전기차 배터리 시뮬레이션의 정확성과 속도 향상

더 안전하고 신뢰할 수 있는 EV 배터리 개발

EV 배터리의 열 성능을 정확하게 예측하는 것은 아마도 자동차 OEM(주문자 상표 부착 방식 제조업체)이 직면한 가장 중요한 과제일 것입니다. 배터리에는 고장을 방지하기 위해 작동할 수 있는 온도 범위가 있습니다. 배터리가 이 범위를 벗어나면 배터리 수명이 줄어들거나 탑승자의 안전이 위협받을 수도 있습니다.

따라서 최고급 프리미엄 차량으로 전 세계적으로 유명한 브랜드인 Audi가 고전압 배터리 시스템 개념 개발을 전담하는 고도로 전문화된 팀을 구성한 것은 놀라운 일이 아닙니다. 독일에 위치한 이 팀은 미래의 모빌리티를 설계하고 디지털, 전기화, 지속 가능한 탁월한 주행 경험을 보장한다는 Audi의 비전에 중요한 역할을 합니다.

열 모델 정확도 향상

개념 개발 엔지니어인 Joohwa Sarah Lee는 이 팀의 일원으로 배터리 열 성능을 전담하고 있습니다.

Lee는 "정확한 열 시뮬레이션 모델을 구축하는 것은 팀 업무의 중요한 측면입니다."라고 말합니다. "모델은 그 자체로 배터리의 열 성능을 최적화한다는 목표에 직접적으로 연관되므로 매우 중요합니다."

2021년, Lee와 팀원들은 특정 사례와 조건에서 시뮬레이션 결과가 테스트 측정값과 일치하지 않음을 파악하고 시뮬레이션 모델의 품질을 개선하기 시작했습니다. 그들은 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter™ 엔지니어링 및 컨설팅 서비스를 개발 파트너로 선택했습니다.

Lee는 "Simcenter를 선택한 이유는 1D와 3D 모델 간은 물론 타사 도구와도 원활하게 연결할 수 있기 때문입니다."라고 말합니다. "Simcenter 엔지니어링 서비스는 이러한 통합을 구현하고 최대한 정확도를 높이도록 기술 지식과 지원을 제공했습니다."

1D 시뮬레이션과 3D 시뮬레이션 결합

전통적으로 모듈과 팩 지오메트리는 3D CFD(전산 유체 역학) 열 시뮬레이션을 사용하여 모델링되었습니다. 이 방법은 계산하는 데 상당한 비용이 들고 완료하는 데 며칠 또는 몇 주가 걸릴 수 있습니다. 또한 정확한 3D 모델을 생성하려면 매개변수에 대한 광범위한 지식과 3D 시뮬레이션 경험이 필요합니다. 1D 시스템
시뮬레이션은 훨씬 빠르게 실행할 수 있지만, 정확도를 떨어뜨리지 않고 3D 모델에서 1D 모델을 생성하기란 어려운 경우가 많습니다.

Simcenter 엔지니어링 서비스는 더 빠르고 정확한 배터리 스택 열 모델을 만드는 것을 목표로, 초기 전략 개발부터 차량의 나머지 하위 시스템에 대한 검증에 이르기까지 Audi의 배터리 관리 시스템을 지원합니다. 이러한 모델은 전류, 냉각수 온도 변화, 1D 전기 모델과의 연결성, MATLAB/Simulink와의 통합을 포함한 여러 매개변수를 고려해야 했습니다. Lee와 팀원들은 Simcenter팀에 다양한 시나리오에 대한 테스트 사례와 경계 조건을 제공했습니다.

맞춤화된 워크플로

Simcenter 엔지니어링 서비스 전문가는 소프트웨어, 하드웨어, 서비스로 구성된 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부인 Simcenter STAR-CCM+™ 소프트웨어와 Simcenter Amesim™ 소프트웨어를 결합하여 3D Simcenter STAR-CCM+ 모델에서 Simcenter Amesim의 1D 시스템 수준 모델을 생성하는 반자동 워크플로를 개발했습니다. 이 워크플로의 목적은 Audi의 1D 시뮬레이션 사용자가 1D 시뮬레이션의 속도를 유지하면서 3D 모델이 제공하는 높은 수준의 세부 정보를 활용할 수 있도록 하는 것이었습니다.

Simcenter STAR-CCM+는 지정된 입력을 사용하여 선택한 설계 공간을 포괄하는 여러 정상 상태 조건(입구 냉각수 온도, 유량, 전류 등)을 계산했습니다. 그런 다음 데이터를 사용하여 전체 스택에 대한 천이 시나리오를 조사하기 위한 1D 전열 모델을 도출할 수 있습니다.

시간 단축, 정확도 향상

Simcenter 엔지니어링 서비스 전문가가 개발한 워크플로는 배터리 열 시뮬레이션의 계산 시간을 단 몇 분으로 단축했습니다. 가장 눈에 띄는 예시 중 하나는 전기차 배터리를 10%에서 80%까지 충전하는 과정을 시뮬레이션하는 것입니다.

Lee는 "Simcenter 엔지니어링 서비스와의 프로젝트 덕분에 충전 시나리오의 시뮬레이션 시간을 거의 하루에서 1분 이내로 줄일 수 있었습니다."라고 말합니다. "이는 계산 시간에 있어 엄청난 차이입니다. 특히 열 거동 연구에 있어 시뮬레이션 결과도 상당히 개선되었습니다.

"우리는 이 문제에 대한 다른 솔루션을 모색했지만 Siemens가 제공한 도구 간 연결 수준만큼의 연결성을 제공하는 회사는 없었습니다. Simcenter STAR-CCM+의 3D 상세 모델을 Simcenter Amesim 및 Simcenter 엔지니어링 서비스팀이 지원하는 타사 도구의 속도 및 효율과 결합하여 상당한 이점을 제공했습니다. Simcenter Battery Design Studio를 비롯한 Simcenter 포트폴리오의 다른 제품도 자세히 살펴보고자 합니다."

Lee와 팀원들은 Simcenter 엔지니어링 서비스와의 협력 관계가 앞으로 더 발전할 것으로 기대하고 있습니다.

Lee는 "우리는 새로운 도구와 방법론을 향후 과제에 계속 적용할 것입니다."라고 말합니다. "Simcenter 엔지니어링 서비스팀이 제공하는 지원과 어려운 문제를 해결하는 데 도움을 주려는 의지와 능력에 감사드립니다."