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Automotive insights IABC 2019 USA에서 나온 5가지 요점
Docol® - 자동차용 강종

IABC 2019 USA에서 나온 5가지 요점

International Automotive Body Congress(Detroit IABC 2019, 국제 자동차 차체 회의) 요점 정리

1) 배터리 인클로저 콘셉트가 IABC 주요 의제입니다
2) EV 배터리 대형화 및 저비용 재료 관련 계획
3) 혼합 재료는 계속 사용됩니다
4) 2024년까지의 가격 패리티: BEVs & ICEs
5) 혁신적인 프로파일을 위한 3D 롤 성형 및 3D 프린팅

2020 쉐보레 콜벳 차체(BIW)
2020 쉐보레 콜벳 차체(BIW)

배터리 인클로저 콘셉트가 IABC 주요 의제입니다 

USA 2019 IABC 회의에서 현저한 차이로 가장 큰 주제는 BEV 배터리 인클로저였습니다. BEV 주행거리 증가에 대한 요구를 충족시키기 위해, 배터리 셀은 무게가 증가하고 있으며(Wh/kg) 에너지 밀도도 높아지고 있습니다(Wh/liter). 다양한 이유로 인해 현재 OEM 업체들에게는 자사 BEV에 배터리 셀/모듈을 더 많이 추가하는 것이 사업상 이득이 됩니다.

그렇지만 배터리가 커지고 무거워질수록, 충돌 시 셀을 침입(intrusion)으부터 안전하게 보호하기 위해서는 차체(BIW) 엔지니어링은 더욱 창의적이어야 합니다. BEV 배터리에 있어 무엇보다 기둥 측면 충격 테스트는 넘어야 할 과제입니다.

설계자에게는 다행스럽게도 배터리 인클로저는 다양한 역할을 합니다: 나머지 BIW 바닥 구조와 결합된 경우, 추가로 구조적 강성과 비틀림 강성을 높여, ICE와 비교해 볼 때 약 30% 이상 증가됩니다(출처: Caresoft Global Inc.).

다양한 배터리 인클로저 프레젠테이션이 있었으며, 여기에서 높이를 줄이고 3D 롤 성형 빔을 이용한 Docol EV 설계 콘셉트도 소개되었습니다.

 

EV 배터리 대형화 및 저비용 재료 관련 계획

미시건 대학과 블룸버그 뉴 에너지 파이낸스의 Don Malen에 따르면 2020년 이후에는 알루미늄을 이용한 경량화에 드는 비용이 배터리 모듈을 추가하는 것보다 높아질 것입니다. 또한 확실히 소비자는 주행거리를 늘리고 “주행거리 불안감”을 낮추기 위해 더 큰 배터리를 원합니다.

배터리가 커지면 더 무거워진 차량으로 인해 증가한 충격 에너지를 흡수할 수 있도록 초고장력강(UHSS)을 사용한 BIW가 필요하게 됩니다.

알루미늄 배터리 인클로저는 AHSS 및 UHSS 강종으로 제작된 인클로저와 비교해 볼 때 이미 비용 면에서 불리합니다. Improvalue는 알루미늄 인클로저에 견주어 보면 AHSS/UHSS 배터리 인클로저가 차량당 현재 88 달러 ~ 110 달러의 이득이 있는 것을 보여 줍니다. (가정: 이상적인 공장, 200.000 차량/년; 5년 생산; 재료 비용, 성형 공정, 조립 및 e-코팅 등 고려.)

IABC 발표자들은 EV 배터리 크기가 커지고 설계자는 AHSS/UHSS 솔루션으로 더욱 혁신적으로 변함에 따라 앞으로 이러한 가격 차이는 더욱 커질 것이라고 언급했습니다. 이들은 알루미늄 인클로저 설계를 철강에 적용하지 말 것을 권장합니다. 그 대신 새로운 설계에는 기존의 제조 공정을 이용하는 AHSS 강종 고유의 장점을 활용하고, 3D 롤 성형과 같은 새로운 몇몇 성형 공정을 고려해 보아야 합니다.

