전기차 반값 가격 실현을 위한 테슬라(Tesla)의 원가 혁신 전략

○ Tesla는 ‘30년 2,000만 대 생산체제 구축으로 현재 1,000만 대 클럽인 도요타와 VW을 넘어선다는 전략
 
- 이를 실현하기 위해 Tesla는 'Model 2'로 알려진 차세대 모델을 기존 전기차의 대략 반값에 해당하는 U$2만 5,000에 공급 구상
 
- 실제로 올해 3월에 열린 2023 Investor Day에서 Model 2가 공개될지에 대한 기대가 컸으나 발표는 없었음
 
• 그러나 일론 머스크가 이날 멕시코 기가팩토리 건설 계획을 밝혔고, 멕시코 정부 관계자들도 ‘24년부터 생산이 가능함을 확인해 주고 있어 준비가 되어 있음을 시사
 
• 업계에서는 차기 제품이 조기에 발표됐을 때 현재 판매 중인 상품의 가치가 떨어지는 ‘오스본 효과(osbourne effect)’ 때문에 Tesla가 의도적으로 속도 조절을 하고 있다고 분석
 
○ 차세대 모델은 획기적인 원가 절감이 이루어져야 하는데, 크게 4개 분야에서의 방향성 파악 가능 1. Assembly: Unboxed Process
 
○ 일반적으로 자동차 제조 시에는 차량의 골격에 해당하는 차체(BIW, Body In White)를 먼저 완성한 뒤 차체에 부품을 하나씩 장착하면서 차량을 완성
 

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- 자동차 제조 프로세스
 
• 연구소에서 제품을 설계하면 금형을 제작한 후 강판을 프레스 가공
 
• 이렇게 성형된 부품을 차체 공장에서 용접하여 3차원 폐공간 형상(속이 빈 Box 상태)의 차체를 제작. 이 차체에 도어를 붙이고 도장
 
• 이후 부품 장착이 쉽도록 도어를 제거하고 내장부품 장착. 다음은 차체를 들어 올려 아래에서 배터리, 구동모터 등 파워트레인을 조립하고, 다시 차체를 내려 시트, 윈도를 장착. 마지막으로 도어를 다시 장착하여 차량을 완성
 
- 기존 방식의 문제는
 
1) 인스트루먼트 패널, 시트 등 대형 내장부품 장착 시 도어를 떼어 낸 협소한 공간에서 작업해야 하고,
2) 도어를 붙였다 떼었다 하는 작업이 필요하며,
3) 차체를 올리고 내릴 필요가 있다는 점

 ○ Unboxed Process는 차체를 만들지 않겠다(Unbox)는 발상에서 출발. Tesla는 차량을 크게 6개 모듈로 나누어 도장과 조립을 완료하고 난 뒤 마지막 단계에서 6개의 빅 모듈을 하나로 합쳐 한 대의 차를 완성
 
- Tesla는 새로운 프로세스로 제조 원가의 50%를 감축 가능하다고 주장하고 있으나, 동 프로세스의 원가 절감 효과에 대한 전문가들의 평가는 엇갈리고 있음
 

[ Tesla의 Unboxed Process 6개 모듈 ]

 

* 자료: Tesla 2023 Investor Day Presentation 2. Powertrain
 
○ 전기차의 파워트레인(e-Axle)은 구동모터, 인버터, 감속기로 구성되어 있는데, Tesla는 고가인 희토류를 사용하지 않는 구동모터 개발과 인버터에 탑재되는 실리콘 카바이드(SiC) 전력 반도체 개수의 75% 감축을 계획
 
- Tesla의 파워트레인 담당 부사장 Colin Campbell은 “차세대 모델에서는 파워트레인 단가를 U$1,000 이하로 낮출 것이며, 타 자동차社는 이 숫자 근처에도 가지 못할 것”이라고 자신
 

○ 전기차 구동모터용 영구자석은 희토류인 네오디뮴(Nd)을 주원료로 하고 고온 환경에서의 자력 유지를 위해 디스프로슘(Dy)과 테르븀(Tb)을 첨가하는 것이 일반적
 
- 현재 Tesla는 Model 3와 Model Y의 후륜에 영구자석 동기모터(PMSM, Permanent Magnet Synchronous Motor)를 사용 중인데, Model Y 기준 희토류 사용량은 Nd 500g, Dy 10g, Tb 10g 정도
 
- Tesla는 희토류를 사용하지 않는 영구자석 개발 관련 상세 사항을 밝히지는 않았으나, 시장에서는 산화철을 주성분으로 하는 페라이트 자석 동기모터로 추정하고 있음
 
• 페라이트 자석은 Nd 자석 대비 자력이 열위하나, 최근 약점이 개선되고 있는 중
 
• ‘22.12월 특수강 제조업체 PROTERIAL(구, 히타치금속)은 일정 조건 하에서 페라이트 자석 모터가 Nd 자석 모터와 동등한 출력을 냈다는 시뮬레이션 결과 발표
 

