산업용 배터리 탈거로 전기자동차의 지속 가능성이 더욱 향상됩니다

전기자동차가 호황을 누리고 있습니다. 하지만 막대한 양의 중고 배터리는 실제로 어떻게 될까요? Fraunhofer IPA는 KUKA의 KR QUANTEC을 사용하여 산업용 배터리 탈거가 어떻게 작동하는지 테스트했습니다. 목표는 전기자동차의 사용을 더욱 지속 가능하게 만드는 것입니다.

점점 더 많아지는 전기자동차 - 배터리의 재활용이 해결방법입니까?

2023년 3월, EU 국가들은 엄청난 결과를 가져오는 결정을 내렸습니다: 2035년부터 유럽에서는 무공해 자동차와 소형 밴만 등록이 허용됩니다. 늦어도 이 순간부터 다음은 분명해졌습니다: 자동차 산업의 미래는 전기자동차에 달려 있습니다. 예측은 또한 다음을 보여줍니다: 국제에너지기구(IEA)에 따르면 2022년 전 세계적으로 약 2,770만 대의 전기자동차가 운행되고 있었지만 2030년에는 2억 2,600만 대 이상이 될 것으로 예상됩니다. 독일에서는 거의 전체 자동차의 4분의 1이 전기자동차가 될 것입니다. 현재는 2%에 불과합니다.

산업용 로봇으로 귀중한 원자재 재활용 가능

단 하나의 문제가 있습니다: 전기자동차가 점점 더 많아지면서 폐 배터리도 산처럼 증가하고 있습니다. 현재 평균 수명이 약 10년에 불과하기 때문입니다. 동시에, 생산에 필요한 원자재는 점점 더 부족해지고 비싸지고 있습니다. 해결책: 재활용! 그리고 바로 여기에서 KUKA의 산업용 로봇, 바로 산업용 로봇 KR QUANTEC이 등장합니다. 이 로봇의 도움으로 슈투트가르트에 있는 Fraunhofer Institute for Production Engineering and Automation IPA에서는 연구 프로젝트인 “DeMoBat - 배터리 및 전기자동차의 산업적 탈거”를 통해 이것이 어떻게 가능한지 보여주었습니다.

슈투트가르트의 Fraunhofer IPA와 KUKA는 오랜 파트너십을 유지해 왔습니다.

12명의 파트너가 수년간 공동 연구를 수행했습니다

수년에 걸쳐 12개 파트너로 구성된 전문가들은 전기자동차의 배터리를 지속 가능하고 경제적으로 실행 가능한 방식으로 재처리할 수 있는 방법을 조사했습니다. 이 프로젝트에서는 지속적인 산업 운영에 사용할 수 있는 데모 및 테스트 도구로 총 8개의 어플리케이션이 완전히 개발되었습니다. 전기차 배터리 탈거에 초점이 맞춰졌습니다. 구성요소를 재활용하기 위한 전제조건은 구성요소로 분리하는 것인데 이는 그리 쉽지 않습니다.

배터리 탈거: 복잡하고 생명을 위협함

Fraunhofer IPA의 그룹 리더인 Anwar Al Assadi는 “배터리 탈거에는 세 가지 주요 과제가 있다”라고 설명합니다. “첫째, 고전압 기술을 다루려면 특별하고 시간이 많이 걸리는 교육이 필요하기 때문에 특별한 자격을 갖춘 전문가가 필요합니다. 둘째, 수동 탈거는 고전압 및 위험한 가스로 인해 건강 위험과 관련이 있으며 최악의 경우 자연 발화가 발생할 수 있습니다. 셋째, 수동으로 탈거하려면 시간이 매우 오래 걸리고 이에 따라 비용도 많이 듭니다. 이로 인해 현재로서는 재활용이 수익성이 없어 보이는 경우가 많습니다.”

자동화 솔루션은 전기자동차를 더욱 지속 가능하게 만드는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.

