기후변화, 지속가능성에 대응해 자동차와 배터리 기업이 글로벌 경쟁에서 살아남으려면 화학, 기계, 전기, 전자, 소프트웨어와 같은 모든 영역에 걸친 협업을 원활히 하고 디지털과 실제 세계를 완벽히 연결해 개발 혁신과 제조 속도를 높이는 디지털 전환이 관건이다. 이 디지털 전환의 여정은 디지털 트윈과 자동화, IT와 OT의 융합을 넘어 AI를 적극 활용 사전 예측하고 실시간 대응하며, 종국에는 사람의 개입을 최소화하는 단계로 가고 있다. 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어의 ‘지멘스 배터리 데이 2024’에서 왜 지멘스가 배터리 산업을 지배하고 있는지, 최종 목표로 가는 길목에서 ‘실행가능한 디지털 트윈, xDT’란 무엇인지에 주목했다.   

글 | 한상민 기자_han@autoelectronics.co.kr















“이것이 미래의 공장입니까?”
3월 말 서울 양재동에서 개최된 ‘지멘스 배터리 데이 2024’. 

엘리베이터에서 막 내려 그 현장에 다가가니 투명한 솜사탕 기계처럼 보이는 교반기가 작동하고 있었고 옆 테이블 모니터엔 이에 대한 실시간 모니터링 상황이 표시되고 있었다. 한 평 정도에 펼쳐 놓은 이 데모를 보고 미래 공장을 운운하는 것은 과장일 수 있지만, 이런 단편들이 모여 거대한 공장을 이룬다면 어떨까. 
‘Simcenter Mixer’라 불리는 이 교반기는 지멘스가 말하는 디지털 트윈의 다음 단계, ‘실행가능한 디지털 트윈(Executable Digital Twin, xDT)’을 하이라이트하는 데모다. 대략 설명하면, 교반기의 운전조건, 모터 시스템, 구조, 유동, 이것들의 상호작용에 대한 FSI 해석까지 시뮬레이션을 위한 데이터를 수집, 처리, 최적화하고, Mendix 앱을 통해 디지털 트윈을 구현해 실시간으로 현장을 비교하면서 실제 공정 최적화를 자동으로 하는 것이다.     

지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어의 오병준 한국지사장은 “화학, 기계, 전기, 전자, 소프트웨어 산업이 복잡하게 얽혀 있는 배터리 공정은 실제 검증 및 실시간 이슈 대응이 쉽지 않거나 너무 오래 걸리는 부분이 많습니다. 기존의 디지털 트윈이 시뮬레이션으로 최적화한 결과를 단방향으로 적용하는 디지털 트윈이라면, 차세대 디지털 트윈인 지멘스의 xDT는 실시간으로 데이터를 수집, 분석하고 AI로 사전 예측해 실시간 공정에 해결책을 적용하는, 양방향의 즉각 실행 가능한 디지털 트윈입니다”라고 설명했다.

기후변화, 지속가능성에 대응해 자동차와 배터리 기업이 글로벌 경쟁에서 살아남으려면 이런 모든 영역에 걸친 인사이트, 협업을 원활히 하고 디지털과 실제 세계를 더욱 밀접하게 연결해 개발 혁신과 제조 속도를 높여야 한다. 지멘스의 Xcelerator 포트폴리오와 함께 전개되는 고객의 디지털 전환 여정은 ▶Single Source of Truth에 대한 Configuration ▶디지털 트윈의 Connection ▶자동화 및 IT와 OT의 융합인 Automation 단계를 넘어 ▶이제 AI를 활용해 예측하고 적용하는 Generative ▶그리고 종국에는 사람의 개입을 최소화하는 xDT와 같은 Adaptive의 미래로 가고 있다. 

그래서, 지멘스 배터리 데이에서 만난 푸니트 시나(Puneet Sinha) 배터리 산업 글로벌 총괄 겸 선임이사, 오병준 지사장과의 이야기는 지멘스의 디지털 전환이 Generative 단계를 어떻게 전개하는지, Adaptive를 어떻게 준비하는지, 왜 지멘스가 배터리 산업을 지배하고 있는지에 대한 것이었다.  

오 지사장은 “저희는 지금 전기차 및 배터리 회사들과 함께 포괄적인 데이터와 AI를 활용해 사전에 문제를 예측하고 해결할 수 있는, xDT에 대한 실질적인 사례들을 찾아 늘리고 있고 이를 위해 많은 투자를 집행하고 있습니다”라고 말했다.  







