자동차 전기이동성과 가치 창출

기후보호 때문인지 정책적 압력 때문인지, 자동차산업에 전기 드라이브 트레인이 증가하고 있다. 전통적인 드라이브 트레인의 추력이 떨어지면서 그 제조법과 기술이 가속을 잃고 있다. 기계 엔지니어링과 드라이브 제조사들도 변화된 제품 포트폴리오를 통해 전기이동성으로 전환하고 새로운 가치창출 잠재력을 개발해야 한다.

슈테파니 미헬 & 슈테파네 이타세

드라이브 트레인의 전기화는 이동성만 변화시키는 것이 아니라, 제조산업과 기계 엔지니어링의 판도를 바꾸고 있다. 전기 드라이브에 대한 요건이 새로운 생산방법을 요구하고 있으며, 차량의 컴포넌트들도 변화가 뒤따르고 있다. 부품업체들은 자동차 제조사의 공급체인으로서 그리고 제조되는 생산개수에서 이에 부응해야 하고, 자동차 제조사들도 복잡해지는 전기이동성으로의 전환을 프로세스 체인에 통합하는 과제를 수행해야 한다.

자동차산업을 중심으로 한 네트워크에서 공작기계 제조사가 그 중심을 차지하고 있다. 공작기계 제조사들도 지금까지 내연기관에 편중되었던 제조방법에서 전기모터를 위한 전환에 적극적으로 대응해야 한다. 성형공정은 점차 조립 프로세스에 의해 대체되고 있다. 이러한 조립 프로세스는 전기모터나 배터리, 연료 셀 제작과정에서 큰 역할을 한다. 아직 자동차산업에는 절삭가공하는 부품들이 많지만, 그 비율이 점점 줄어들고 있다. 이제 공작기계 제조사들도 전기이동성과 관련하여 새로운 제품을 개발하고 미래 지향적인 비즈니스 모델을 제시해야 한다.

이번 논의의 초점은 전기 파워트레인과 전기모터에 있으며, 바로 이 지점에서 기계 엔지니어링의 혁신적인 동력이 요구되고 있다. 현재 기업들은 전기자동차의 판매부진으로 변화의 시기가 다가왔는지 의문을 가지고 있다. 또한 2030년 전기자동차 판매에 대한 예상과 계획이 있지만 공통된 결론에는 이르지 못했다. 유럽의 주조화학 산업협회의 최신 연구에서 2030년 전기자동차 비율이 판매량에서 약 30%가 될 것으로 예상하였다. 하지만 VDMA에서는 „변화하는 드라이브“라는 연구에서 21%에 그칠 것으로 부정적인 결과가 나왔다. 그럼에도 불구하고 자동차산업에서 전기 드라이브는 그 비율이 점점 높아지고, 내연기관 차량의 생산량은 줄어들 것으로 누구든지 예상할 수 있다. 이러한 장기적인 변화에 직면하여 생산기계와 드라이브 시스템 공급자들은 미래의 변화에 대비해 준비하는 것이 중요하다.

Trumpf의 헤어핀 용접 레이저 기술을 이용하면 두꺼운 구리 와이어로 코일을 감지 않아도 된다.

이러한 새로운 변화에 대비하고 있는 기업 중 하나가 바로 Trumpf이다. 이 회사는 사내 전시회를 통해 전기모터의 모든 용접을 1분 안에 마칠 수 있는 레이저 공정을 선보였다. „헤어핀에 대한 용접법으로 전기모터를 빠르고 안전하게 비용 효율적으로 제작할 수 있습니다. 예를 들면, 강한 전기모터를 위해 코일을 어렵게 감지 않아도 됩니다.“(크리스티안 슈미츠, Trumpf 레이저기술 최고 경영자)