Fraunhofer IPA 그룹 리더인 Anwar Al Assadi

배터리 자동 탈거, 일석이조

이것은 로봇 기반 솔루션에 딱 맞는 과제입니다. 이런 방식으로 270킬로그램의 가반하중을 자랑하는 마운팅 로봇 KR QUANTEC은 완전히 Fraunhofer IPA에서 개발한 소프트웨어 “pitasc”로 운영되며 KUKA.RobotSensorInterface로 제어되므로 외부 센서의 연결이 용이합니다. “이런 방식으로 우리는 중요한 탈거 단계를 실시간으로 제어할 수 있었고 이전에는 수동으로 수행해야 했던 다양한 프로세스를 자동화했습니다.” 이는 KUKA의 기술이 배터리 탈거 작업에 도움이 된다는 것을 의미합니다. 세 가지 문제를 한 번에 해결: 숙련된 인력 부족을 줄이고 직원의 안전 위험을 최소화하며 효율성 덕분에 배터리 재활용은 경제적으로도 가치가 있습니다.

EU 배터리 규정이 대폭 강화되어 조치가 취해졌습니다

제조업체는 반드시 이 문제를 해결해야 합니다: 2023년부터 훨씬 더 엄격해진 EU 배터리 규정에 따라 무엇보다도 새 배터리에는 유럽으로 수입된 경우에도 더 많은 재활용 소재가 포함되어야 합니다. 슈투트가르트의 성공적인 연구 프로젝트는 KUKA의 기술 지원이 얼마나 가치 있는지를 인상적으로 보여줍니다.

여기에서 KR QUANTEC은 나사 풀기부터 실링 조인트 열기, 케이블 분리까지 다양한 작업 단계를 수행했습니다. “복잡한 것은 시장에 엄청나게 다양한 배터리 시스템이 있다는 것”이라고 Anwar Al Assadi는 말합니다. “그리고 각각의 내부는 다르게 보입니다.” 어떤 경우에는 제조업체가 동일한 차량 시리즈 내에서도 배터리 시스템의 구조를 변경합니다.

어떤 전기자동차의 배터리에 관계없이: KR QUANTEC은 이러한 문제를 해결하는 방법을 알고 있습니다

6축 로봇 KR QUANTEC이 바로 이런 용도로 사용됩니다: 6개의 자유도를 통해 다관절 로봇은 배터리 시스템의 다양한 치수와 형상에 맞게 최적으로 조정할 수 있으며 큰 가반하중은 높은 토크도 처리할 수 있음을 의미합니다. 따라서 하드웨어와 함께 해당 배터리 모델에 관계없이 수행해야 할 작업을 인식하는 앞서 언급한 “pitasc” 솔루션과 같은 소프트웨어가 필요합니다.

Fraunhofer IPA 프로젝트 구조는 KUKA 로봇의 유연성을 보여줍니다.

나사 및 기타 구성요소를 자동으로 인식하는 이미지 처리 시스템 지원 덕분에 각 개별 공정 단계에 대해 KR QUANTEC을 수동으로 티칭할 필요가 없었습니다. 부품과의 충돌을 방지하기 위해 각 탈거 단계 후에 센서와 3D 카메라 시스템을 사용하여 성공 여부를 확인했습니다. 그런 다음 신호는 중앙 프로세스 컨트롤러로 전송되어 안전한 프로세스 흐름을 보장합니다.

슬림한 기하학적 구조와 작은 설치 공간으로 인해 QUANTEC을 사용하면 유연하고 미래 지향적인 시스템을 구축할 수 있습니다.

Thomas Schmidberger, Global Business Development Manager Electronics

다양한 디자인의 배터리를 처리할 수 있는 유연한 시스템

Al Assadi는 자동차 제조업체가 배터리의 아주 작은 공간에 가능한 한 많은 구성요소를 수용해야 한다는 점이 복잡한 것이라고 말합니다. 이는 탈거 중 이동의 자유를 극도로 제한합니다. 또 다른 문제로는 케이블의 다양한 위치나 배터리의 많은 접착성 등이 있는데, 이는 나사보다 자동으로 제거하기가 훨씬 더 어렵습니다. “그러나 우리는 이에 대한 솔루션도 찾았고 이제 산업용으로 추가 개발하고자 합니다”. 특히 배터리 설계가 6개월마다 근본적으로 바뀌기 때문에 유연한 시스템을 구축하는 것이 중요합니다.

Fraunhofer IPA 프로젝트 시스템은 지속적인 산업 운영에 사용될 수 있습니다.

