전기차 기업 탐구: 테슬라 2 - 경쟁력의 원천

Tesla는 다소 위험하고 무모하지만 기존 완성차 기업 대비 차별성 있는 비즈니스 전략을 구사하고 있다고 판단한다. Tesla가 어떻게 기존 완성차 기업 대비 차별성 있는 기술력을 보유하게 되었는지 Tesla의 진정한 경쟁력을 조금 더 깊게 살펴보자.

 

이는 기존 완성차 기업들이 시도하지 않았던 기술에서 찾을 수 있다. 크게 1) 자체 개발 전자 플랫폼 2) 통합 ECU 3) 전동화 성능 강화 기술 (열관리 시스템, 경량화, 전동 파워트레인) 3가지로 나눌 수 있다.

 

 

1. 자체개발 전자 플랫폼: 중앙집중형 HW 3.0 자체개발로 기술력 및 가격 경쟁력 확보

 

Tesla의 전기차 성능과 자율주행 기술에 이목이 집중되고 있지만 Tesla가 강한 이유는 따로 있다. 

 

그것은 차량용 전자 플랫폼의 내재화이다. Tesla는 현재 양산 중인 차량에 HW 3.0이라는 차량용 컴퓨터를 자체 개발하여 장착한다. 반도체 칩을 자체적으로 개발하여 원가를 대폭 낮추었다. 반도체 칩은 자율주행과 인포테인먼트 등의 기능을 통합제어하는 ECU (전자제어유닛) 역할을 담당한다. 이런 고성능 컴퓨터가 차량용 전자 플랫폼의 핵심을 맡고 있는 것을 중앙 집중형이라고 한다.

 

Tesla는 2019년 초 HW 3.0을 도입했는데 경쟁사보다 6년 이상이나 빠르게 도입했다. 자율주행 시스템 진화에 맞춰 차량용 전자 플랫폼을 업그레이드 했다. Tesla의 자율주행 시스템 성숙도가 기존 완성차 기업들 비해 높은 이유가 여기에 있다.

 

Tesla는 2014년 하반기에 1세대를 도입한 이래, 2~3년이라는 매우 짧은 주기로 개발을 추진해 왔다. 충분한 하드웨어를 차량에 탑재하고 향후 소프트웨어 수정을 통해 차량을 업데이트 시키는 방식이다. 하드웨어 교체는 어렵지만 소프트웨어는 업데이트를 통해 추가 개발과 공급이 용이하기 때문이었다.

Tesla의 HW3.0은 기존 반도체 칩을 제공했던 엔비디아의 칩보다 효율성이 좋다. 저전력을 사용하면서도 연산속도는 빠르기 때문이다. 엔비디아의 페가수스는 소비전력 500W, 320TOPS의 연산속도를 제공하지만 Tesla의 HW3.0은 소비전력 72W, 144TOPS의 연산속도를 제공한다. 자율주행 레벨4 이상에 필요한 연산속도가 100TOPS인 것을 감안한다면 가장 효율적인 칩이라고 볼 수 있다.

 

기존 완성차 기업들이 이러한 전자 플랫폼 개발을 지체하는 이유는 부품 업체의 사업 영역을 침범할 수 있기 때문이다. 중앙집중형을 적용한다면 ECU 개수가 크게 줄어든다. ECU를 대량으로 공급하여 사업 규모를 확보하고 있는 부품업체에게는 큰 문제일 것이다. 또한, 이런 부품 업체는 글로벌 대기업이기 때문에 기존 완성차 기업들의 밸류체인에서 막강한 역할을 하고 있다. 기존 완성차 기업들이 부품업체의 눈치를 볼 수 밖에 없는 이유이다.

또한 Tesla는 전동 구동 시스템도 메가 서플라이어에게 모듈로 외주 제작하지 않았다. 모델3를 분해해보면 ECU 내부 기판을 포함해 많은 곳에 Tesla 로고를 확인할 수 있다. Tesla가 철저히 개발의 주도권을 쥐고 차량 개발을 진행한다는 것을 알수 있다.