[ Tesla Model S Powertrain ]

 

* 자료: Tesla
 
○ 인버터에 탑재되는 전력 반도체는 실리콘 카바이드(SiC) 웨이퍼를 주로 사용하는데, 실리콘 웨이퍼 대비 고가(약 10배)이고 양산이 어렵다는 단점
 
- Tesla는 SiC 반도체 사용 감축과 관련해서도 구체적 발표를 하지는 않았으나, 대만의 Digitimes는 SiC Die 사이즈 축소, GaN(질화갈륨) 반도체, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 반도체 대체 등 3가지 가능성을 제시
 
- 다만 열 대책과 전용 반도체 개발 등 기존 SiC 반도체의 원가절감 방향 제시
 
• SiC 반도체는 大전류가 흐르기 때문에 수냉방식의 방열이 필수적인데, Tesla는 막대 모양의 특수 냉각핀 방식을 채택하여 냉각성능을 높이고, 인접한 모터와 감속기의 유냉을 동시에 활용하는 '이중냉각'을 채택하여 기존 인버터 대비 2배 방열성능 확보. 이러한 방열성능 개선이 이루어지면 SiC 반도체 소형화 가능
 
• 기존에는 전력 반도체 제어용으로 범용품 MPU(Micro Processing Unit) 4개를 사용했으나, 이를 하나의 MPU로 통합한 시스템 반도체 자체 개발 3. E/E(Electrical/Electronic) Architecture
 
○ ‘23년 하반기 양산 예정인 사이버트럭과 이후 모델의 전장 부품 전압을 48V로 전환
 
- 자동차는 각종 전자 장비가 탑재되기 때문에 그만큼 전류의 양도 늘어나게 되는데 최신 자동차는 250 암페어까지 상승. 이에 따라 차내 배선이 복잡해지고 전선 중량이 늘어나는 문제
 
- 현재 시장의 표준 전압인 12V에서 48V로 전환할 경우 동일한 필요 전력 조건에서 전류가 1/4 수준으로 줄기 때문에 전력 손실 감소
 
- 또한 전류가 감소하면 전기차 내부의 길이 최대 4km, 무게 30~60kg에 해당하는 전선을 줄일 수 있어 경량화 기여
 
○ 자체 제작 ECU(Electronic Control Unit, 전자 제어 장치) 강화로 시스템 통합 제어
 
- 자동차 기능 다양화로 이를 제어하는 ECU도 급증(대당 70~100개). 문제는 기능별로 부품사에 발주하다 보니 각각의 ECU 운영체계가 달라 시스템 업데이트 등 한계
 
- 따라서 각각의 시스템들을 하나의 네트워크로 묶어 서로 통신을 주고받는 이더넷 (ethernet) 통신 네트워크를 구축
 
- 이러한 시스템 통합을 위해 Tesla는 지속적으로 ECU 자체 제작비율을 높여 왔는데, 차세대 전기차에서는 100% 자체 제작 목표
 

[ Tesla 차종별 ECU 자체 제작 비율 ]

 

* 자료: Tesla 4. Supply Chain
 
○ 부품 개수 및 Supplier 축소 등 공급망 간소화
 
- Model S와 Model X에 사용하는 플랫폼(SX-PF)은 Tier 1 조달 부품 3,400개, Tier 2 조달 부품 2만 1,000개였으나, Model 3와 Model Y 플랫폼(3Y-PF)에서는 각각 2,100개, 1만 9,000개로 감축
 
- Tesla는 플랫폼 변경을 부품 개수 삭감만이 아니라 기술 및 원가 측면에서 공급자의 능력을 평가하는 필터로 사용하고 있으며, 향후에도 계속 부품업체 축소 예정
 
- Tesla의 전자부품, 파워트레인, 배터리 공급망 담당 부사장 Karn Budhiraj은 “공급망은 완벽을 요구하는 게임으로 조금의 실수도 있어서는 안 되며, 휴먼 에러도 무시할 수 없기 때문에 소수 정예팀으로 완전자동화를 지향한다”라고 강조
 
○ 그러나 지나친 공급망 압축으로 인한 특정 부품업체에 대한 의존도 심화는 오히려 리스크가 되므로, 중요 부품은 2~3사 Multi-Sourcing 체제 유지
 
○ 한편 반도체 조달은 연산 2,000만 대 목표 달성에 큰 문제없다는 입장
 
- Tesla는 ‘23년 180만 대 이상의 전기차 생산 예정으로 반도체는 12인치 웨이퍼 환산으로 약 70만 매 소비 예상. 현시점에서 세계 웨이퍼 공급능력은 1억 3,500만 매 정도로 Tesla 점유율은 0.5%에 불과
 
- 2,000만 대 생산의 경우 웨이퍼 800만 매가 필요하다는 계산이 나오는데, 그래도 점유율 5% 내외로 파트너와 협력하여 생산능력 증강 투자를 한다면 필요한 반도체 확보는 가능
 
 

 

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