또한 더 크고, 더 강력한, 따라서 더 무거운 EV 배터리를 사용한다고 해도 경량화는 여전히 중요합니다. 우선 OEM 업체들은 배터리가 커져 추가된 무게 중 일부를 상쇄하려고 노력할 것입니다. 또한 AHSS/UHSS 강종을 이용한 경량화는 GHG 집약적인 알루미늄이나 CRFG보다 훨씬 더 경제적(또한 친환경적)입니다. 앞으로 몇 년 안에 (에너지) 밀도가 높아진 고체 배터리를 볼 수 있기를 바랍니다: 이러한 배터리는 리튬 이온 배터리보다 가볍지만 더 비쌀 수도 있어, 설계자들은 가까운 미래에는 경제적인 AHSS/UHSS를 계속 사용하게 될 것입니다.

 

혼합 재료는 계속 사용됩니다

일부 프리미엄 자동차 모델들(예: 테슬라 X, S 및 3, BMW i3, 재규어 I-Pace)은 현재 자체 BIW에 많은 양의 알루미늄을 사용하고 있는 반면, 비용에 민감한 모델들(예: 르노 Zoe, 닛산 Leaf, 쉐보레 볼트)은 혼합 재료를 사용하는, 철강 집약적인 접근 방식을 채택하였습니다.

일부 프리미엄 자동차는 자체 BIM에 계속해서 대량의 알루미늄을 사용할 것으로 예상되지만 미래는 그 반대가 될 것입니다: 특정 재료로 특정 최적화 과제들을 해결해 나가면서 재료를 혼합하여 사용하는 비중이 커질 것으로 보입니다.

예를 들어 2020 포드 익스플로러 BIW의 완전히 새로운 플랫폼을 위한 재료 목록은 시사하는 바가 많습니다:
연강 24.2%
고장력강 21.4%
초고장력강 13.1%
초고장력강 UHSS 9.2%
프레스 경화강 25.2%
스탬핑된 알루미늄 0.1%
압출된 알루미늄 3.7%
알루미늄 – 주물 2.1%
마그네슘 – 주물 0.5%

포드는 자사의 BIW 토폴로지 최적화 접근 방식을 발표했으며, 여기에는 메인 하중 경로, 상부 하중 경로, 텐션 빔과 압축 빔을 위한 “골격 구조 해석”의 토폴로지 분석이 포함되어 있습니다. 2020년도 포드 Escape/Kuga에 적용된 “바이오닉” 백업 구조는 절곡을 최소화한 상태에서 충격 하중을 텐션과 압축으로 변환시키는 결과를 낳습니다.

2020년도 Escape/Kuga의 경우, 전방 구조와 필러, 루프 레일 및 하부 후방 구조 등을 포함한 핵심적인 구성품들은 각 주요 현지 시장을 위해 개별적으로 설계되었습니다. 이러한 구성품들은 무엇보다 현지의 성능 요구사항에 맞춰 제작되었지만, 그룹으로서는 모두 최적의 질량 효율성을 발휘했습니다.

2020년도 Escape/Kuga는 이전 모델보다 가벼운 차량입니다. 이 모델의 설계:

  • AHSS 및 UHSS 강종을 적용하여 5 kg이 가벼운 BIW를 통해 90 kg이 가벼워졌습니다.
  • 효율적인 섹션 및 조인트 설계를 통해 적재 용량이 증가하였으며, 탑승자 패키지가 향상되었습니다.
  • 이전 모델에 비해 정적 HEV 벤딩이 12% 향상되었고, 토션 성능은 10% 향상되었습니다.
  • BIW에 얇은 게이지 AHSS 및 UHSS를 사용하여 경제성을 유지했습니다.

