고하중 정밀 이송, 차세대 배터리 제조 자동화의 핵심으로
전기차를 넘어 대형 상용차, 항공, 선박, 에너지저장장치까지 배터리 적용 분야가 확대되면서 생산설비에도 더 높은 하중과 정밀도, 유연성이 요구되고 있다. Bosch Rexroth는 최근 공개한 기술기사 「Heavy-Payload Conveyance Paves the Way for Next-Generation Battery Manufacturing」에서 리니어 모터 기반 고하중 이송과 공정 전반의 자동화 통합을 차세대 배터리 제조의 핵심 과제로 제시한다. 이 기사는 해당 원문을 바탕으로 주요 내용을 정리했다.
▲ 배터리 대형화와 고중량화에 따라 생산라인에서는 고하중을 정밀하게 이송할 수 있는 자동화 기술이 핵심 요소로 부상하고 있다.
전기자동차(EV)를 비롯해 대형 상용차, 항공, 선박, 에너지저장장치(ESS) 등으로 배터리 적용 영역이 확대되면서 배터리 제조설비의 요구조건도 달라지고 있다. 단순한 생산량 확대를 넘어 점점 커지고 무거워지는 배터리 모듈과 팩을 빠르고 정밀하게 이동시키는 능력이 생산라인의 중요한 설계 요소로 떠오르고 있기 때문이다.
Bosch Rexroth는 차세대 배터리 제조에서 고하중 이송(Heavy-Payload Conveyance)이 생산성과 유연성을 높이는 핵심 역량으로 부상하고 있다고 설명한다. 특히 전기트럭과 재생에너지 저장용 배터리처럼 대형·고중량 제품이 늘면서 기존 컨베이어만으로 대응하기 어려운 영역이 확대되고 있다.
생산량과 정밀도, 동시에 높아지는 요구조건
현대 배터리 생산라인은 대량생산과 높은 정밀도를 동시에 충족해야 한다. 원통형, 파우치형, 각형 등 배터리 형식과 관계없이 셀은 고도로 자동화된 환경에서 생산·적층· 조립·검사된다.
Bosch Rexroth에 따르면 일부 생산라인에서는 전극층을 200ms마다 적층하면서 최종 위치 정확도를 200μm 이내로 유지해야 한다. 작은 편차도 스크랩이나 재작업으로 이어질 수 있기 때문에 생산속도와 정밀제어를 함께 확보 하는 것이 중요하다.
여기에 전기트럭과 대용량 에너지저장용 배터리 팩의 크기와 중량이 증가하면서 물류·이송 부문도 새로운 과제를 맞고 있다. 고하중 부품을 정밀하고 반복적으로 이동 시키면서 공정 처리량을 유지하는 이송 시스템이 필요해지고 있다.
▲ 현대 배터리 생산라인은 제품 일관성을 확보하기 위해 대량 생산과 높은 정밀 도를 동시에 충족해야 한다. (자료: Bosch Rexroth)
리니어 모터 기반 이송, 1000kg 이상까지 대응
배터리 생산라인에서 주목되는 기술 가운데 하나는 리니어 모터 구동 이송 시스템이다. 기존 컨베이어와 달리 자기력으로 구동되는 무버를 사용해 수kg의 부품부터 1000kg 이상의 고하중까지 운반할 수 있으며, 최대 5m/s의 속도를 지원한다.
특히 전기트럭이나 대규모 에너지저장용 배터리 팩은 중량이 0.5 톤을 크게 넘어설 수 있다. Bosch Rexroth는 이러한 고하중을 0.02mm 수준의 정밀도로 이동시켜 조립, 테스트, 검증 공정을 생산라인에서 연속적으로 수행할 수 있다고 설명한다.
개별 캐리어를 독립적으로 제어할 수 있다는 점도 중요한 특징이 다. 각 무버를 비동기 또는 동기 방식으로 운전할 수 있어 특정 공정을 건너뛰거나 재작업 공정으로 되돌리고, 필요하면 End-of-Line 테스트로 직접 보내는 등 생산 흐름을 유연하게 구성할 수 있다.
공간 활용 측면에서도 이점이 있다. 최대 1.5m×2.8m 크기의 팔레트를 적용할 수 있어 대형 모듈을 처리하면서도 고밀도 생산라인 구성이 가능하다는 설명이다.
▲ 리니어 모터 기반 이송 시스템은 개별 캐리어를 독립적으로 제어해 공정 설계의 유연성을 높인다. (자료: Bosch Rexroth)
전극에서 셀·모듈·EOL까지 이어지는 자동화
고하중 이송만으로 배터리 생산 자동화가 완성되는 것은 아니다. 배터리 제조는 전극 생산부터 셀 제조, 모듈 조립, 최종 검사까지각 단계에서 정밀 자동화가 필요하다.
