Realize LIVE 2023: 지멘스의 자동차-배터리 리더십

   Siemens Digital Industries Software  Nand Kochhar     
   지멘스 낸드 코하르 자동차 및 수송산업 부사장  

“우리는 자동차 수송산업 분야의 전문성과 리더십을 바탕으로 배터리 업계에서 선도적인 위치를 구축했습니다. 우리의 성공을 뒷받침하는 것은 화학, 기계, 전기, 전자 및 소프트웨어와 같은 영역에 걸친 협업을 장려하고 디지털과 실제 세계를 원활하게 연결하는 Xcelerator 플랫폼입니다. 이를 통해 xEV와 배터리 솔루션을 보다 정밀하고 효율적으로 설계, 개발, 엔지니어링, 제조할 수 있습니다.”
6월 라스베가스에서 열린 Siemens Realize Live의 기조강연 중 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어의 낸드 코하르(Nand Kochhar) 자동차 및 수송산업 부사장은 배터리 부문 푸니트 시나(Puneet Sinha) 선임 이사와 함께 그들의 자동차 및 배터리 산업 리더십을 말했다. 코하르 부사장과의 짧은 인터뷰와 강연을 전한다. 

글 | 한상민 기자_han@autoelectronics.co.kr
연결기사: 디지털 전환을 지배하는 지멘스 (autoelectronics.co.kr)

낸드 코하르 부사장           
코하르 부사장은 제품 개발, 제조, 디지털화, 시뮬레이션 기술 개발 및 구현의 모든 영역에서 광범위한 리더십 경험을 보유한 수석 엔지니어링 임원이다. 그는 아메리카, 유럽, 아시아태평양 지역에서 다양한 비즈니스 혁신을 주도하며 고객의 상당한 비용 절감, 품질 및 출시기간 개선을 실현했다. 지멘스 이전에는 포드의 디어본 헤드쿼터에서 30년여간 제품 개발에 종사했다. 다양한 프로젝트에 참여하면서 섀시 매니저, Executive Technical Leader 등 여러 직책을 맡았는데, 가장 최근 직책은 안전 시스템 수석 엔지니어였다. 그는 CTO를 위한 기술자문 위원회에 근무하는 특권도 누렸다.








Q. 자동차, 항공우주는 디지털 전환의 리더 산업으로 잘 알려져 있습니다. 그런데 의외로 전기차와 관련된 배터리 산업은 그렇지 않은 것 같습니다. 지멘스가 보는 배터리 산업의 현재는 어떻습니까?    
A. 성장 궤도에 있는 배터리 산업은 자동차 산업과 비교하면 디지털 전환에 있어 여전히 새로운 분야입니다. 자동차에서 채택된 많은 디지털화 솔루션은 배터리 산업의 특정 요구사항에 맞게 조정, 맞춤화될 수 있고, 지멘스는 이런 업계의 요구를 충족시키는 소프트웨어 솔루션을 성공적으로 적용하고 있습니다. 이것은 설계 단계뿐만 아니라 배터리 제조 및 운영(operation) 프로세스에도 적용됩니다. 운영이란 배터리 유지보수 및 서비스와 관련된 것입니다. 

산업 간에는 여러 공통적인 측면이 존재하지만, 배터리 산업은 특히나 설계 및 개발과 관련해 매우 독특한 요구사항이 있습니다. 예를 들면 교차 도메인 엔지니어링입니다. 우리는 기계, 전기, 전자 및 소프트웨어 구성요소를 통합해야 하는 자동차 산업에서 이런 개념을 오랫동안 논의해왔는데, 배터리는 이들 영역 외에도 배터리 셀 제조와 관련된 화학적 요소도 포함됩니다.
이런 점이 배터리 산업이 고유 과제를 제시하는 몇 가지 요인이고, 지멘스가 명확히 차별화되는 지점입니다. 우리는, 특히 전자 설계 및 자동화를 기계 시스템과 결합한 Siemens EDA 포트폴리오를 통해 크로스 도메인 간 복잡성을 오랫동안 해결해 왔고 그 전문지식을 산업에 성공적으로 적용하고 있습니다.