 

2024년까지의 가격 패리티: BEVs 및 ICEs

2024년까지 정부의 세액 공제 없이 BEV는 리튬 이온 배터리의 가격 하락 덕분에 모든 모델 유형과 등급에 걸쳐 ICE와의 가격 패리티를 이룰 것입니다. 잠재적인 EV 구매자가 기다려 왔던 커다란 변화는 여기에 거의 다 있습니다: EV 가격 저하, 주행거리 증가, 지속 가능한 전기 요금

  • ICE와 BEV 사이의 패리티는 몇몇 중위권 차량(예를 들어 가격대가 36.000 ~ 61.100 달러인 2019년 테슬라 모델 3 대비 가격대가 41.245 ~ 61.945 달러인 2019년 BMW 330i xDrive)에서 이미 이뤄졌습니다.
  • 배터리 팩 가격은 2024년까지는 94 달러/kWh에, 2030년까지는 62 달러/kWh에 달할 것입니다(블룸버그 NEF).
  • 유럽은 2030년까지 자동차에 92 mpg를 요구합니다.
  • 현재 많은 지역에서는 태양열 전기가 천연가스에서 얻은 전기와 가격이 같거나 이보다 저렴합니다.
  • 인프라 전기화에 대한 주요 투자 예정(예: 충전 스테이션, 도로 및 주차장에 설치된 충전소 등등). 미국은 다른 나라를 따라잡으려고 애쓰고 있습니다: 중국(EV를 법적으로 요청)에는 충전소 900,000개가 있는 반면 미국에는 60,000개의 EV 충전소가 있습니다.

 

다르게 표현하자면, 2022년까지 배터리 가격은 약 100 달러/kWh로 인하되어, 가격이 매력적인 BEV의 주행거리에 380+ 마일(610+ km) 추가는 흔한 일이 될 것입니다.

 

혁신적인 프로파일을 위한 3D 롤 성형 및 3D 프린팅

2020년도 포드 익스플로러에서는 다중 표면 및 방향으로 스윕하면서 롤 포밍 공정에서 모두를 하나의 라인에서 실행하는 Shape Corporation의 3D 스윕 포밍 기술을 볼 수 있습니다. 이송 속도는 라인 유도 용접기의 최소 이송 속도에 따라 결정됩니다. 3D 롤 성형 단일 공정에서 고객별로 마르텐사이트 강은 3D 벤딩과 2020년도 익스플로러용 폐단면 프로파일을 이용하여 구조용 조립식 강관으로 성형됩니다.

Shape의 3D 스윕 기술은 스윕을 반경 400 mm로 촘촘하게 스윕할 수 있으며, 스윕 반경을 변경하려면 최소 100 mm의 벤딩기 이동 구역이 필요합니다. 벤딩은 3D 롤포밍 라인에서 분리되어 롤포밍 효율성을 극대화시키고 벤딩기를 유연하게 활용합니다.

SSAB 역시 배터리 인클로저를 위한 Docol EV 설계 콘셉트에서 3D 롤 성형을 강조했습니다. 3D 롤포밍을 통해 한 부분은 고정되어 있고 다른 한 부분은 유동적인 빔을 사용하여 인클로저의 하중 지지용 바닥을 만듭니다. 그 다음에는 빔 하나를 유사한 프로파일에 직각이 되도록 배치할 수 있습니다, 즉, 위가 아래로 가도록 뒤집어 메시 패턴으로 배치할 수 있어 Z 방향으로 높이가 두 배가 되지 않도록, 그 결과 차실에서 공간을 차지하지 않도록 할 수 있습니다.

3D 프린팅(일명 적층 제조)은 지극히 복잡하고 혁신적인 BIW 구성품을 이용하여 회의 참석자들을 현혹시켰습니다. 그 한 예는 조향 너클로, 최적화되고 경량화되어 와이어 프린팅을 했을 때보다 58%가 가벼워졌습니다. 현재까지 적층 제조는 다이 비용(250,000 달러 이상) 및 구성품 무게가 3D 프린팅 비용을 초과하는 소형 모델에 가장 적합한 방식입니다. 대부분의 구성품을 제작할 때 그 속도가 여전히 받아들이기 힘들 만큼 느리지만, 와이어 프린팅 증착 속도는 가속화되고 있어 많은 BIW 구성품 제조 공정이 점진적으로 중단될 것입니다.

international automotive body congress 2019(국제 자동차 차체 회의)

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