산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2024.3(p14~17)

테슬라가 추진하는 ‘48V 혁신’
인력 배제의 하네스 기술도 특허 분석으로 판명

“이 자동차에 많은 혁신적 요소를 포함시켰다”. 테슬라의 최고경영자(CEO)인 머스크는 이렇게 말하며 자신감을 내비쳤다. 머스크 CEO는 신형 전기자동차(EV) ‘Cybertruck’의 출하 이벤트에서 샤프한 엣지가 특징인 외관 디자인, 탄환도 관통할 수 없는 강한 도어 패널, 스포츠카를 능가하는 가속 성능 등, 화려한 특징들을 차례로 소개했다.

그 가운데 그가 언급한 것이 ‘48V 혁신’이었다. 언뜻 소박하게 들리지만, 머스크 CEO가 “100년만의 쇄신”이라고 말한 것처럼 자동차 업계에 미치는 임팩트는 클 것으로 전망된다.

-- 도요타도 채택하는 기가프레스 --
테슬라의 발상은 자유롭고 대담하다. 그 대표적인 예가 '기가프레스(Giga Press)'나 '메가캐스팅(Magacasting)'과 같은 명칭으로 테슬라가 사용하는 생산 기술이다. 수십 개의 판금 부품으로 제작되는 부품을 알루미늄 다이캐스팅을 통해 일체물로 성형하는 기술로, 자동차 업계에서는 이례적이었다.

테슬라는 2020년에 이 기술을 도입했다. 처음엔 회의적이었던 경쟁사들도 생산성 측면에서 이점이 많다고 높이 평가하고 있다. 스웨덴의 볼보와 같이 메가캐스팅을 도입하겠다고 정식으로 표명한 자동차 업체도 나왔다. 도요타자동차는 2026년에 투입 예정인 차세대 EV에 이 기술을 채택할 계획을 표명했다.

이러한 상황 속에서 테슬라는 차세대 EV 전용 플랫폼도 준비하고 있다. 그 핵심 기술이 ‘Unboxed Process’이다. 차량의 조립 공정을 근본부터 재검토한 것으로, 제조 코스트를 반감할 수 있다고 한다.

Unboxed Process는 차량을 크게 6개의 블록으로 나누어서 개별적으로 제작해 그것들을 최종 단계에서 한번에 조합해 완성시키는 기술이다. 보디 골격이라는 큰 ‘상자’에 부품을 차례로 설치해나가는 기존의 제조 프로세스를 쇄신할 수 있다.

이 Unboxed Process를 실현하는데 있어서 중요한 키워드가 되는 것이 ‘48V’이다. 기가프레스 이전부터 일관되게 제조 코스트 절감과 생산 자동화에 심혈을 기울여 온 테슬라. 취재 및 특허 등을 분석해본 결과, 사람에 의한 작업이 필수였던 와이어링하네스(이하 하네스)의 설치 공정조차 자동화하는 기술을 준비 중인 것을 알 수 있었다.

"테슬라가 노리는 것은 인력 배제이다." 테슬라의 신기술이 기록된 특허를 읽은 한 일본 부품업체의 하네스 기술자는 이렇게 말한다.

-- 차내 배선 70% 절감 --
테슬라가 Cybertruck에 도입한 48V 시스템부터 정리해보자. 승용차의 저전압 네트워크는 지금까지 테슬라 차량도 포함해 12V 계열이 사용되어 왔다. Cybertruck에서는 이것을 48V 계열로 전환했다.

그 목적은 하네스를 가늘고 가볍게 해서 시스템 전체를 소형화하기 위해서이다. 차량 기기의 동작에 필요한 전력은 전압과 전류의 곱으로 결정된다. ECU(전자제어유닛)나 센서, 헤드램프 등, 대부분의 차량 기기 전압은 12V가 업계 표준이다. 이것을 48V로 높이면 전류가 작아지기 때문에 가는 케이블을 사용할 수 있다.

저전압 네트워크에서 48V 계열 채택을 검토한 바 있는 한 국내 자동차업체 기술자에 따르면, "12V 계열 시스템과 비교해 20~30% 경량화할 수 있다"라고 한다. 원리적으로는 한층 더 경량화가 가능하지만, 하네스의 내구성이나 선재의 라인업 등의 요인을 고려하면 20~30%가 적당하다고 한다.