Q. 고유한, 핵심 이슈들은 무엇이고 그 해법을 지멘스는 어떻게 지원하나요. 
A. 제조 단계에서는 배터리 셀 에이징과 같은 과제가 존재하는데, 이는 업계에 매우 중요한 문제입니다. 또 생산 속도를 높이고 높은 스크랩률(scrap rate)을 해결하는 것이 중요합니다. 이를 위해 배터리 셀 및 배터리 팩 제조에서 각 공정을 모니터링하고 스크랩률을 최소화하기 위한 매개변수를 조정해야만 합니다. 여기서 지멘스는 품질 등 다양한 이슈를 해결하기 위해 생산주기가 끝날 때까지 기다리지 않고 디지털 방식으로 이런 문제를 조기 해결하는 것을 목표로 합니다.

그러하기에 지멘스는 각각의 프로세스 내 연결 지점 역할을 하는 디지털 스레드를 갖고 있습니다. 이것은 가속화된 배터리 설계 및 배터리 제조를 위한 맞춤화된 디지털 스레드입니다. 프로세스 내에는 배터리 자체의 조립뿐만 아니라 특정 기능을 가진 고유한 머신이 포함되기 때문에 머신 제작을 위한 디지털 스레드도 구축했습니다. 우리는 생산 공정을 향상시키기 위해 기계산업과 배터리 제조를 연결합니다. 또 다른 측면은 IoT인데, 이런 머신과 에지 장치에서 데이터를 수집해 제조 및 설계 프로세스에 피드백하는 것이 중요합니다. 지멘스가 탁월한 것이 바로 이런 전 과정에서 엔드 투 엔드 연결을 제공하기 때문입니다.  

제가 언급한, 배터리 산업을 위한 디지털 스레드는 전자, 반도체, 자동차 및 수송산업에서 성공적으로 구현한 디지털 스레드의 원리를 기반으로 합니다. 그 결과 글로벌 배터리 제조업체 10곳 중 8곳이 지금 지멘스의 Xcelerator 포트폴리오를 활용하고 있습니다.







Q. 지멘스의 Xcelerator 포트폴리오는 매우 포괄적이지만 고객은 그들만의 인프라, 디지털 전환 속도, 요구를 갖고 있을 것입니다.   
A. Xcelerator 포트폴리오는 매우 광범위합니다. 예를 들어 우리는 LG에너지솔루션과 협업하는데, 그들은 이를 매우 폭넓게 활용하고 있습니다. 하지만 솔루션의 채택은 고객, 그리고 그들의 구체적인 용도에 따라 다르며, 우리는 이런 니즈와 속도에 대응합니다. 그러니까, 일부 고객은 개념 모델링에서 디자인까지, 어떤 고객은 디자인에서 제조까지 디지털 스레드를 활용합니다. 또 일부는 운영 속도를 최적화하는 데에 중점을 둡니다. 이것은 궁극적으로 고객과 그들의 디지털 혁신 과정의 구체적인 단계에 따라 다릅니다. 

지멘스는 항상 Xcelerator 포트폴리오를 위한 개방형 에코시스템에서 고객의 요구사항을 우선시합니다. 각각의 기업마다 당면 과제, 우선순위, 기존의 사내 솔루션이 다를 수 있어 우리는 일률적인 솔루션을 말하지 않고 고객과 협력해 그들에게 가장 적합한 솔루션을 결정합니다. 오픈 에코시스템을 사용해 솔루션을 사용자 정의하고, 로우코드 애플리케이션을 이용한 관리를 위해 Mendix와 같은 툴을 통합합니다. 우리는 그들의 지적재산권(IP)을 통합해 전체 디지털 스레드 프로세스에 통합합니다. 이것이 고객의 구체적인 요구사항을 충족하기 위한 지멘스의 접근 방식입니다.