헤어핀 방법에서는 압축공기 건이 헤어핀과 유사한 사각의 구리 와이어를 모터 가장자리에 있는 홈에 쏜 다음, 와이어들이 서로 꼬이게 레이저로 용접한다. 자동차산업에서 미래의 구동장치는 전기모터에 있다. 전기모터는 하이브리드 자동차와 연료 셀 자동차 그리고 순수 전기자동차에게 모두 필요한 중요한 요소이다. 현재는 유도모터와 영구여자 동기모터 그리고 타여자 동기모터를 주로 사용하는데, 중요한 것은 전기모터를 대량 시리즈로 제작할 수 있어야 하고, 이를 위해 헤어핀 공정이 필요하다. „헤어핀 덕분에 내연기관과 같은 택트 타임으로 전기모터에 대한 고정자를 제작할 수 있게 되었습니다.“ (위르겐 플라이셔 교수, KIT 생산기술 연구소 WBK 기계, 설비 및 프로세스 자동화 분야 책임자) KIT 생산기술 연구소는 작년에 자동차용 전기모터를 시리즈와 타입에 상관없이 제작하기 위해 시스템 개발 프로젝트를 시작하였다. 앞으로 몇 년 후 자동차용 전기모터를 시리즈와 타입에 관계없이 생산하기 위해서는 이 헤어핀 기술이 큰 잠재력을 가지고 있다.

에너지 효율을 위한 전기 강판의 복잡한 형상

높은 에너지 효율을 달성하기 위해 전기강판의 형상이 점점 더 복잡해지고 있다.

Schuler도 전기이동성으로 전환을 준비하고 있다. 섀시 부품, 구조 부품, 배터리용 금속 하우징, 모터용 전기 강판 등 전기자동차 구성품을 연속 제작하는 시스템을 공급하고 있다. Schuler의 드라이브 & 발전기사업부문 사장인 만프레드 반 네룸은 다음과 같이 설명하였다. „폭스바겐은 Schuler의 고속 프레스로 E-Golf와 E-Up의 전기강판을 제작합니다. 전기 강판 펀치 번들링을 위한 이 고속프레스가 이미 유명 자동차 제조사와 자동차 부품업체의 전기모터 제작에 사용되고 있습니다. 이 고속 프레스는 0.2mm 두께의 강판을 가공할 수 있어, 와전류 손실이 적고 소비 전류를 낮춰 효율성 높은 전기모터를 만들 수 있습니다.“

높은 효율성은 전기자동차의 주행거리를 늘릴 수 있다. 만프레드 반 네룸은 고객에게서 이러한 트렌드를 읽었다. „자동차의 에너지 효율을 높이기 위해 전기 강판의 형상이 계속 복잡해지고 있습니다. 그에 따라 펀칭 단계도 증가하고, 긴 복합 프로그레시브 공구가 필요합니다. 모터가 더 높은 출력을 달성하기 위해 전기 강판의 직경도 커지고 있습니다. 오프셋된 두 개의 트랙에 펀칭하여 8 ~ 10%의 재료를 절감할 수 있습니다.“ (만프레드 반 네룸). 결과적으로 프레스는 더 길고 부분적으로 두 배 가량 무거운 복합 프로그레시브 공구를 클램핑하기 위해 넓은 공구 장착공간이 필요하며, 근소한 왜곡과 높은 정밀성을 제공하고, 이 모든 것이 완전한 스트로크 속도에서도 가능해야 한다.

전기이동성 요건에 프레스 맞추기

„전기모터를 대량 생산하기 위해서는 생산 프로세스를 로봇으로 자동화해야 합니다.“ 만프레드 반 네룸, Schuler 드라이브 및 발전기 사업부문 사장

Schuler는 스탠드 개구부 3800mm에서 E-Mobility 프레스 Smartline EV 3.8의 프레스 테이블을 3.30m에서 3.70m 이상으로 연장하여 긴 공구를 수용했다. 그럼에도 이 프레스는 유격이 없는 태핏 가이드와 강성 덕분에 1분당 수 백 번의 스트로크에서 1/100mm 단위로 정확하게 작동한다. „Schuler는 유연성을 갖춘 노칭 프레스 Performer S도 가지고 있습니다. 또한 다른 노칭 프레스에서 제공할 수 없는 유연성을 갖추고 있습니다. 이 프레스는 노치 피치 정확도가 1/100로 80 ~ 1800mm 직경의 전기 강판이 형성됩니다.“ (만프레드 반 네룸).

