전 세계적으로 전기 파워트레인을 장착한 차량의 수가 매해 40% 이상씩 증가하고 있다. 이와 함께 전기 파워트레인의 제조 공정도 변하고 있다. 내연 기관 자동차의 일반적인 제조 공정은 주로 반자동 생산 방식에 기반했지만, 배터리 셀과 전기 모터는 완전 자동 방식으로 생산되고 있다. 자동화 기술을 선도하는 제조기업인 Festo는 배터리 셀 생산부터 전기 모터 조립에 이르는 전체 가치사슬에서 완전 자동 방식의 공정에 맞는 솔루션을 갖추고 있다.

 

 

배터리 팩 핸들링. 전기 컴포넌트와 공압 컴포넌트가 결합된 핸들링 솔루션은 두 기술의 이점을 모두 제공하며, 배터리 셀을 견고하고 확실하며 정확하게 그리핑하여 이송할 수 있다. (이미지: Festo SE & Co. KG)

 

 

 

전기차 제조에서 배터리 셀 하나가 부가가치의 약 40%를 차지한다. 유럽은 전 세계에서 리튬이온 배터리 제조 능력이 가장 빠르게 성장하고 있다.

 

유럽 집중도 증가

 

최신 예측에서는 전 세계 제조 비율이 2030년까지 현재의 6%에서 최대 25%까지 증가할 것으로 예상한다. 배터리 셀 생산은 고도로 자동화되어 있다. 첨단 기술 제품인 배터리 셀은 낮은 인건비보다는 엔지니어링의 측면에서 우수한 인프라에 더 의존하기 때문이다. 따라서 주요 자동차 공장을 비롯해 기계 및 시스템 제조업체가 있는 유럽의 선진국들도 개별 배터리 셀 생산에서 배터리 모듈 조립까지 이 부문에 훨씬 더 큰 관심을 갖게 될 것이다.

 

배터리 제조의 핵심 요인

 

배터리 제조 공정은 매우 민감하기 때문에 자동화 컴포넌트에서 세 가지 요인, 즉 드라이룸 환경, 클린룸 요구사항, 비철 금속 같은 간섭 입자를 고려해야 한다. Festo의 카탈로그 제품은 드라이룸에서 제한 없이 사용할 수 있다. 그 이유는 마모되기 쉬운 컴포넌트에는 수분이 들어가지 않은 윤활제와 GRP/CFRP 강화 폴리머만 사용하기 때문이다. Festo에서 사용하는 그리스 약 60종에는 윤활제 성분에 물이 들어가지 않기 때문에 그리스가 건조되지 않는다. 80개가 넘는 Festo 제품 시리즈에 속하는 실린더, 밸브, 그리퍼, 드라이브, 모든 핸들링, 진공 및 압축 공기 시스템, 센서, 필터, 레귤레이터, 피팅은 ISO 7등급 클린룸 환경에서 사용할 수 있다. 대부분은 6등급과 5등급, 심지어 4등급에도 적합하다.

어플리케이션에 따라 다르지만, 배터리 셀 생산에 사용되는 제품에서 구리, 아연, 니켈 같은 간섭 입자가 방출되면 안 된다. 방출될 경우 배터리 품질이 저하되거나 사용하지 못하게 된다. Festo가 자사 제품을 개발할 때 구리, 아연, 니켈 사용을 제한하는 기준을 정한 이유가 여기에 있다. 따라서 주요 컴포넌트에는 구리, 아연, 니켈이 함유된 금속 재료가 사용되지 않는다.

 

 

배터리 셀의 디개싱(degassing) 및 실링(sealing)

 

Festo의 핸들링 시스템에는 구리, 아연, 니켈이 함유되지 않은 자동화 제품이 장착되어 있다. 따라서 디개싱과 실링 용도로 적합하다. 이러한 배터리 셀 생산의 핵심 공정은 배터리 셀에 전압을 처음 충전한 직후에 진행되며, 랜스를 사용해 배터리 셀에 구멍을 내어 접촉 과정에서 생긴 성형 가스(forming gas)를 빼내는 작업이 포함된다. 배터리 셀을 핸들링하고 구멍을 낼 때 Festo의 공압 및 전동 액추에이터가 사용된다.

이러한 공정에서 Festo 핸들링 솔루션을 사용하면 빠른 속도, 대량 처리, 신뢰성, 반복 정확성과 같은 이점을 누릴 수 있다. 예를 들어, Festo의 스핀들 축 ELGT에 기반하는 캔틸레버 핸들링 시스템은 공정 챔버의 역동적이면서 안정적인 로딩과 언로딩을 보장한다. 통합 이중 가이드가 장착된 Festo의 콤팩트한 저비용 스핀들 축 ELGT는 2D 및 3D 캔틸레버 시스템에 사용하기에 적합하다.