Q. 전산 유체 역학과 같은 자동차에서의 세부적 경험, 고객의 개별 요구를 고려할 때 인도의 삼성연구소가 좋은 사례가 되겠네요. 
A. 시뮬레이션 제품 포트폴리오인 Simcenter를 사용해 설계에서 시작해 시뮬레이션에 이르기까지 전반적인 개발 프로세스를 통합할 수 있습니다. 배터리를 설계하려면 열 성능 및 전산 유체 역학(CFD)에 대한 고려를 포함한 교차 속성 밸런싱이 요구되는데 Simcenter STAR-CCM+와 같은 솔루션이 배터리 냉각 시스템의 전산 유체 역학에 많이 사용됩니다. 이것은 배터리 개발뿐만 아니라 전체 차량 개발 및 공기 역학 부문에도 적용됩니다. Simcenter Battery Design Studio에서는 전기화학적 입력 데이터를 얻어 함께 사용함으로써 배터리 팩의 성능을 시뮬레이션할 수 있습니다.  



Q. 포괄적인 포트폴리오가 배터리 부문에서는 더 심화된 것처럼 느껴집니다. 남은 부분은 무엇입니까?
A. 다른 업체들은 설계, 시뮬레이션, 제조 및 공장 운영을 위한 개별 포인트 솔루션을 보유하고 있을 수 있지만, 지멘스는 디지털 트윈 기술을 제공할 수 있는 Xcelerator 포트폴리오의 일부로 이런 솔루션들을 모두 제공합니다. 이런 고유한 위치는 디지털 영역과 물리적 영역을 효과적으로 통합해 예측, 시뮬레이션, 그리고 디지털과 실제 세계 간 더 긴밀한 정렬과 정확성을 보장할 수 있어 차별화 요소로 작용합니다. 그런 신뢰성 덕분에 고객은 제품 개발과 공장 운영 모두에 대해 정보에 입각한 의사 결정이 가능합니다. 

지멘스는 수십 년간 솔루션을 개발한 경험으로 디지털화에 상당한 진전을 이뤄내며 현재 강력한 위치에 있습니다. 하지만, 기술은 계속해서 빠르게 진화하고 있습니다. 저는 자동차 산업에서 30년간 근무하며 신기술, 기능, 변화하는 소비자 요구를 꾸준히 목격해 왔습니다. 이런 요소들은 지속적인 혁신을 주도하는 새로운 과제를 제시합니다. 혁신에는 새로운 기능을 도입하고 기존 설계를 개선해 품질을 높이는 것뿐만 아니라 비용과 타이밍을 개선하는 것도 포함됩니다. 따라서 지속적인 혁신을 위해서는 기술에 지속적인 투자가 매우 중요합니다. 지난 40년간 지멘스는 지속적으로 기술에 투자해 고객에게 혜택을 제공해 왔고 항상 다음 단계에 대한 파이프라인을 갖추고 있습니다. 우리는 산업이 발전함에 따라 파트너십과 기술 협업에 적극적으로 참여하며 새로운 기술을 제품 포트폴리오에 통합하고 있습니다.



 

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전기차 리더십 

지난해 세계적으로 배터리 전기차와 플러그인 하이브리드 판매량은 1,000만 대를 넘었다. 이 비중은 2030년이면 자동차 생산량의 50%가 될 전망이다. 자율주행 및 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)에 대한 고객 수요는 갈수록 높아져, 레벨 3 자율주행차가 거의 모든 OEM을 통해 출시될 것으로 예상된다. 이런 시장의 변화와 요구는 지속가능성에 대한 높아진 초점, 공유 및 연결된 이동성 요구에 의해 주도되고 있고, 그 결과 기술기업이 자동차 산업에 진출하는 기회를 만드는 등 산업 간 경계가 모호해지고 경쟁은 심화되고 있다.
 