전극 생산에서는 다축 동기제어와 장력제어가 중요하다. 원재료를 혼합·코팅해 양극과 음극을 만드는 과정에서 포일을 균일하게 처리해야 하며, 수십 개 축의 동기화를 유지하지 못하면 코팅 두께나 압력에 편차가 발생할 수 있다. 전기기계식 실린더와 서보 구동 액추에이터는 고속 생산에서도 정밀도를 유지하는 데 활용된다.
셀 생산에서는 전극을 형식에 따라 적층하거나 권취하고 충전하는 공정이 이어진다. 이 단계에서는 속도와 정밀도를 함께 확보하는 고속 이송이 필요하다. Bosch Rexroth는 부품의 중량과 공정 특성에 따라 경량 부품에는 모듈형 컨베이어를, 대형·고중량 부품에는 중하중·고하중 이송 시스템을 적용하는 방식을 제안한다.
모듈 조립에서는 로봇, 프레스 시스템, 정밀 디스펜싱 기술이 결합된다. Plug-and-Produce 방식의 메카트로닉스 키트는 로봇 핸들링 시스템의 통합과 시운전을 단순화할 수 있으며, 지능형 핸드헬드 공구는 체결 토크 제어와 작업 추적성을 지원한다.
최종 검사(EOL, End-of-line) 역시 중요한 공정이다. EV 배터리 라인은 자동차 조립 속도에 맞추기 위해 72초마다 새로운 배터리 팩을 검사해야 하는 경우도 있다. 확장 가능한 드라이브와 전력변환 플랫폼은 전압과 전류를 일정하게 제어하면서 충·방전 사이클을 수행해 출하 전 배터리 성능을 검증한다.
전기트럭·항공·ESS까지, 고하중 수요 확대
배터리 제조의 대상은 승용 전기차에만 한정되지 않는다. 대형 상용차, 항공기 시제품, 선박용 전동화 시스템, 풍력·태양광용 고정형 저장장치 등에서도 고용량 배터리 수요가 확대되고 있다. 특히 고정형 에너지저장 분야에서는 수천kg에 이르는 모듈을 다뤄야할 수 있다.
이처럼 제품 크기와 형식이 다양해질수록 이송 시스템도 소형 원통형 셀부터 대형 멀티모듈 팩까지 폭넓게 대응해야 한다. 다양한 애플리케이션에 맞춰 생산시스템을 유연하게 구성하면 대규모 재설비 부담을 줄이고 한 공장에서 여러 시장을 대응하는 데 유리하다.
▲ 고하중 이송은 더 높은 생산성을 갖춘 배터리 생산라인을 구축하는 핵심 역량으로 부상 하고 있다. (자료: Bosch Rexroth)
전고체·나트륨이온까지 고려한 유연한 생산라인
배터리 제조설비의 또 다른 과제는 새로운 화학계와 제품 형식에 대한 대응력이다. 전고체와 나트륨이온 등 새로운 배터리 화학계가 상용화에 가까워지면서 소재 취급 방식과 조립 기술도 달라질수 있다. 따라서 현재의 리튬이온 배터리 규격에만 맞춘 전용설비보다 모듈형·유연형 자동화 플랫폼의 중요성이 커지고 있다. 유연한 이송, 로봇 핸들링, 테스트 시스템을 결합하면 새로운 포맷이 등장하더 라도 생산 중단과 대규모 변경 부담을 줄이면서 대응할 수 있다.
속도 경쟁보다 중요한 시스템 관점의 통합
전동화 시장은 빠르게 변화하고 있으며 자동차 업체와 에너지 기업 모두 생산능력 확대와 시장 출시 속도를 높이고 있다. 그러나 생산량만 앞세우고 이송, 로봇, 테스트, 제어의 통합을 충분히 고 려하지 않으면 품질 문제와 생산 차질로 이어질 수 있다.
Bosch Rexroth는 전극에서 EOL까지 각 공정이 함께 확장될 수있도록 생산라인을 시스템 관점에서 설계해야 한다고 강조한다. 고하중 이송은 이러한 시스템에서 대형 모듈을 공정 사이에서 안정적이고 효율적으로 이동시키는 역할을 맡는다.
과거에는 특수한 용도의 기술로 여겨졌던 고하중 이송이 이제 배터리 제조 자동화의 중심 요소로 이동하고 있다. 리니어 모터 기반 정밀 이송을 로봇, 모션제어, 유연한 자동화 플랫폼, 테스트 시스템과 결합하면 대형·고중량 배터리에 대응하면서도 새로운 제품 형식과 생산량 변화에 유연하게 대응할 수 있다.
자료제공: Bosch Rexroth (www.boschrexroth-us.com)