배터리 산업의 당면과제 

최근 몇 년간 전기차와 관련해 업계에서는 수많은 기가팩토리 계획이 발표됐고 진행 중이다. 연평균 30%의 배터리 수요 성장, 14배의 캐파 증대, 유럽의 ‘배터리 패스포트’ 규제, 이 모든 것에 대한 3,000억 달러(400조 원) 이상의 대규모 투자 등 2030년을 향한 배터리 레이스는 이제 막 시작됐다. 
하지만 이 레이스에서 승리하기 위해선 크게 세 가지의 허들을 넘어야만 한다. 첫째는 전기차의 대중화를 위해 배터리 에너지 밀도를 2배 높여야 한다는 것이다. 특히 이는 새로운 소재의 고려를 포함해 안전성과 신뢰성을 유지하면서 달성해야만 한다. 둘째, 신속한 스케일업이다. 새로운 공장을 계획하고 짓고 적시에 대량생산하는 스케일업은 신속하게 달성돼야만 한다. 
그리고 마지막은 비용과 관련된 ‘스크랩률’을 낮추는 것이다.   

“스크랩률은 강조돼야 합니다. 신생 기업의 스크랩률은 무려 40%에 육박하고 있고 경험 많은 배터리 제조사도 10%를 상회하고 있습니다. 이 10%조차도 사실상 과도한 비용을 야기하는데, 이 상태로 대량생산에 간다면 비용은 더욱 커지고 그만큼 경제적인 가치가 떨어질 수밖에 없습니다. 산업의 모든 문제는 결국 비용으로 귀결되는데, 단 몇 %만 줄여도 수억 달러의 비용을 절감할 수 있습니다. 배터리 비용을 50%는 낮춰야 전기차를 대중화시킬 수 있습니다.” 푸니트 시나 선임이사가 말했다. 

배터리 산업은 자동차나 항공과 달리 화학, 전기, 전자, 기계, 소프트웨어 등 다양한 분야가 영향을 미치는 만큼 폭넓은 에코시스템에 대한 올바른 협업과 방법론으로 최선의 결과를 낼 수 있다. 또, 경험이 중요하다. 예를 들어, 훌륭한 케익을 만드는 레시피를 갖고 있더라도 모두가 스케일업해 제 때에 더 맛있고 더 싸고 많은 케익을 제공하는 것이 아니다. 

“실제로도 최근 몇 년간 기가팩토리 발표에서 안정적인 생산까지 5년 이상이 걸렸습니다. 이것은 기술과 시장의 발전 속도를 고려할 때 너무 긴 시간입니다.” 

이런 문제를 해결하기 위해 지멘스가 내놓는 것이 바로 포괄적인 디지털 트윈과 자동화, AI를 활용하는 Xcelerator 포트폴리오다. 이것은 특히, 매우 넓은 범위에서 디지털 세계와 실제 세계를 긴밀히 결합해 빠른 시간 내에 안정적으로 개발, 설계, 시뮬레이션, 검증, 제조, 양산에 돌입하도록 한다. 여기서 특히, 기술 및 구현 파트너를 포함한 대규모 파트너 에코시스템의 통합, 배터리 ‘디지털 스레드’로 불리는 디지털 전환의 근간은 배터리 개발의 가속과 관련해 소재, 셀-팩, 서플라이어, BMS 제공사, OEM, 배터리 스마트 제조, 첨단 머신빌더, 엔지니어링 기업, 공장, 배터리 리사이클링 부문까지 모든 것을 연결해 추가적인 가치를 제공한다.   

“다른 업체들이 단계별 개별 솔루션을 보유할 때 지멘스는 Xcelerator 포트폴리오에서 이런 모든 솔루션을 통합해 제공하고 있습니다. 이런 고유한 위치를 통해 지멘스는 디지털 영역과 물리적 영역을 효과적으로 통합, 예측 시뮬레이션하고 더 긴밀한 정렬과 정확성을 보장할 수 있게 합니다. 그 결과 지멘스 Xcelerator는 전 세계 배터리 생산의 약 90%에 육박하는 상위 10개 배터리 공급업체 중 8개사, 노르트볼트(Northvolt), 프레이어(Freyr) 등 수많은 스타트업, 20개의 톱 머신빌더 중 19개사와 함께 하고 있습니다.”







디지털 전환 여정 

업계와 지멘스의 디지털 전환 여정은 Configuration Connection Automation Generative Adaptive 단계로 나눈다. 