이런 배경에서 실제 세계와 디지털 세계를 연결하는 Xcelerator 플랫폼과 소프트웨어 포트폴리오로 기업을 지원하는 지멘스는 미래 자동차 및 수송산업에 중요한 화학, 기계, 전기, 전자 및 소프트웨어를 통합하면서 기존 대기업(OEM)뿐만 아니라 중소기업(스타업)의 파트너로서 지속적인 성공을 거두고 있다.  

“미래의 자동차는 전통적인 방식으로 디자인되지 않는, 본질적으로 ‘바퀴 달린 컴퓨터’가 됐기 때문에 지멘스는 전기, 전자, 반도체에서 얻은 기술적인 학습을 자동차에 적용했습니다. 또 자동차를 비롯한 포괄적인 업계의 지식과 경험을 집중적으로 배터리 산업에 적용하며 커다란 성공을 거두고 있습니다.” 코하르 부사장이 말했다. 

코하르 부사장은 이런 지멘스의 교차 도메인 엔지니어링 역량, 그들의 성공을 강조하기 위해 Teamcenter 및 NX 솔루션을 활용하는 다임러 트럭(Daimler Trucks)와의 최근 협력 사례를 들려줬다. 핵심은 모든 것이 개념 설계부터 세부적인 교차 도메인 엔지니어링에 이르기까지 디지털 스레드를 통해 구현되고 제조까지 확장되는 것이다. 게다가 이 디지털 스레드는 COVID 기간을 거치면서 Supplyframe으로 디지털 물류 솔루션을 통합하며 공급망까지 포함하고 있다.   

코하르 부사장은 “전통적인 자동차 기업은 주로 전륜 구동 또는 후륜 구동과 같은 고전적인 차량 아키텍처에 중점을 뒀었지만, 지금은 처음부터 전기, 소프트웨어, 네트워크 아키텍처를 미리 계획합니다. 이런 접근은 개념 단계에 국한되지 않는데, 전기차라면 배터리 크기가 매우 중요 고려사항이고 이와 관련 모든 부분의 최적화가 교차 도메인 엔지니어링을 통해 전 단계에서 동시 해결돼야만 합니다”라고 설명했다. 

Teamcenter가 백본 역할을 하는 지멘스의 교차 도메인 엔지니어링 기능을 활용하면 배터리 크기뿐만 아니라 전기 파워트레인의 설계, 맞춤식 모터 설계 등 전기차에 들어가는 모든 구성요소를 최적화할 수 있다. 예를 들어, 솔루션 단절로 전기차 와이어 하네스 무게 및 비용 측면의 비효율성 문제를 겪은 한 OEM은 지멘스의 Capital 솔루션을 활용하면서 전기 영역의 생성설계부터 전기 배선, 치수 최적화 관련 이슈를 간단히 최적화하며 설계 시간을 최대 50% 단축하고 중량을 6.5 kg 저감했으며 생산 사이클 타임을 30% 줄일 수 있었다.







품질, 비용, 적시 제공을 위한 엔지니어링 최적화뿐만 아니라 고객과 제품에 따른 특성, 요구사항 고려도 중요하다. 예를 들어, Vision EQXX에 대한 메르세데스 벤츠의 주요 목표는 전기차의 주행거리 최대화였는데, 최대 주행거리의 달성은 배터리 크기뿐만 아니라 차량 특성에도 영향을 받는다.  

“연구에 따르면 배터리 전력의 상당 부분이 에어플로 저항에 소비됩니다. 따라서 메르세데스 벤츠는 최첨단 CFD 툴을 활용해 에어플로를 최적화하고 특정 차량에 대해 낮은 항력계수(0.17)를 달성할 수 있었습니다.” 코하루 부사장이 말했다.







배터리에서  

푸니트 시나(Puneet Sinha) 선임 이사는 “배터리 생산 급증은 예상보다 훨씬 커서, 사업 전략을 재편하려는 배터리 공급업체와 자동차 회사 모두로부터 향후 5년 동안 3,000억 달러 이상의 신규 투자를 유도하고 있습니다. 하지만 배터리 산업은 이 야심 찬 확장 노력에서 수많은 과제에 직면해 있습니다”라고 말했다.  