KR QUANTEC: 다양한 응용 분야에서 매력적

다양성은 KR QUANTEC 시리즈의 가장 큰 장점 중 하나입니다: Thomas Schmidberger(Global Business Development Manager Electronics by KUKA)는 “슬림한 구조와 작은 설치 공간으로 인해 QUANTEC을 사용하면 유연하고 미래 지향적인 시스템을 구축할 수 있다”고 말합니다. “모든 KUKA 로봇과 마찬가지로 이 로봇도 정전기에 민감한 부품을 안전하게 핸들링하기 위해 표준으로 ESD 인증을 받았습니다.”

또한 차세대 다관절 팔 로봇 KR QUANTEC은 표준 DC 컨트롤러 덕분에 특별한 에너지 효율성을 자랑합니다: 모션 및 대기 모드 모두에서 에너지 소비가 크게 감소했습니다. 생산 이동 중에 6축 차량은 부분적으로 제동 에너지를 회수하여 이전 모델보다 약 30% 적은 에너지를 사용합니다. “제어 대기” 작동 상태에서는 60% 적은 에너지를 사용합니다.

자동 탈거 이상의 작업을 수행할 수 있는 산업용 로봇

이로 인해 6축 로봇 KR QUANTEC은 전기자동차 배터리 재활용뿐만 아니라 다양한 적용 분야에도 매력적입니다. 슬림한 모듈형 시스템은 또한 맞춤형 기술과 빠른 배송 시간을 보장하며, 결론은 낮은 총 소유 비용(TCO)입니다. 유지 관리 노력이 최소화되고 예비 부품 수가 줄어들기 때문입니다.

120~300kg의 KR QUANTEC 시리즈 모델도 고하중 등급에 속하며 이 분야 시장에서 가장 큰 하중 및 도달 범위 포트폴리오를 보유하고 있습니다. 현장에서 부하 용량을 업그레이드할 수 있는 능력과 높은 프로세스 품질을 위한 모션 모드는 모든 생산의 미래를 위한 합리적이고 안전한 투자입니다.

빠르게 증가하는 시장 규모

이는 배터리 탈거 분야에도 적용됩니다. 특히 전기자동차 산업은 향후 몇 년 동안 빠르게 발전할 것이기 때문입니다: 전문가들은 전 세계 전기자동차 시장 규모가 2022년 4,200억 달러 미만에서 2028년에는 7,700억 달러 이상으로 증가할 것으로 예상합니다. 프로젝트의 테스트 시리즈는 이제 자동차 OEM(예를 들어 자체 EV 재활용), 배터리 생산업체 또는 재활용 회사가 배터리 재활용과 관련하여 이 큰 잠재력을 어떻게 사용할 수 있는지 보여주었습니다. 관심 있는 기업은 Fraunhofer IPA를 통해 로봇을 이용한 제품 분해 가능성을 확인할 수 있습니다. 연구소에서는 탈거용 제품의 초기 최적화 작업도 진행 중이다.

뛰어난 유연성을 갖춘 KR QUANTEC은 Fraunhofer IPA 테스트 시설의 필수 요소입니다.

KUKA와 학계의 협력이 검증되었습니다

하지만 이 프로젝트 작업은 일부 관련인에게는 더 이상 새로운 경험이 아니었습니다: 수십 년 동안 기술 개발 및 테스트를 위해 KUKA는 연구소와 긴밀히 협력해 왔습니다. 최초의 KUKA 클린룸 로봇은 약 20년 전에 함께 개발되었으며, 이후 수십 가지 KUKA 제품의 ESD 인증 및 기타 여러 프로젝트가 이어졌습니다.

KUKA의 Thomas Schmidberger와 Fraunhofer IPA의 프로젝트 매니저인 Anwar Al Assadi는 성공적인 협력에 대해 기뻐하고 있습니다.

“DeMoBat”을 통해 다시 한 번 입증된 산업과 학계의 협업: Anwar Al Assadi는 “우리는 여기에 배터리 탈거를 위한 유럽 최대 규모의 테스트 시설을 설립했다”고 자랑스럽게 말했습니다. “또한 이를 통해 우리는 전기자동차의 지속 가능성을 더욱 높이기 위해 자동화 솔루션이 이 과정에서 결정적인 역할을 할 수 있다는 것을 보여주었습니다.”