 

Tesla는 이러한 자체개발을 통해 기존 서플라이어와 이해관계 없이 선택과 집중을 단행할 수 있었다. 소비자가 원하는 자율주행과 커넥티트카를 빠르게 파악하고 이를 만족시킬 수 있는 차량 시스템 개발에 주력했다.

 

 

2. 통합 ECU로 자율주행 및 OTA 제어 실현하여 효율성 극대화

 

Tesla는 위에서 설명한 바와 같이 최소한의 통합 ECU(HW3.0)로 주행, 회전, 정지를 모두 제어한다. 이 통합 ECU의 연산처리 성능은 144TOPS (초당 144조회)로 높고 소비전력은 72W에 달한다.

차량의 초기 ECU는 연료분사, 점화 시간 조절, 엔진 속도 조절 등을 담당하다가 시대가 발전하면서 차량 내부의 모든 부분을 제어하게 된 전자제어 장치이다.

기존 완성차 기업들은 차량의 개발규모가 매우 커지고 있는 상황에서 자동차 업계가 개별적으로 차량용 고성능 ECU까지 개발하는 것은 비효율적이며 밸류체인상 어렵다고 판단했다. 그러나 Tesla는 기존 자동차 업계의 상식적인 로드맵과 성능요건을 완전히 무시했다. 자율주행차에 장착되는 컴퓨터 내부에 인포테인먼트용 기판도 설치하여 통합 ECU를 장착했다.

 

기존 완성차들은 분산형 전자 플랫폼 방식으로 ECU와 각 부품이 1:1로 연결되는 시스템이다. 폭스바겐은 현재 내연기관 차량에는 약 70개의 ECU를 적용하고 있으며 전기차에는 약 30개의 ECU를 적용하고 있다.

 

Tesla는 고성능 통합 ECU 1개, 제어를 실현하기 위한 보조 ECU 3개로 총 4개의 ECU만으로 자율주행 및 OTA를 제어하고 있는 것이다.

 

소량의 ECU만 이용해 차량을 제어하는 전자 플랫폼의 장점은 다양하다.

첫째, 차량 전체의 ECU 개수를 줄일 수 있다. ECU간 배선도 줄일 수 있기 때문에 경량화와 차량 공간 절약에도 용이하다.

둘째, OTA(Over The Air) 기능에도 중앙집중형 ECU가 유리하다. 무선으로 소프트웨어를 문제없이 업데이트 하기 위해서는 많은 ECU간의 상호 호환성을 검증해야한다. ECU가 줄어든다면 상호 호환성을 검증하는 경우의 수가 줄어들 것이다.

 

셋째, 자율주행 시 필요한 화상처리 칩이 필요없다. Tesla가 개발한 고성능 통합 ECU는 자율주행 시 필요한 칩을 대체할 수 있기 때문에 원가 및 제어 측면에서 타사 대비 유리하다.

 

Tesla는 많은 기능을 집약한 한 종류의 AI칩을 개발하면서 다양한 장점을 얻을 수 있었다.

 

3. 전동화 성능 강화 기술 (열관리 시스템, 경량화, 전동 파워트레인)

 

1) 열관리 시스템

전기차에서 공조 부분의 전비 기여도는 30% 이상이다. 따라서 열관리의 공조 시스템을 최적화하는 것은 주행거리 확장에 있어 필수적이다. 배터리와 구동모터의 경우 최적 온도에서 벗어나게 되면 연비가 감소하기 때문에 적정 온도를 유지하는 것이 중요하며 차량 실내와 연계된 공조 시스템을 통해 효율을 향상 시킬 수 있다.

 

Tesla는 히트펌프 시스템을 이용해 서로 열교환을 하여 최적의 배터리 효율과 모터 효율을 낼 수 있도록 차량을 개발하였다. 예를 들면 수냉식 구동모터에서 발생하는 열을 이용하여 실내 난방을 할 수 있으며 에어컨 냉각을 이용해서 배터리의 발열을 제어 할 수도 있다.