배터리 기술은 차량 전기화에서 가장 중요한 역할을 한다. 배터리 셀, 모듈의 설계, 차량 통합을 포함해 배터리 시스템은 전기차의 핵심이다. 게다가 배터리는 자동차 산업에만 국한된 것이 아니라 다양한 다른 산업에도 이용된다. 전기가 일상생활에 점점 더 많이 통합되면서 고성능 배터리에 대한 수요는 전례 없는 속도로 증가해 배터리 생산 능력은 2030년이면 2020년 대비 10배 늘어날 전망이다. 

전기차의 대규모 공급을 위해서는 배터리와 관련해 몇 가지 과제를 해결해야 한다. 우선 배터리는 수명 동안 안전성과 수명을 유지하면서 에너지 밀도가 거의 두 배가 될 필요가 있다. 한 번 충전으로 더 긴 주행거리 달성이 요구된다. 다음은 생산 스케일업 기간을 줄이는 것이다. 

“최근 몇 년간 실제 사례를 통해 기가팩토리 발표에서 안정적인 생산 달성까지 평균 5~7년 정도가 소요되는 것으로 나타났습니다. 그러나 기술의 급속한 발전 속도를 고려할 때 이 기간은 너무 깁니다.”







스크랩률(scrap rate)은 핵심 이슈 중 하나다. 이는 현재 40%, 잘 구축된 설비의 경우 30%정도다. 하지만 이렇게 높은 스크랩률은 비용 효율적인 운영에 도움이 되지 않는다. 단 몇 퍼센트만 줄여도 수억 달러의 비용을 절감할 수 있다. 마지막은 지속가능성이다. 현재 배터리 제조는 에너지 집약적인 공정임에도 불구하고 배터리의 5% 이상이 재활용되지 않는다. 배터리 에너지 1단위를 생성하는 데 약 40단위의 에너지 소비가 필요하다. 

“이런 요인들이 배터리 산업의 지속가능성 목표를 달성하기 위한 중요 과제가 되고 있습니다. 배터리 엔지니어링 및 제조는 화학, 기계, 전기, 전자 엔지니어링 및 소프트웨어 등 모든 영역 간 상호 작용을 포함한 강력한 협업을 요구합니다.” 시나 이사가 말했다. 

여기서 지멘스는 다양한 자동화 기술을 결합하고 연결한 엔드 투 엔드 솔루션을 제공한다. 이 포괄적인 솔루션을 통해 배터리 기술의 고유 문제를 극복하는 데 중요한 디지털 세계와 물리적 세계 사이의 격차를 해소한다. 또 지멘스는 기술 및 구현 파트너를 포함한 대규모 파트너 에코시스템을 통합해 고객에게 추가적인 가치를 제공한다. 그런 결과 지멘스 Xcelerator는 전 세계 배터리 생산의 약 87%를 차지하는 상위 10개 배터리 공급업체 중 8개사와 함께 하며 배터리 업계에서 큰 반향을 일으키고 있다. 

“Xcelerator는 고에너지 밀도 배터리 개발 및 기가팩토리를 가속화하고, 셀 성능, 안전성 및 신뢰성에 영향을 미치는 올바른 화학 물질 선택과 같은 중요 결정을 내리도록 합니다. 또 효과적인 열 관리 전략을 마련하고 실제 운영 중에 SOC, SOH와 같은 배터리 매개변수를 정확하게 제어할 수 있도록 합니다. 이 모든 것을 달성하려면 모든 도메인에서 복잡한 절충안을 찾아야 합니다. 과거에 사용된 전통적인 테스트 집약적인 접근 방식은 느리고 비용이 많이 듭니다.”







