1. 핵심은 원가절감
2020년 테슬라 배터리데이 행사의 핵심은 "원가 절감" 입니다.
테슬라는 전기차를 통해 전세계를 지속가능한 에너지원으로 전환하는 것이 목표입니다.
이를 가능하게 하기 위해서는 규모의 경제를 실현해야 하므로, 테슬라는 차량의 가격을 낮추고 더 많이 생산하기 위해 여러 혁신적인 기술들을 적용하고 있습니다.
배터리데이 행사에서 테슬라는 차량의 가격을 획기적으로 낮추기 위해 배터리 제조 원가를 56% 절감하겠다는 로드맵을 발표했습니다.
제조 원가 절감 방법은 크게 배터리 셀 디자인 변경, 배터리 생산 공정 개선, 배터리 셀 재료 혁신 그리고 배터리와 차체의 통합 설계입니다.
전기차는 특히 배터리의 가격이 전체 원가의 약 40% 비중을 차지하기 때문에 배터리 생산 가격을 낮추는 것이 핵심입니다. 이에 테슬라는 기존에 사용하던 원통형 배터리 셀의 크기를 키워 에너지용량을 높였고, 셀 크기가 커지면서 생기는 열관리 문제를 해결하기 위해 탭을 없애는 새로운 구조를 설계했습니다.
테슬라의 배터리데이 행사와 새로운 배터리 구조인 4680 배터리에 대한 자세한 내용은 아래 포스팅을 참고 부탁드립니다.
[테슬라 완전 분석] 4680 배터리, 테슬라의 차세대 배터리 표준
[테슬라 완전 분석] 4680 배터리, 테슬라의 차세대 배터리 표준
1. 테슬라 배터리데이 : 배터리 원가 56% 절감 로드맵 테슬라의 2020년 배터리데이 행사에서 핵심 키워드는 "원가 절감" 이었습니다. 전기차가 대중화되는 것을 넘어 기존 모빌리티 산업이 전기로
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그리고 테슬라는 기존에 제안했던 CTP(Cell-To-Pack, 배터리 팩에서 모듈 단위를 생략) 구조를 한번 더 혁신시켜, 배터리 셀 자체를 차량의 섀시와 통합시키는 CTV(Cell-To-Vehicle) 혹은 CTC(Cell-To-Chassis) 구조 설계를 통해 7%의 원가 절감을 기여하겠다고 밝혔습니다.
2. CTP(Cell-To-Pack) 구조와 스케이트보드 플랫폼
테슬라는 기존에도 구조적, 설계적 혁신을 통해 차량의 생산 효율성을 증가시키고 원가 절감에 앞장서 왔습니다.
CTP(Cell-To-Pack) 구조와 스케이트보드 플랫폼이 그 예입니다.
기존 배터리 팩은 배터리 셀 여러개를 묶어 모듈로 만들고, 모듈 여러개를 열관리를 위한 냉각시스템, 배터리 충격 보호 및 화재, 폭발 예방을 위한 안전 장치와 지지구조물 등을 추가해 하나의 팩으로 구성되어집니다.
특히 국내 배터리 메이커들이 주력으로 생산하는 삼원계 배터리의 경우 에너지 밀도는 높지만, 열관리가 어려워 배터리 안정화를 위한 여러 장치들이 배터리 팩 내에 탑재되고 있습니다.
- 배터리 셀 : 2차 전지의 기본 단위
- 배터리 모듈 : 배터리 셀을 외부의 충격과 온도 변화, 진동 등으로부터 보호하기 위해 일정 개수를 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체 단위
- 배터리 팩 : 배터리 모듈 여러 개를 묶고 배터리 안정성과 신뢰성을 높이기 위한 BMS(Battery Manageent System), 냉각, 제어, 보호 시스템 등을 장착한 케이스
이에 테슬라는 배터리 가격 절감을 위해 중국의 CATL, BYD 등의 기업과 함께 에너지밀도는 낮지만 저렴하고 안정성이 높은 LFP 원통형 배터리를 사용하는 대신, 배터리 팩에서 모듈 단위를 없애고 열관리를 위한 장치들을 축소한 CTP(Cell-To-Pack) 구조를 적용해 사용해왔습니다.
이러한 CTP 구조는 기존 배터리 팩 구조보다 구조가 단순하고 부품이 간소화되기 때문에 그만큼 많은 개수의 배터리 셀을 탑재할 수 있어 낮은 에너지밀도와 전체 배터리 부피 문제의 개선이 가능해졌고, 가격 또한 저렴해졌습니다.
