레이싱 카의 배터리 열 관리 최적화

1년 내에 산업 표준을 충족하는 레이싱 카 제작

Ecurie Aix는 1999년 독일 아헨에 위치한 RWTH Aachen University의 학생들이 Formula Student 팀을 만들겠다는 생각으로 설립했습니다. Formula Student는 SAE 또는 FSG(Formula Student Germany) 규정에 따라 500개가 넘는 대학 팀이 자체 차량을 제작하는 글로벌 대회입니다. 이 대회의 목표는 학생들이 1년 안에 레이싱 카를 설계, 제조 및 테스트하도록 하는 것입니다. Ecurie Aix 팀은 1999년에 처음으로 실린더 엔진(ICE) 구동 차량을 만들었으며 2022년 여름에는 10번째 자동차인 완전한 전기차로 경주할 예정입니다.

각 Formula Student 경기 종목은 정적 및 동적 분야로 구성됩니다. 정적 분야는 엔지니어링 설계 종목, 비용 종목 및 비즈니스 계획 프레젠테이션을 포함하며, 동적 분야는 내구력, 효율성, 오토크로스, 가속, 스키드 패드 및 트랙 주행과 관련된 테스트입니다. 각 대회에서 가장 중요한 분야는 내구 레이스로, 총 22킬로미터(km)로 구성되며 두 파트(각 11km)로 나눠져 있습니다.

Ecurie Aix는 배터리 팩의 열 및 전기 특성화를 위한 효율적이고 신뢰할 수 있는 접근 방식을 찾고 있었으며, 문제의 복잡성으로 인해 여러 분야를 결합하고 통합해야 한다는 것을 잘 알고 있었습니다. 이 팀은 Siemens Digital Industries Software와 협력해 Batterie Aix 프로젝트를 실행했으며, 이 프로젝트에서는 실험, SYS(시스템 시뮬레이션) 및 CFD(전산 유체 역학)를 효율적으로 통합하여 배터리 열 관리를 최적화하고 확장성, 재사용성 및 향후 개선 사항을 고려했습니다.

Siemens 솔루션을 사용해 배터리 사용에 대한 인사이트 확보

전기 모빌리티는 자동차 산업에서 가장 중요한 문제 중 하나로, 여기서 가장 중요한 측면 중 하나는 여러 시스템(냉각, 배터리 등)을 통합하는 분야인 배터리 열 관리입니다. 배터리 열 관리를 통해 레이싱 카와 승용차에 반드시 필요한 배터리 팩을 최적의 상태로 안전하게 사용할 수 있습니다. 자동차 OEM(Original Equipment Manufacturer) 업체는 이러한 배터리 팩을 차량 냉각 시스템에 안전하게 통합할 수 있도록 테스트하고 특성화해야 합니다. 즉, 배터리 팩을 신뢰할 수 있어야 합니다. 시뮬레이션 실험은 수명 및 노후화와 같은 다양한 작동 조건을 다루는 데 중요한 역할을 합니다.

Batterie Aix 프로젝트에서 학생들은 배터리 셀을 특성화하고, 성능 기대치와 범위 요구사항을 충족하기 위해 차량에 배터리를 최적의 상태로 통합하고, 냉각 시스템을 적절히 설계하며 치수를 올바르게 지정하는 방법을 결정해야 했습니다. 이 프로젝트의 기본 개념은 실험을 사용해 SYS와 CFD를 동시에 시뮬레이션하는 것입니다. Ecurie Aix의 학생 엔지니어인 Thomas Nyhues는 이렇게 회상합니다. "우리는 배터리 및 열 시뮬레이션을 수행하기 위해 Siemens의 솔루션이 필요했습니다. 배터리와 그 동작을 모델링하는 것은 생소한 분야였습니다."

Batterie Aix 접근 방식 실행

이 팀은 복잡한 배터리 모델을 사용해 데이터를 생성하는 대신 RWTH Aachen의 ISEA(Institute for Power Electronics and Electrical Drives)에서 실제 환경 실험을 실시했습니다. 배터리 팩의 전기 및 열 시뮬레이션을 위한 다분야 접근 방식을 사용해 실험, SYS 및 CFD를 통합하여 배터리 사용에 대한 중요한 인사이트를 제공했습니다. 먼저 Simcenter™ Amesim™ 소프트웨어를 사용해 생성된 여러 전류 프로파일로 배터리 테스트 벤치를 실행했습니다. 테스트 결과를 배터리 식별 도구 상자에 대한 입력으로 사용해 팀은 Simcenter Amesim에서 등가 회로 모델의 모든 매개변수를 완벽하게 식별할 수 있었습니다. 또한, 완전히 매개변수화된 이 모델을 사용하여 이제 프로젝트에서 추가 단계와 개선 작업을 수행할 수 있습니다. Simcenter는 소프트웨어, 하드웨어 및 서비스를 포괄하는 통합 포트폴리오인 Siemens Xcelerator의 일부입니다.