Configuration은 데이터의 중복을 방지하고 무결성을 유지하기 위한 하나의 공간에 대한 ‘Single Source of Truth’ 원칙을 확립하는 것으로, 개별 팀, 조직, 기업, 공급망 전반에 걸친 지멘스의 포괄적인 디지털 트윈의 시작이다. 즉, 표준화된 솔루션은 전체 생태계가 더 쉽게 정보를 공유하고 더 나은 호환성을 제공해 제품 설계부터 산출물 생성, 관리 측면 등 모든 면에 더 높은 수준의 통합과 이점을 제공하는 토대다.
예를 들어, 24명에서 시작해 현재 6,000명 이상의 직원을 두고 있는 스타트업 노르트볼트는  회사가 성장하며 ‘단절’ 문제에 직면했다. 좋은 데이터가 있지만 서로 다른 소프트웨어, 버전으로 적시에 사용하지 못했다. 그러나 지멘스 Xcelerator를 활용함으로써 엔터프라이즈 전체에 걸쳐 통합된 데이터 소스를 구축해 문제를 해결했다. 결과적으로 엔지니어링 효율성이 20% 향상됐을 뿐만 아니라, 2030년까지 배터리에 사용되는 재료의 50%를 재활용 과정에서 얻을 수 있게 됐다.  

“Single Source of Truth는 대단히 중요합니다. 왜냐면, 예를 들어 2027년부터 효력이 발생하는 EU의 ‘배터리 패스포트’ 규정을 맞추려면 전체 공급망에 걸쳐 무엇이 사용되고 얼마나 배출됐는지 등의 이력을 추적할 수 있어야 합니다.” 시나 선임이사가 말했다. 

Connection은 포괄적인 디지털 트윈을 구축함으로써 개발, 생산, 운영에 대한 인사이트를 높이고 효율성을 높인다. 만일 고에너지 밀도 배터리를 만들어야 한다면 다양한 화학 분야, 도메인이 협업해야 하는데, 이런 디지털 트윈을 활용하면 소재와 믹싱에 따른 셀 반응, 충방전에 따른 배터리의 성능과 수명 영향 등을 가상에서 체크할 수 있다. 예를 들어, 이런 배터리 R&D에서 너무 긴 시간을 소요해 애먹던 푸조는 지멘스 솔루션을 도입하면서 도메인별 설계 시간을 50% 단축했다. 

세 번째는 Automation이다. Automation은 디지털과 실제 세계, 그리고 IT와 OT가 융합되는 단계다. 대부분 기업의 기가팩토리는 계획을 발표하고 실제 안정된 공장 운영까지 3~5년이 걸린다. 공정과 공정이 서로 맞아떨어져야 하기 때문에 특정 공정 하나를 바꾸는 데도 많은 시간이 소요된다. 이 문제를 지멘스의 디지털 트윈, 통합 워크플로가 해결한다.

예를 들어, 머신빌더인 맨즈(Manz)는 가상에서 머신을 만들고 워크플로에 통합해 시뮬레이션까지 한 번에 함으로써 속도를 높이고 비용을 20% 절감했다. 또 프레이어는 지멘스 Xcelerator를 이용해 공장 자동화부터 클라우드까지 IT와 OT를 융합해 데이터 기반 제조를 구축함으로써 궁극적으로 높은 스크랩률로 이어지는 오류를 줄이면서 36개월 걸리던 생산 개시를 절반으로 줄였다. 

시나 선임이사는 “이 세 단계는 이미 대부분 선진 기업들이 각각의 R&D 혹은 공정별로 달성한 단계입니다. 그런데 모든 것을 아우르는 통합 솔루션은 거의 없습니다. 진정한 디지털 전환은 이런 광범위한 통합과 그 이후에 이뤄집니다. 예를 들어, 모두가 직면한 문제 중 하나가 바로 시운전 후 스케일업할 때 시간이 너무 많이 걸린다는 것이고 공장에서 발생하는 데이터 중 80%가 거의 사용되지 않는다는 것입니다. 프레이어는 이런 데이터를 활용해 공정을 개선하고 에러를 예측해 파일럿 라인에서 기가팩토리까지의 기간을 단축하는 스마트팩토리를 만들었습니다”라고 말했다. 







생성AI로 가속되는 배터리        

Automation 다음은 AI와 데이터를 이용해 공정에서 왜 특정 사항이 발생하는지, 이것을 개선할 방법은 무엇인지를 찾아 사후 관리가 아닌 예측을 통해 사전에 실행에 옮기는 ‘Executable’ 단계고, 그다음은 사람의 개입이 최소화된 Adaptive다. 폐쇄 루프에서 피드백이 오면 직접 해결책을 공정에 자동으로 적용한다.  예를 들어, 볼타이크(VOLTAIQ)는 스마트팩토리는 완성했지만, 배터리 활성화 공정 이후 3주는 지나야 불량을 잡을 수 있어 병목 현상으로 골치를 앓았다. 이에 볼타이크는 지멘스의 솔루션을 활용해 데이터를 분석하고 결함을 찾아낸 것뿐만 아니라, 왜 이런 결함이 생겼는지 여러 매개 변수들의 관계를 분석함으로써 슬리팅 블레이드(slitting blade)에 문제가 있음을 밝혀, 선제적인 블레이드 교체로 병목 현상을 줄이고 있다. 특히, 이와 함께 스크랩률이 10% 정도 줄였는데, 이것은 기가팩토리일 경우 약 1억 달러 이상의 비용을 절감하는 셈이다. 