기존 테슬라 차량에 탑재되던 배터리 표준인 21700셀 기준으로 LFP 배터리팩을 CTP로 변경 시 팩 가격을 18% 절감할 수 있으며, 삼원계 배터리팩 대비 36% 가량 저렴해집니다.
또한 CTP 기반 LFP 배터리 팩의 에너지밀도는 삼원계 배터리팩의 85% 수준까지 끌어올릴 수 있었습니다.
만약 테슬라의 새로운 배터리 표준인 4680셀이 성공적으로 적용된다면, 팩 가격은 현재의 절반 이상 절감할 수 있으며, 에너지밀도 또한 현재의 15% 가량 증가시킬 수 있어 삼원계 배터리팩의 98% 수준까지 따라잡을 수 있을 것으로 보입니다.
테슬라가 주도했던 또 하나의 설계 혁신, 스케이트보드 플랫폼(샤시)은 GM이 2002년 선보였던 콘셉트카, 하이와이어(Hy-Wire)를 통해 처음 나왔던 개념으로, 차량의 구동 모듈을 스케이트보드를 닮은 하나의 표준화된 모듈에 내장하고, 차체 형태만 바꿔서 원하는 형태와 용도로 차량을 만들 수 있는 플랫폼 입니다.
이후 테슬라가 무거운 배터리 팩과 전기 모터를 차량 하부의 가운데에 배치하고, 바디의 앞뒤에 전기 모터 및 바퀴 등을 배치한 스케이트보드 플랫폼을 채택하면서 현재 대부분의 양산차 업체의 전기차 표준 플랫폼으로 사용되고 있습니다.
스케이트보드 플랫폼은 무거운 배터리팩이 차량 하부 가운데에 모여있기 때문에 차량 무게중심을 낮추고, 극관성 모멘트를 낮춰 차량이 흔들리는 것을 줄이고, 민첩성과 핸들링을 향상시켜 차량의 안정적인 제어와 Roll-over에 의한 차량 전복 방지가 가능하도록 합니다.
또한 차량 전면부에 엔진 대신 트렁크 공간이 있고, 배터리팩의 자체 강성 때문에 내연기관 차량 대비 충격 흡수가 뛰어납니다.
실제로 스케이트 플랫폼을 적용한 테슬라의 차량들이 미국도로교통안전국 테스트 결과 전체 차량 중 가장 낮은 부상 확률을 기록하면서 안전성을 크게 향상시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있습니다.
또한, 동일한 플랫폼 위에 차체만 바꿔 다양한 용도와 모양의 차종을 만들 수 있고 모듈화된 플랫폼을 앞뒤로 붙여서 트럭 및 화물차 등으로 사용할 수도 있습니다.
다양한 차종이 동일한 플랫폼을 공유하기 때문에 공정 비용을 절감할 수 있고, 신차 개발 기간 단축 등의 장점이 있습니다.
테슬라가 도입한 스케이트보드 플랫폼은 위와 같은 장점 때문에 이후 현대차 E-GMP, 폭스바겐의 MEB 등을 비롯한 많은 양산차 업체의 전기차 플랫폼 구조로 적용되고 있습니다.
이러한 표준화된 모듈형 플랫폼은 미래 모빌리티의 핵심인 목적기반모빌리티 (PBV, Pupose Build Vehicle)의 필수 요소가 될 것으로 보입니다.
완성차 업체들이 생산한 표준 플랫폼을 기반으로, 여러 디자인의 차체를 만드는 디자인 전문 업체가 생기거나, 다양한 목적과 용도의 모듈을 만들어 플랫폼 위에 탑재하는 방향으로 우리의 모빌리티 라이프가 발전할 것이라고 생각됩니다.
3. 구조화 배터리 (Structural Battery), 배터리가 차량의 일부가 되다
여러 배터리 기업 및 완성차 업체들이 배터리 셀의 소재와 배터리 구조 변경 등으로 성능 개선 요소를 찾을 때, 테슬라는 차량 자체의 설계를 변경하여 최적화에 나서고 있습니다.
테슬라는 배터리데이에서 테슬라가 처음 양산에 도입하면서 주도했던 스케이트보드 플랫폼과 CTP 구조에서 또 한 단계 발전시켜, 차량의 샤시 자체가 배터리 팩의 역할을 하는 구조화배터리(Structural Battery), 혹은 CTC(Cell-To-Chassis), CTV(Cell-To-Vehicle)이라는 개념 도입을 발표했습니다.