긴 공구로 가는 추세가 공구 제조사에게도 영향을 미친다. „큰 전기강판 공구를 취급하는 것은 해결해야 할 과제입니다. 전기강판 공구를 여러 모듈로 분할하는 것이 하나의 접근법입니다. 공구를 구조적으로 조정하면 프로세스에서 구성품 품질에 긍정적 영향을 끼칠 수 있습니다.“(디르크 슈라이어, Schuler의 자회사 Aweba의 커팅사업 부문 사장) Aweba는 펀칭 번들링에 대한 경제적인 대안으로 잠재력이 있는 다른 방법을 연구하고 있다. Schuler의 전문가들은 앞으로 몇 년 안에 강판 두께는 0.2mm 이하로 내려가고, 공구 길이는 더 길어질 것으로 예상하고 있다. „전기모터를 대량생산하기 위해서는 생산 프로세스를 로봇으로 자동화해야 합니다. 우리가 원하는 것은 고객에게 여러 제품에 대한 전체 생산라인을 원스톱으로 제공하는 것입니다.“(만프레드 반 네룸)

프레스 제조사 Haulick + Roos도 전기이동성에 대해 준비하고 있다. Haulick + Roos는 전기모터용 강판 제작과 전기이동성을 위한 부품 제작을 위해 ROP 시리즈(블랭킹 및 성형 프레스와 서보 프레스)와 ROS 시리즈(고성능 블랭킹 프레스)의 새로운 정밀 프레스를 설계하였다. 최대 5000kN의 프레스 힘과 최대 350mm의 공구 장착공간을 지닌 정밀 프레스로 상위 프레스 힘 영역의 제품 프로그램을 확장하였다. 이 프레스는 태핏 기울기를 줄여 펀치가 공구 다이에 정밀하게 절입되도록 태핏 틸팅 강성이 극도로 높다. 중심에서 벗어난 공구 부하는 적절한 틸팅 강성을 요구하며, 이 틸팅 강성도 펀치가 똑바로 다이에 절입하도록 인도한다.

새로운 이 기계의 특징은 프레스 프레임 내에서 폐쇄된 오일회로를 통한 온도 보상이다. 이는 전체 프레스 테이블이 오일 탱크로서 형성된다. 이를 통해 태핏과 프레스 테이블 사이의 온도 차이가 적어지고, 하부 다이와 상부 다이에서 온도 차이도 적어진다. 프레스 프레임의 온도 안정성은 하부 다이와 상부 다이의 동일한 온도가 펀치와 다이 사이의 오프셋을 최소화하고 공구 수명이 길어지기 때문에 정밀 펀치에서 매우 중요한 요소이다.

전기이동성의 개척자인 부품업체

하이브리드 자동차, 연료셀 자동차, 전기 자동차의 전기 파워 트레인에서 전기모터가 핵심적 역할을 하고 있다.

생산기계 제조사들만 전기화에 대비해 준비하는 것이 아니다. 제조산업의 많은 구동기술 제조사들도 자동차 산업에서 살아남기 위해 자동차 제조사와 프로젝트를 통해 협력하고 있다. 완전히 전기로 구동되는 축과 축 구동시스템을 공급하는 Bosch, ZF Friedrichssysteme 또는 Schaeffler와 같은 강력한 부품업체들은 개척자들이다. 이들 기업들은 자신들의 목적을 위해서 투자하는 것보다 정부의 압력으로 제도적으로 개발에 임하고 있다. 즉 디젤차 운행금지, 자율 주행, 카 셰어링 등이고, 전기이동성으로 내연기관 차량 부품업체들에게 불어 닥친 변화를 끌어가는 새로운 동력이 되고 있다. 부품업체들은 이러한 상황에 뒤처지지 않기 위해 그리고 대안 드라이브에 대한 새로운 컨셉트와 관련하여 중국 기업들에게 밀리지 않기 위해 노력하고 있다. 아래 인용한 내연기관과 전기모터와의 비교가 차이를 확실하게 보여준다. 기존의 내연기관은 약 2,500개의 구성품으로 이루어지지만 전기모터는 필요한 부품이 250개에 불과하다. 실린더, 변속기, 터보차저, 촉매 변환기, 입자 필터 등 많은 부품이 필요 없게 된다.