배터리 협업사례 

시나 이사는 공개 가능한 주요 협업사례를 들었다. 
PSA 푸조는 이런 문제에 직면한 회사 중 하나로 지멘스의 포괄적인 포트폴리오를 채택해 복잡한 절충을 통해 광범위한 프로토타이핑의 필요성을 크게 줄인 기업 중 하나다. 결과적으로 50% 더 짧은 시간 내에 더 나은 배터리 팩을 개발했다. 

생산 공정을 개선하고 전반적인 효율성을 높이는 것, 생산 규모를 확대하는 것은 스타트업뿐만 아니라 대형 배터리 공급업체에게도 매우 중요하다. LG에너지솔루션의 경우엔 그들 시설에서 새로운 셀 제조 개념을 평가하려 했지만 머신 제작자에게 요구사항을 제공하고 머신 프로토타입을 테스트하는 전통적인 프로세스가 너무 길고 변환 프로세스를 이해하는데 비효율적이어 지멘스 솔루션을 수용했다. 지멘스, 그리고 머신 디스트리뷰터와 협력해 기본 개념을 생성, 특정 요구사항, 호환성, 효율성을 보장하는 개념을 검증했다. PLC 코드 개발 및 검증을 위한 디지털 트윈 머신의 통합 워크플로를 인프라에 연결하는 가상 시운전 프로세스로 시운전 시간을 단 몇 달로 단축했다. 게다가 기계 작동 이전에 20개 이상의 오류를 확인하고 수정할 수 있었다.

“스크랩률은 비용 효율적인 배터리 생산을 확대하는 데 있어 커다란 보틀낵입니다. 현재 셀 공장 데이터의 80%가 DAP에 저장되고 기업이 생산 공정에 대한 통찰력을 얻고 처리할 수 있도록 하는데, 이런 인사이트가 스크랩률을 낮추고 공장의 전반적인 성능을 개선하는 데 필요합니다. 이 문제를 해결하기 위해 머신 제조업체, 자재 유통업체, 셀 제조사가 지멘스에게 접근하고 있습니다.” 시나 이사가 말했다.

여러 기가 팩토리를 짓겠다는 야심을 갖고 있는 유럽의 배터리 스타트업 프레이어(FREYR)는 지멘스 Xcelerator를 이용해 PLC 자동화 하드웨어와 같은 운영기술을 MES 및 클라우드와 같은 정보 기술 계층과 연결해 데이터 기반 제조를 수용했다. 이런 통합을 통해 공장에서 기계적인 매개변수와 자재 소비량을 제어해 모범적인 제조 관행을 시행할 수 있었고, 궁극적으로 높은 스크랩률로 이어지는 오류를 줄였다. 또 공장 플로어에서 데이터를 수집하고 제약 조건을 시각화해 근본 문제를 파악했다. 그들은 지멘스와 파트너십을 맺음으로써 다른 대안에 비해 훨씬 더 짧은 시간 내에 목표를 달성할 수 있음을 확신했다.

기업은 배터리의 출시 기간을 단축하기 위해 전체 공급망에 걸쳐 강력한 협업을 촉진해야 한다. 이 부문에선 노르트볼트(Northvolt)가 좋은 예다. 그들은 유럽과 전 세계에서 선도적인 배터리 공급업체가 되고자 Xcelerator를 활용함으로써 엔터프라이즈 전체에 걸쳐 통합된 데이터 소스를 구축해 효율성을 향상시켰다. 그 결과, 엔지니어링 효율성을 20%나 향상시킬 수 있었을 뿐만 아니라 2030년까지 배터리에 사용되는 재료의 50%를 재활용 과정에서 얻는 것을 목표로 잡을 수 있었다. 

“이 모든 것은 지멘스 Xcelerator의 통합된 접근 방식과 협업을 통해 제공하는 혁신적인 기능에 대한 증거입니다. 이를 통해 배터리 제조업체는 출시 기간을 단축하고 혁신을 주도하며 배터리 산업의 지속가능한 미래에 기여할 수 있습니다.” 시나 이사가 말했다. 

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