는 테슬라. 그 야망을 달성하는 데 중요한 역할을 담당하는 것이 공급업체다.

“그것은 악몽이었다”. 테슬라의 칸 부디라지(Karn Budhiraj) 부사장은 코로나19 감염 확대에 수반하는 부품 부족이나 생산 혼란을 이렇게 회고했다. 부품 하나만 부족해도 가동 중단에 내몰리는 자동차 생산라인. 부품의 안정적 조달은 테슬라가 생산 규모를 키우는 데 필수 조건이다. 또 다시 악몽을 꿀 수는 없다.

2023 Investor Day에서는 공급망을 담당하는 2명의 부사장이 등단했다. 1명이 부디라지 씨로, 전자 부품이나 파워트레인, 배터리 관련 사업을 통괄한다. 또 다른 한 명이 로샨 토마스(Roshan Thomas) 씨로, 차량을 비롯한 상품과 태양광 패널, 설비 등을 관리하고 있다.

2명의 부사장이 프레젠테이션에서 강조한 것은 ‘공급망의 간소화’이다. 토머스 부사장은 “공급망의 간소화가 연산 2,000만대라는 목표에 대해 자신 있게 스케일 업 할 수 있는 유일한 방법이라고 생각하고 있다”라고 말했다.

공급망이라는 ‘완벽을 요구하는 게임’에서 플레이어는 적을수록 미스가 발생하기 어렵다. 휴먼 에러도 무시할 수 없다. 그래서 테슬라는 소수 정예 팀으로 완전 자동화를 목표하는 쪽으로 방향을 틀었다.

-- 공급업체의 의자 뺏기 게임 --
“테슬라는 플랫폼(PF) 쇄신을 계기로 거래하는 공급업체를 극적으로 줄였다”(부디라지 부사장). 모델S와 모델X에 사용하는 PF(이하, SX-PF)에서는 1차 부품업체(티어1)로부터 조달하는 부품은 3,400개, 2차 부품업체(티어2)에서는 2만 1,000개였다. 이를 모델3와 모델Y에 사용하는 PF(이하, 3Y-PF)에서는 티어1에서 2,100개, 티어2에서 1만 9,000개로 줄였다.

“테슬라는 PF의 이행을, 부품 수의 삭감은 비용 저감뿐만 아니라 공급업체의 능력을 판별하는 필터로서도 사용했다”(부디라지 부사장). SX-PF에서 많은 공급업체로부터 부품을 조달해 넓은 망을 쳤다.

그래서 공급업체의 기술력과 재정적 측면 등을 판단해 테슬라의 기준에 맞지 않는 업체를 3Y-PF에서는 사용하지 않았다는 것이다. 테슬라는 저가의 차세대 EV를 위한 새로운 PF를 준비중이며, 공급업체 수를 계속해서 줄여 나갈 방침이라고 한다.

공급업체가 의자 뺏기 게임에서 계속 승리하기 위해서는 테슬라가 요구하는 생산 자동화에 대응해야 한다.

원래 테슬라는 공급업체로부터 기성 부품을 구입하지 않는다. “부품을 전용 설계하고, 공급업체의 거점에서 수 주에서 수 개월간 머물면서 생산라인을 만들어 가동시킨다”(부디라지 부사장).

지금까지는 사람이 주체인 생산 라인도 많았지만 코로나19 사태로 자동화가 가속화되었다. 일례가 EV의 열 관리 시스템의 ‘사령탑’을 담당하는 히트 펌프 ‘Octovalve’이다. 실내 공조나 리튬이온 배터리, 파워트레인, 전자제어유닛(ECU) 등 냉각/가온이 필요한 부품의 온도를 관리하는 것으로, 100개 이상의 부품으로 구성한다.

100개 이상의 부품을 전 세계의 공급업체로부터 수집하고 있었는데, 원격 관리가 어려워 품질면에서 많은 문제가 발생했다고 한다. 그래서 조립 작업의 일부를 자동화했지만 그래도 품질은 개선되지 않아 가일층의 자동화를 결정했다.

자동화 라인은 시뮬레이션으로 사전 검증을 하고, 공장 레이아웃을 여러 번 재검토해 프로세스를 최적화. “어느 기기를 구입하고, 무엇을 테스트하면 좋을지까지 세세하게 공급업체에게 전달했다”(토마스 부사장). 자동화 라인의 도입을 결정하고 나서 약 8개월 만에 완성했다. 그동안은 1,000명의 직원이 필요했지만 10명이면 충분하게 되었다. 불량률은 한 자릿수 떨어졌다.

노동력 확보는 앞으로 더욱 어려워질 것이다. 인건비가 늘어나는 가운데 노동인구는 계속 감소하고 있다. 게다가 노동인구의 교체도 심하다. 한편, 자동화 라인의 도입 비용은 향후 10년 동안 1/3로 줄어들 것으로 테슬라는 전망한다. 연산 2,000만대의 실현을 위해서는 사람의 노동력에 의지하지 않는 자동화 라인의 전면 도입이 필수라고 했다.

-- 여러 업체로부터의 구매를 강화 --
그러나 공급업체를 지나치게 좁히는 폐해도 있다. 한 공급업체에 부품 조달을 지나치게 의존하는 리스크는 코로나19 사태에서 얻은 교훈이다. 테슬라는 지금 중요 부품의 일부를 2사, 혹은 3사로부터 조달하는 일에 착수하고 있다고 한다.

“반도체 부족도 코로나19 사태에서 직면한 과제이지만 공급망의 관점에서는 연산 2,000만대 달성에 장해가 된다고는 생각하지 않는다”(부디라지 부사장). 테슬라는 23년에 180만대 이상의 EV를 생산할 예정이며, 12인치 웨이퍼 환산으로 약 70만장을 소비할 전망이다. 현재 세계의 웨이퍼 공급 능력은 1억 3,500만장 정도이며, 테슬라의 점유율은 0.5% 수준이다.

연산 2,000만대가 되면 어떨까? 테슬라는 800만장의 웨이퍼가 필요할 것으로 추산한다. 그럼에도 점유율은 5% 미만이다. “파트너와 협력해 생산 능력의 증강에 투자해 나간다면 필요할 때에 필요한 수의 반도체를 확보할 수 있을 것이다”(부디라지 부사장).

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