한편, 앞서 언급한 VDMA 연구에서 볼 수 있듯이 (위 그래프 참조) 제조과정에서 전기 파워 트레인에 대한 자재 비용이 훨씬 높고(배터리 포함) 부가가치는 낮다. 그럼에도 연구에서 나타난 바와 같이 전기 드라이브 생산에 연간 1.7%의 부가가치 성장(배터리 셀 생산 제외)를 달성할 수 있다고 한다. 자동차의 파워 트레인의 전기화는 전기모터를 사용하는 것 외에 또 다른 것이 있다. 즉 차량 설계에서 차축 근처에 삽입하는 복잡한 구동 시스템이다. 일부 부품업체들은 내부적으로 이러한 역량이 없을 경우 대안인 파트너를 찾고 있다. 내연기관 부품업체 Gehring과 전기파워 트레인 분야의 생산기술 제조사인 Coppering이 파트너가 되었으며, Schaeffler도 Semikron에서 고성능 전기모터 Compact Dynamics 제조사를 인수하였다.

지금까지 유럽에서는 전기자동차에 대한 압박이 별로 없었지만 중국은 정부차원에서 정치적 압박이 점점 거세지고 있다. VDMA는 2030년까지 중국의 전기자동차 증가율이 연간 2.4%로, 3,200만대까지 늘 것으로 예상하였다. 독일의 자동차 산업은 전세계적으로 진출해 있다. 방향을 잘 잡지 않으면 급속도로 추진력을 잃을 수도 있다. 2020년 초가 되면 독일도 전기이동성의 동력을 얻게 된다. IVG 연구 책임자이자 CAM (Center of Automotive Management) 디렉터인 슈테판 브라첼은 다음과 같이 경고하였다. „기업들은 지금 이렇게 변화된 전략과 요청에 많은 시간을 허비해서는 안 됩니다.“

MM STUDY
전기이동성이 기계 엔지니어링을 어떻게 위협하는가?

 기계 엔지니어링의 개별 분야는 자동차 산업에 의해 최대 50%까지 좌우되고 있다. 최근 연구에서 기업들이 전기이동성으로 인해 부분적으로 손실이 발생하였다고 한다. 현재의 상황을 이익으로 전환하려면 새로운 자세를 취해야 한다.

매니지먼트 컨설팅 업체인 Porsche Consulting은 최근 „자동차의 전기이동성이 독일 기계 엔지니어링에 미치는 영향“이란 연구에서, 2030년까지 전기자동차 시장이 크게 성장하고, 2035년부터는 내연기관 자동차보다 전기모터를 장착한 승용차가 더 많이 팔릴 것으로 예상했다. 전기자동차는 내연기관에 비해 부품 수가 훨씬 적고, 구동 컨셉트인 변속기가 필요하지 않아, 공작기계 공급자나 공업로, 버너, 펌프, 공구, 클램핑, 압연장치, 주조공장 등 기계 공급자에게도 중대한 영향이 미칠 것으로 보았다. 또한 자동차시장이 성장하는 상황에서 2030년 절삭가공은 현재 범위의 91%, 2050년에는 55%에 그칠 것으로 예상하였다.

Porsche Consulting은 2030년부터 기계 엔지니어링에서 연간 성장률이 1% 이하로 떨어질 것으로 예측하였다. 특히 공작기계 산업은 2050년까지 부가가치의 20% 이상을 다른 분야에서 찾아야 한다. 한편, 기계 엔지니어링은 전기이동성이 진행되면서 성장하는 승용차 시장(2050년까지 130% 플러스)에 맞추어 새로운 자세를 취해야 한다.