Nikkei Automotive_2023.6 특집 요약 (p58-63)

테슬라의 제조 혁신 (전편)
EV 코스트 반감, 차세대 EV가 쥐고 있는 패 

2030년까지 연간 2,000만대의 전기자동차(EV)를 생산한다. 이런 장대한 계획을 내세우는 미국 테슬라가 손에 쥐고 있는 패를 공개했다.

테슬라는 2023년 3월 1일에 투자자를 대상으로 개최한 설명회 ‘2023 Investor Day’를 개최. EV의 저비용화를 위한 새로운 플랫폼과 부품의 조달 리스크를 억제하는 공급망, 공장이나 충전망의 진화 등 다양한 테마에서 구체적인 대응을 소개했다. 약 3시간 반 동안 열린 행사에서 공개한 중요 포인트를 전편, 후편으로 나누어 해설한다.

결국 저가의 신형 전기자동차(EV) 발표는 없었다. 미국 남부 텍사스주 오스틴 행사장에 몰려든 투자자들은 실망했고, 온라인 중계를 지켜본 사람들은 한숨을 내쉬었다.

‘기대 밖’이라는 낙인이 찍힌 것은 미국 테슬라다. 테슬라는 2023년 3월 1일에 투자자를 대상으로 설명회 ‘2023 Investor Day’를 개최했다. 2030년까지 연간 2,000만대의 EV를 생산한다는 장대한 계획을 달성하기 위한 저렴한 가격의 차세대 EV 발표를 모두가 기다리고 있었다.

3시간에 걸친 설명회에서는 흰색 베일을 씌운 차세대 EV 일러스트를 보여주는 데 그쳤다. 여러 모델을 준비하고 있다는 것은 알았다. 설명 종료 후의 질의응답 시간이 30분가량 이어졌지만 구체적인 이미지는 보이지 않았다. 테슬라의 일론 머스크 CEO는 “정식 제품 이벤트는 향후 개최할 계획이다”라며 확실한 대답은 피했다.

2030년까지 연간 2,000만대의 EV를 생산하기 위해서는 저가의 EV 투입이 필수이다. ‘1,000만대 클럽’인 도요타자동차나 독일 폭스바겐을 뛰어넘기 위한 필수 조건이다. 테슬라가 내세우는 미션 '세계의 지속가능에너지로의 시프트 가속화'를 달성하기 위해서도 차세대 EV가 중요한 역할을 담당한다.

3시간 반의 대장정이 된 설명회는 개운치 않은 뒷맛으로 끝났다. 그럼에도 발표 내용을 냉정하게 살펴보면 테슬라의 혁신을 예감케 하기에는 충분한 내용이었다.

테슬라는 차세대 EV로 전용 플랫폼(PF)과 파워트레인, 전기/전자(E/E) 아키텍처를 쇄신한다. 또한 충전망이나 공급망, 차량이나 배터리의 제조 거점을 진화시킨다. EV를 충전하는 재생가능 에너지의 보급을 위한 정치용 축전지의 대처도 가속시킬 계획이다.

-- '가장 중대한 구조 변화'를 차세대 EV로 --
‘언박스 프로세스(Unboxed Process)’. 이것이 테슬라가 준비하는 차세대 EV 전용 PF의 최대 중요 키워드이다. 차량의 조립 공정을 근본부터 재검토함으로써 제조 비용을 반감할 수 있다고 한다. 머스크 씨는 “지금까지도 수많은 작은 개량을 거듭해 왔다. 하지만 가장 중대한 구조적인 변화는 미래의 EV에서 실현한다”라고 말해 차세대 PF에 자신감을 내비쳤다.

테슬라의 Vice President이면서 차량 엔지니어링 책임자인 라스 모래비(Lars Moravy) 씨는 “헨리 포드 씨가 (벨트 컨베이어 생산라인을 사용하는) 차량 조립 방법을 발명한 지 약 100년이 지났지만, 이에 변화를 일으키기는 정말 어려운 일이다. 그래도 생산 방법을 다시 생각하지 않으면 안 된다”라고 힘주어 말했다.

테슬라가 쇄신의 여지를 찾은 것은 보디 골격이라는 큰 '상자'에 부품을 차례로 장착해 나가는 프로세스다. 'T형 포드'의 대량생산을 가능하게 한 개념으로 많은 자동차 업체들이 현재도 계속 채택하고 있다. 테슬라도 예외는 아니다.