 

이를 구현하기 위해서 Tesla는 많은 열관리, 공조 부품이 적용되었다. 특히 전동식 워터 펌프가 3개나 적용되었으며 빠른 발열을 위해 PTC 히터가 실내 공조 부분과 배터리 열관리 시스템에 각각 하나씩 총 2개 적용되었다.

 

또한, Tesla는 배터리 열관리 시스템도 발달해 있다. 수냉 방식으로 수천 개가 넘는 원통형 배터리 셀 각각을 열관리하고 있다. 원통형 셀 사이에 Z자형으로 길게 설치된 알루미늄 튜브에 냉각수가 흐르면서 배터리 온도를 조절하고 있다.

 

 

2) 경량화

주행거리가 중요한 전기차에서 차량 경량화를 통한 주행거리 확대는 필수 조건이다. 일반적인 상식과 같이 가벼우면 같은 에너지량으로 보다 멀리 갈 수 있기 때문이다. 특히 최근에는 주행거리를 늘리기 위해 배터리의 용량이 커지고 고성능화를 위해 구동부의 중량도 늘어나는 추세다. 이를 보완하기 위해서 차체와 샤시 부분에서 경량화를 통해 주행거리를 확보하는 기술이 중요해지고 있다.

 

알루미늄, 마그네슘, 탄소섬유플라스틱 같은 경량화 재료들은 기본적으로 스틸 강판보다 몇 배 비싸지만, Tesla는 모델S에 다양한 경량화 소재를 과감하게 적용했다. 차체에는 알루미늄 판재를 과감하게 적용하였는데 이는 바닥의 배터리 팩이 강성을 보완하고 있어 가능했다. 

빔 형태의 구조물들은 알루미늄을 압출해 가운데가 비어 있는 형상으로 적용했다. 또한, 알루미늄 외 다른 특수 소재들을 사용했는데 차체 앞 부분의 모듈(FEM)을 지지하는 프레임은 마그네슘을 사용해서 차량 하부에는 배터리 보호를 위해 티타늄 재질을 적용했다. 스틸 강판은 강도가 필요한 부분인 범퍼빔과 B필러 부분에 고장력 강판이 사용되었다.

 

Tesla는 최근 모델S에 장착되는 인버터의 경량화와 장착 반도체 개수 감소에 성공하였다. 원통형이었던 모델S의 인버터를 모델3에서는 평면형으로 변경하고 Sic 파워 반도체를 적용하여 냉각 구조를 수정함으로써 큰 폭의 소형/경량화를 이루었다. 모델S의 인버터는 24.9kg이지만 모델3의 인버터는 3.9kg이며 부피도 절반으로 줄었다. 인버터의 질량과 부피가 감소하면서 반도체의 개수가 기존 96개여서 20개 미만으로 감소하게 되었다.

또한, 특수한 냉각 핀을 이용한 수랭 기구를 적용하여 봉 형상의 핀에 물을 직접 공급해 냉각성능을 향상하였다. 타원형의 핀을 적용해 냉각수를 균일하게 분산시킴으로써 효율적으로 방열이 가능하도록 하였다.

 

 

3) 파워트레인

Tesla는 기존 완성차 기업보다 먼저 일체형 구동 유닛을 적용했다. 

 

일체형 구동 유닛은 모터, 인버터, 감속기 등이 일체화된 e-Axle 이라고 한다. Tesla는 e-Axle을 2012년 모델S 차량에 처음 장착하였다. 기존 완성차 기업들의 경우 폭스바겐은 2020년 하반기에 출시할 ID.3에 토요타와 혼다는 2021년 이후 출시할 EV에 장착할 예정이다. e-Axle의 장점은 부품이 개별적으로 사용될 때보다 크기는 20% 작아지고 비용도 10~15%까지 낮아질 수 있다. 파워트레인이 더욱 효율적으로 운영되는 것이다. 효율적 열 관리 솔루션과 결합될 경우 효율 개선 수준은 최대 25%까지 가능하다.

 

 

생각보다 기술적 우위를 갖는 요인들이 많이 있다!

 

출처: Tesla, 대신증권, System Plus, Teslarati, Xtech, 세종대, Tesmanian, Nikkei, Google

 

뜨리스땅

 

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