 

 

 

디개싱 공정 챔버. 이 어플리케이션의 핵심은 공정 챔버이다. 공압 및 전동 액추에이터는 중공 랜스를 조작하여 배터리 셀에 구멍을 낸다. (이미지: Festo SE & Co. KG)

 

 

전기 파워 트레인까지

 

전기 파워 트레인용 컴포넌트를 효율적으로 생산할 때 e-모빌리티의 경제적 성공이 보장된다. 여기서 전기 모터와 배터리 팩이 중요한 역할을 한다. 배터리 모듈과 팩 어셈블리를 조립할 때 가변적인 생산량과 컴포넌트의 기하학적 구조 같은 요인을 고려하는 것은 물론, 작업 안전과 연속적인 모니터링을 통해 위험을 최소화하는 것이 매우 중요하다. 적합한 교차 기술 핸들링 솔루션을 사용할 때 효율을 높일 수 있다. 이미 프로젝트 초기 단계에서 효과를 내고 있는 표준화 전략과 함께 2개 이상의 배치 크기로 규모의 경제를 활용할 수 있다. 재현과 전송이 가능한 공정 파라미터로 커미셔닝을 최적화한다. 컴포넌트 종류를 줄여 예비 부품을 효율적으로 공급할 수 있으며, 공정과 관련한 핵심 컴포넌트에 문제가 발생하여 나타나는 가동 정지도 줄일 수 있다.

Festo의 드라이브 및 센서 기술로 개별 공정 단계에 필요한 수준의 자동화를 보장한다. 전기 컴포넌트와 공압 컴포넌트가 결합된 핸들링 솔루션은 두 기술의 이점을 모두 제공하며, 배터리 셀을 견고하고 확실하며 정확하게 그리핑하여 이송할 수 있다. 배터리 모듈용 핸들링 시스템에서 포지션 트랜스미터 SDAT, 변위 인코더 FENG, 안전 브레이크 DACS가 내장된 공압 실린더 DSBC에 전동 캔틸레버 축 ELCC 및 서보 모터 EMMT가 결합되어 다양한 장점을 발휘한다. 즉, 인라인 공정 제어가 가능하며 오류를 조기에 감지하고 추적하며, 지정된 프로세스에 맞게 모터와 축을 최적으로 조정하고, 에너지 요구량이 적다는 장점이 있다.

 

안전 개념 내장

 

적절한 자동화 기술은 배터리 모듈 조립 시 기능적 안정성과 시스템 가용성 향상에 크게 기여한다. 실제로 공압 쿼터턴 액추에이터가 셀을 능동적으로 고정시킨다. IO-Link 인터페이스를 통해 간단하게 센서를 파라미터화하고 구성할 수 있다. 동작과 동시에 광-전기 센서 기술이 셀의 기계적 정렬 상태를 감지한다. 전기로 극성을 측정하는데, 전압이 맞지 않을 경우 셀이 분리된다. 이후 점검을 마친 셀이 모듈 하우징의 정확한 위치에 삽입된다.

모든 안전 관련 기능 그룹과 컴포넌트는 중복 구조를 갖는다. 이 과정에서 인텔리전트 컴포넌트를 사용해 데이터를 생성·수집·처리하기 때문에 투명한 생산 개념이 실현된다. 통계적 공정 데이터 모니터링 시스템이 데이터를 평가하여 그리퍼 교체가 필요한 시점을 표시한다. 따라서 상태 모니터링을 통해 가동 정지가 방지되고 유지보수 절차가 최적화된다.

 

 

파워 트레인의 전기화. 배터리 셀 생산과 전기차의 기타 컴포넌트에 대한 자동화 요구가 커지고 있다. 파워트레인의 전기화로 생산의 자동화 수준이 높아지고 있다. (이미지: Festo SE & Co. KG)

 

 

CODESYS SoftMotion을 포함하는 분산 인텔리전스

 

설비와 기기 가용성(OEE)을 최대화하는 데는 독립된 솔루션을 사용하는 분산 제어 개념이 적합하다. 이 경우 순차적·영구적 설치 라인 개념 대신에 독립된 스테이션이 필요하다. Motion Control(CODESYS V3)이 포함된 제어 및 자동화 시스템 CPX-E-CEC는 메인 컨트롤러의 작업 일부를 수행하여 새로운 가능성을 열어준다. 이에 따라 데이터 분석 등에 사용할 수 있는 자원이 확보된다. 이 구조에서는 전체 데이터 수집 및 컴포넌트 추적을 위한 생산 네트워크가 조성된다. 디지털 트윈이 시뮬레이션을 위한 토대가 된다.

 

단일 소스를 통한 자동화와 교육

 

전 세계 배터리 및 전기차 제조에서 핵심은 정확한 교육을 받은 직원을 보유하는 것이다. 많은 수의 직원에게 정확한 교육과 지식을 제공해 새로운 기술을 신속하게 습득할 수 있도록 Festo Didactic은 Festo의 자율 학습용 플랫폼 LX에 대한 이용부터 실무 교육을 통해 작업 현장으로 지식을 전수하는 실습 교육용 공장까지 산업별 학습 개념을 제공한다.