그럼에도 불구하고 하네스의 무게는 대형차의 경우, 1대당 50kg이 넘는다. 10~15kg의 경량화는 차량의 무게가 항속거리로 직결되는 EV에서 매력적이다.

48V 계열의 도입과 동시에, 테슬라는 ECU간의 네트워크에 Ethernet을 전면적으로 채택했다. 외신 보도에 따르면, Ethernet과 48V 계열에 대해 같은 케이블을 사용하는 ‘PoE(Power over Ethernet)’를 채택했다고 한다.

PoE는 IT 계열의 시스템에서는 일반적이지만, 차량용 네트워크에서는 지금까지 통신과 전력에서 별개의 케이블을 마련하는 것이 상식이었다. 이러한 전기/전자(E/E) 아키텍처의 변경을 통해 “차내 배선을 70% 절감할 수 있었다”(머스크).

“Cybertruck에서는 (액추에이터 등을 연결하는) 하네스가 가장 가까운 ECU에 접속되어 있으며, ECU간이 Ethernet을 통해 접속되는 형태이다. 하지만 Cybertruck에서는 차량을 가로지르는듯한 하네스가 남아 있다. 차세대 PF에서는 이것들을 모두 배제하겠다”. 테슬라의 배넌 Vice President of Low Voltage and Silicon Engineering은 차량용 네트워크의 쇄신에 대해 이렇게 말한다.
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-- 차세대 하네스 구상 드러나 --
배넌 씨가 문제시하고 있는 ‘차량을 가로지르는 하네스’는 Unboxed Process를 채택하는 차세대 PF에서는 방해가 된다. 좁은 틈에 기술자가 설치하는 하네스로는 생산시간 단축이 어렵다.

이러한 과제를 해결하기 위한 테슬라의 도전은 2022년 8월에 공개된 미국 특허 ‘US 2022/0250562 A1’를 통해 드러났다. 제목은 ‘WIREING SYSTEM ARCHITECTURE’로 심플하지만, “테슬라가 실현하고 싶은 차세대 하네스의 구상이 담겨져 있다”(하네스 기술자).

차세대 하네스 구상의 핵심은 차내의 외주부(外周部)를 둘러싸듯이 배치한 하네스 간선이다. 테슬라는 'backbone'이라고 부르며, 여기에서 ECU나 액추에이터와 연결하는 지선을 내어 연결해 나갈 계획이다. 각 ECU와 저전압 전원(배터리)을 개별적으로 배선하는 기존 시스템과 비교해 배선을 크게 간소화할 수 있다.

테슬라는 더 나아가 하네스 조립의 자동화도 노리고 있다. backbone간이나 backbone과 지선의 접속, backbone과 차체의 고정 등을 로봇 작업을 전제로 한 설계로 했다. 나사나 볼트로 용이하게 접속할 수 있는 구조로, “하네스 공정에서 인력은 불필요해질 가능성이 높다”(하네스 기술자)라고 한다.

물론, 실용화를 위해서는 과제도 있다. 복수의 하네스 기술자들이 지적하는 것이 backbone의 신뢰성이다. backbone은 딱딱한 프레임으로 케이블을 덮는 구조로 되어 있어 유연성이 부족할 것으로 보인다. 이러한 구조에서는 자동차의 보디가 주행 상태에 따라 일그러지거나 뒤틀리기 때문에 케이블이 단선될 리스크가 있다.

테슬라의 배넌 씨는 “Cybertruck 이후의 EV를 48V 계열로 전환할 방침이다. 다른 자동차 업체와 공급 업체들도 꼭 이 흐름에 참여해 주었으면 한다”라고 설명한다. 당장 양산차에 탑재될 수 있을지는 장담할 수 없지만, 48V 계열은 차세대 하네스 구상을 구현한 시스템으로 진화해나갈 것이다. 기가캐스트에 이어 이번에도 다른 자동차 업체들은 테슬라의 뒤를 쫓을 것인지 귀추가 주목된다.

 -- 끝 --

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