(일론머스크는 기존 스케이트보드 플랫폼은 구식이라고 했습니다)
구조화배터리 설계는 차량의 샤시 구조가 동시에 배터리팩의 역할을 하는 것으로, 비행기의 날개가 그 자체로 연료탱크의 역할을 한다는 것에서 아이디어를 차용했다고 말했습니다.
비행기의 날개가 연료탱크의 역할을 하게 된 이유는 날개에 작용하는 양력을 연료의 무게로 상쇄시켜 동체와의 무게 차이로 발생하는 밴딩 모멘트를 감소시켜 날개의 파손을 방지하고, 항공기 전체의 무게중심을 맞춰주며, 기압 변화에 따른 연료 탱크의 팽창을 방지하기 위함입니다.
이러한 기능적 설계에서 착안한 테슬라의 구조화배터리는 차량의 언더바디 프레임 자체를 배터리 셀을 넣을 수 있는 허니콤 형태로 만들고, 에폭시 충전재를 주입해 자체적으로 충격 흡수와 강성을 갖게 하였으며, 냉각 플레이트를 바닥에 배치해 배터리 셀의 열을 방출시킬 수 있도록 설계했습니다.
테슬라가 사용하는 원통형 배터리는 구조적 특성상 배터리 셀 간 빈공간인 불용 공간이 존재해 공간 효율이 떨어집니다.
이를 최대한 줄이기 위해 원통형 배터리의 배치는 벌집모양의 허니콤 구조로 배치됩니다.
허니콤 구조는 최소한의 재료로 공간 효율이 가장 크고 가장 단단하며 안정적인 구조물을 만들 수 있습니다.
테슬라는 이런 허니콤 구조의 장점을 활용하기 위해 배터리 셀을 배치하고 남은 불용공간을 허니콤 구조의 프레임을 갖는차량의 언더바디로 사용한 것 입니다.
언더바디의 프레임 자체가 허니콤 구조로 만들어지면서 자체적으로 가벼우면서 높은 강성을 갖게 되었고, 에폭시 충전재를 이용해 언더바디 상, 하판의 전단력을 더 잘 전달할 수 있어 안정적이고 견고해졌습니다.
아래 시뮬레이션을 통해 실제 구조화배터리 구조 적용 시, 기존 구조보다 약 5배 의 비틀림 강성을 갖는다는 것을 확인할 수 있습니다. (1톤의 하중에 대해 구조화배터리 설계는 4.2mm, 기존 설계는 21.5mm 뒤틀림)
언더바디 자체가 강성을 갖게 되면서 기존에 배터리팩 안정을 위해 설치했던 부가적인 충격 방지 구조물을 모두 제거할 수 있고, 이는 더 많은 배터리 셀을 넣을 수 있게 되어 에너지 밀도를 높일 수 있습니다.
또한 기존 2170 배터리에서 배터리 열 관리를 위해 셀 사이사이를 지나가는 쿨링 스네이크 구조 대신 4680 배터리를 사용하게 되면서, 셀의 전극면에 냉각플레이트를 배치하는 단순한 구조를 사용할 수 있어 공간 효율이 높아지고 부품 및 공정 절감 또한 가능해졌습니다.
언더바디의 구조화된 배터리 설계를 통해 테슬라는 차량의 무게를 10% 줄일 수 있고, 주행거리를 14% 향상시키고, 370개의 부품 수를 줄일 수 있다고 말했습니다.
이후 완성된 구조화배터리 형태의 언더바디 전후면에 기가프레스를 이용해 찍어낸 일체형의 프론트바디, 리어바디를 결합하고, 언더바디 위로는 바로 좌석을 붙여 부품수와 공정수를 크게 줄이면 배터리 용량(GWh) 당 공장의 투자비를 55%, 바닥 면적을 35% 줄일 수 있다고 밝혔습니다.
이러한 구조화배터리 플랫폼은 독일의 기가베를린에서 생산되는 모델Y에 처음으로 적용될 예정입니다.
테슬라는 이처럼 배터리와 차체의 소재 뿐만 아니라, 차량의 형태 및 생산주기 전 공정의 관점에서 기존의 설계를 부수고 새로운 설계를 적용하는 등의 혁신을 지속하고 최적의 솔루션을 찾아내고 있습니다.
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