‘모델3’이나 ‘모델Y’와 같은 테슬라의 양산차를 예로 현행의 생산 프로세스를 정리해보자. 우선 강판 프레스 가공과 알루미늄(Al) 합금의 주조 등을 통해 준비한 골격 부품을 조합해 화이트 바디를 만든다. 여기에 문을 붙이고 도장한다. 그 후에 도어를 일단 분리하여 부품을 설치하기 쉽도록 ‘상자’ 상태로 만든다.

‘상자’ 상태가 되면 내장 부품을 장착해 나간다. 다음으로 차체를 들어올려 하부부터 배터리나 구동용 모터와 같은 전동 파워트레인을 장착한다. 다시 차체를 내리고 시트를 싣는다. 창문 유리를 끼우고, 문을 다시 달면 완성이다.

모래비 씨는 이 프로세스가 갖고 있는 몇 가지 과제를 시사했다. (1) 계기판이나 시트와 같은 대형 내장 부품을 도어를 떼어낸 좁은 개구부를 통해 넣어야 하는 것, (2) 문을 달거나 분리하는 수고가 발생하는 것, (3) 차체를 올렸다 내렸다 해야 한다는 것 등이다. 모두 택트 타임(Tact Time)에 영향을 준다.

‘상자’에 담는다는 대전제로 인해 발생하는 더 큰 과제가 있다. 바로 생산라인이 연결돼 있다는 것이다. 조립 공정의 어딘가에 오류가 발생하면 생산라인 전체가 멈춘다. 테슬라가 모델3에서 ‘생산 지옥에 빠졌던’ 원인의 일단도 여기에 있었다.

-- 멕시코의 신축 공장부터 도입 --
언박스 프로세스는 차량의 생산 프로세스에서 발생하는 이러한 과제를 해결하는 것을 목표로 한다. 이름 그대로 ‘상자’는 준비하지 않는다. 차량을 크게 6개 블록으로 나눠 개별적으로 만들고, 이들을 최종 단계에서 한꺼번에 조합해 완성한다. 구체적으로는 '차량 앞부분', '차량 뒷부분', '차량 바닥부분', '도어와 프론트 후드', '차량 우측의 어퍼 바디', '차량 좌측의 어퍼 바디'를 각각 서브라인에서 생산한다.

예를 들어 차량 앞부분은 계기판과 스티어링 부품, 앞바퀴 타이어 등으로 구성한다. 기존 프로세스에서는 계기판을 도어의 개구부를 통해 차내에 신중하게 넣어 장착했기 때문에 사람도 로봇도 움직임이 어색할 수밖에 없었다. 새로운 프로세스에서는 이 제약이 없어지기 때문에 작업이 쉬워진다. 로봇의 움직임을 고속화하거나 그동안 사람이 맡아온 작업을 로봇이 대체할 수 있을 것이다.

시트의 경우, 앞자리는 차량 바닥 부분의 블록에, 뒷자리는 차량 뒤쪽 부분의 블록에 붙여 둔다. 블록 별로 생산하기 때문에 더 많은 사람들이 동시에 작업할 수 있게 된다. 테슬라는 작업자의 밀도가 44% 높아질 것으로 시산했다. 어딘가의 블록의 서브라인에서 생산이 멈춰도 다른 블록은 계속 움직일 수 있다.

작업 효율뿐만 아니라 공간 효율도 높일 수 있다고 한다. 큰 ‘상자’가 움직이는 장대한 컨베이어 벨트를 없앨 수 있다. 도장은 화이트 바디 통째로 도장하는 것이 아니라 블록별로 도장한다. 이런 일련의 작업들을 통해 공장의 면적을 40% 이상 삭감할 수 있다고 한다.

테슬라는 언박스 프로세스를 멕시코 북부 누에보레온주에 신설하는 공장부터 도입할 예정이다. 멕시코에서 만들어지는 차세대 EV가 ‘도요타 초월하는’ 시금석이 된다.

-- 12V계에서 48V계로 전면 이행 --
100년 만의 제조 쇄신을 통해 EV 비용을 절반으로 줄이는 것을 목표로 하는 테슬라는 차량의 저전압 네트워크에서도 큰 변혁을 일으킨다. “(2023년에 출하 예정인) ‘Cybertruck’ 이후의 EV를 48V계로 이행한다. 다른 자동차 업체나 공급업체도 꼭 이 조류에 참가했으면 좋겠다”. E/E 아키텍처에 대해 설명한 테슬라의 Vice President of Low Voltage and Silicon Engineering의 피트 배넌(Pete Bannon) 씨는 이렇게 선언했다.