LLM의 활용도 기가팩토리의 다운타임을 줄인다. 기가팩토리에서는 문제 발생을 찾아 보고하고 분석하는 데 시간이 오래 걸리고, 심지어 보고가 누락된다. 이런 문제 해결을 위해 지멘스는 마이크로소프트와 협업해 설계 엔지니어, 현장 작업자, 여러 비즈니스 팀들이 피드백 루프를 모바일 디바이스에서 자연스럽게 음성으로 처리하도록 했다. 

시나 선임이사는 “인도네시아의 팩 공장 오퍼레이터가 영어를 못한다고 합시다. 여기서 마이크로소프트의 AI가 인도네시아어를 영문 텍스트로 바꿔줘 독일의 엔지니어링 팀에 보고해줍니다. 이때 사진도 전송되는데, 해당 기계만이 아니라 주변에 어떤 상황이 발생했는지 관련 데이터도 함께 보냅니다. 그 해결책은 소프트웨어 전문가가 아닌 현장 오퍼레이터도 쉽게 처리할 수 있게 보내집니다.” 

인더스트리얼 메타버스는 몰입형 가상현실의 메타버스와 생성AI를 결합해 몇 년 걸리던 작업을 몇 초 내로 줄이면서 현장의 비용 및 안전 이슈를 해결한다. 특히 파일럿 라인에서 기가팩토리로 재빨리 스케일업해야 할 때 모든 셋업과 시뮬레이션을 가상에서 해볼 수 있게 한다. 
“중요한 것은 메타버스를 구현할 때 해상도와 같은 시각적인 것이 아니라, 문제가 발생할 경우 사후 처리가 아닌 사전에 문제를 찾아내고 해결해 실제 세계에 적용할 수 있게 하는 점입니다.”







Executable Digital Twin    

최종 단계는 Adaptive다. 문제가 언제 발생할지 예측하고 기계 스스로 시정하는, 사람의 개입을 최소화하는 단계다. 

지멘스는 여기서 Simcenter Mixer 데모처럼 디지털 트윈 개념을 넘는 실행가능한 디지털 트윈 xDT를 제시한다. 배터리 분야의 xDT는 분자에서 시스템 레벨에 이르기까지 배터리의 성능과 수명을 예측하고, 실시간으로 시뮬레이션, 모니터링하면서 공정을 최적화할 수 있다. 
예를 들어, 코팅 공정에서 롤링을 할 때 간혹 포일이 깨지는 경우가 있는데, 이렇게 되면 생산이 중단돼 다운타임이 발생한다. 지멘스는 이에 현장의 LiveTwin 에지 디바이스의 데이터와 클라우드 분석을 통해 실시간으로 실패를 측정, 예측, 사전 교정을 한다. 디지털 트윈을 통해 미래 브레이킹 포인트를 파악하고 이와 관계된 속도, 토크 등 다양한 매개 변수를 분석함으로써 사전 최적화할 뿐만 아니라 실시간 측정값에 따른 변수도 자동 조정한다. 

ESS나 전기차도 마찬가지다. 전기차 배터리는 실시간 주행 데이터만 활용해 퇴화 모델 등을 BMS에 적용해 배터리 성능을 높여왔는데, 이제는 클라우드를 통해 실시간으로 모니터링하면서 다양한 성능을 추정하면서 이에 대한 제어를 실시간으로 적용할 수 있다. 실차 검증 없이 열폭주 위험성을 낮추고 실시간 적용으로 전기차 안전성을 강화하는 것도 마찬가지다.

“디지털 전환은 혁신과 시장 출시를 빠르게 하고 비용을 절감하게 합니다. 이런 디지털 전환의 여정에서 가장 중요한 메시지는 이 여정을 떠날 때 가상과 실제 세계의 융합이 완벽해야 한다는 것이고, 이것을 지멘스가 만족스럽게 도울 수 있다는 것입니다.”
오 지사장이 말했다. 

  

AEM_Automotive Electronics Magazine