지금까지 차량의 저전압 네트워크는 테슬라 자동차도 포함해 12V계가 사용되어 왔다. 배넌 씨에 따르면 48V계로 이행하는 이유는 하네스를 가늘고 가볍게 하여 시스템 전체를 소형화하기 위해서라고 한다.

“(차량의 저전압 네트워크에) 12V계가 채택된 이래 60년간 차량에 필요한 전력은 해마다 증가했고, 지금은 200A를 넘었다. 이를 처리하기 위해 하네스는 무거워지고 비용도 증가하고 있다. 12V에서 48V로 변경하면 같은 전력에 대해 필요한 전류가 4분의 1이 된다. 하네스의 전력 손실은 저항에 전류의 제곱을 곱한 것이므로 전력 분배 경로에서 소비되는 전력은 16분의 1이 된다.

이를 통해 지금까지 보다 얇은 와이어, 작은 e퓨즈, 작은 컨트롤러(=ECU: 전자제어유닛)를 채택할 수 있게 된다. 또한 (부품을 식히기 위한) 히트 싱크의 크기를 줄이거나 히트 싱크 자체를 없애서 질량과 부피 면에서 차량에 좋은 영향을 초래한다”(배넌 씨).

이 밖에 저전압계의 축전지로서 22년부터 납축전지를 그만두고, 공구가 필요 없는(Toolless) 커넥터를 채택한 리튬이온 배터리를 채택하고 있는 것도 분명히 했다. 납축전지는 4년 정도면 교체해야 하는데 리튬이온 배터리라면 차량과 같은 수명을 확보할 수 있는데다 부피를 87%나 줄일 수 있다고 했다.

-- ECU는 100% 자체 제작 --
이어 배넌 씨는 차세대 EV의 네트워크에 대해서도 방향성을 제시했다. ECU간 네트워크에 Ethernet을 전면적으로 채택해, 각 액추에이터/센서가 가장 가까운 ECU에 접속하는 형태를 취한다고 한다.

“Cybertruck에서는 (액츄에이터 등을 묶는) 와이어가 가장 가까운 ECU에 접속되고, 그러한 ECU끼리 Ethernet을 통해서 접속되는 형태가 된다. 와이어에서 ECU로 이동하는 데이터는 네트워크 패킷으로 변환돼 차량 내 적절한 장소로 배송된다.

이를 실현하기 위해서는 고신뢰성의 네트워크와 저지연, 저지터(Low Jitter)를 갖추고 있어야 하는데, 이들은 현재 설계로 달성할 수 있었다. 다만 Cybertruck에서는 차량을 가로지르는 듯한 와이어가 남아 있다. 차세대 PF에서는 그것들 모두를 배제한다”(배넌 씨).

이 아키텍처를 실현하기 위해 차세대 EV에서 ECU는 100% 테슬라가 제작한다. 또한 내제율(内製率)은 지금까지도 계속 늘려오고 있었다. 17년에 투입한 모델3에서는 56%, 20년에 투입한 모델Y에서는 61%, Cybertruck에서는 85%의 내제율을 달성했다고 한다.

배넌 씨와 함께 설명에 나선 테슬라의 Vice President of Software Engineering인 데이비드 라우(David Lau) 씨는 “모든 ECU를 내제화하는 방법으로, 개별 ECU를 제어하는 것이 아니라 ECU 전부를 소프트웨어로 제어할 수 있게 되면서 유연하고 동적인 제어가 가능해진다”라고 말했다.

또한 네트워크를 Ethernet로 통일함으로써 시스템 장해를 분리하는 것이 쉬워진다고 한다. “단일 접속을 통해 이전에는 디버깅할 수 없었던 차량 전체를 볼 수 있기 때문이다”(배넌 씨).

초기 양산차인 12년에 투입한 '모델S'에서는 "부품업체에서 제공받은 ECU를 테슬라가 조립하는 식으로 되어 있었다. 글러브 박스의 조명용 같은 흔한 것부터 인포테인먼트 시스템용 컴퓨터 같은 복잡한 것, 에어백이나 브레이크 등 안전에 관련된 것까지 모두 개별적으로 잘라낸 저전압 하네스와 압착된 커넥터로 접속돼 있었다. 문제가 생겼을 때 원인이 하네스인지 커넥터인지 컨트롤러 소프트웨어인지 구분하기 어려웠다”(라우 씨).

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