다음은 FMI(기능 목업 인터페이스) 단계로, 여기서 팀은 완전히 특성화된 배터리 팩을 FMI 표준을 사용하여 FMU(기능 목업 단위)로 내보냈습니다. 이 단계를 통해 소프트웨어 간 온도 및 열 흐름 교환이 이루어질 수 있었습니다. 마지막으로, 이 팀은 CFD 시뮬레이션을 실행하여 배터리 팩의 FMU와 특성화 데이터를 가져왔습니다. 여기에서 내구 레이스 중에 기록된 전류 프로파일을 사용하여 Simcenter STAR-CCM+™ 소프트웨어에서 시간 종속 복합 열 전달 시뮬레이션을 해석했습니다. FMI 표준과 FMU 표준은 두 솔루션 모두에서 지원되며, 소프트웨어가 아무런 문제 없이 서로 통신할 수 있도록 합니다. 이 기능은 프로젝트 중에 소프트웨어에서 구현되었으므로 팀이 이러한 기능을 가장 먼저 사용했습니다.

또한 Siemens가 제공하는 기술 지원은 이 프로젝트에서 성공을 이루는 데 핵심적인 요소였습니다. Siemens의 대학 사업 개발자인 Claudio Santarelli와 Siemens의 시스템 시뮬레이션을 위한 프리세일즈 솔루션 컨설턴트인 Christopher Helbig가 Ecurie Aix에게 프로젝트의 전반적인 과정을 안내해 주었습니다. Siemens는 전 세계 학생 대회 팀과의 소통의 일환으로 온라인 학습 자료와 문서도 제공했습니다. Nyhues는 계속해서 이렇게 말합니다. "소프트웨어를 결합하고 처음 사용하는 데 몇 가지 문제가 발생했지만, Siemens 지원 팀이 항상 솔루션을 제공해 주었습니다." 팀은 Siemens 지원 센터에도 액세스할 수 있었으며, 학생들은 프로젝트를 진행하면서 언제든지 이 지원 센터에 있는 FAQ(자주 묻는 질문)와 튜토리얼을 확인할 수 있었습니다. 또한 Siemens 학습 플랫폼인 Siemens Xcelerator Academy도 사용할 수 있었습니다.

현실적이고 신뢰할 수 있는 시뮬레이션 모델 확보

이 시뮬레이션 환경은 이제 배터리 열 관리를 최적화하기 위한 설계 변경을 통해 개선할 수 있습니다. 팀은 Siemens의 솔루션을 사용해 더욱 사실적이고 신뢰할 수 있는 시뮬레이션 모델을 확보할 수 있었으며, 이를 통해 트랙 테스트에 투입하는 시간과 리소스를 줄이고 비용을 절감할 수 있었습니다. Nyhues는 이렇게 평가합니다. "Siemens의 Simcenter STAR-CCM+는 CFD 시뮬레이션, 특히 공기 역학 시뮬레이션을 위한 최첨단 도구입니다." 또한 시뮬레이션을 통해 팀은 트랙 테스트로는 확보할 수 없는 데이터와 정보를 입수할 수 있습니다. 이는 자동차 개발 프로세스에서 새로운 문을 열어줍니다. "완전히 특성화된 우수한 테스트 프로토콜을 설계하는 것은 어려운 일입니다. Siemens의 소프트웨어로 이 작업이 완전히 자동화되었습니다. 우리는 간단히 문서를 얻어 바로 다음 단계로 나아갈 수 있었습니다."라고 Ecurie Aix의 학생 엔지니어인 Fabian Böhm은 말합니다.

배터리 냉각 시스템이 올바르게 시뮬레이션된 후 팀은 자동차 개발 프로세스에 이 냉각 시스템을 활용할 수 있었습니다. 예를 들어 냉각 시스템의 크기와 무게를 줄인 결과 Ecurie Aix는 다른 팀보다 유리한 조건을 갖추게 되었습니다. Nyhues는 이어서 이렇게 말합니다. "Simcenter Amesim의 배터리 식별 도구는 많은 시간을 절약해 주었습니다. 데이터를 이 도구 상자에 입력하기만 하면 정확한 배터리 모델을 얻을 수 있습니다."

Nyhues는 "Siemens 팀과의 협업은 우리가 성공을 이루는 데 핵심적인 역할을 했습니다."라고 말하며 다음과 같이 평가합니다. "Siemens 팀은 우리가 소프트웨어를 사용하고 프로젝트를 진행하면서 발생하는 문제를 해결할 수 있도록 도움을 주었습니다. 저는 Siemens 팀이 보여준 의욕에 아직도 가슴이 벅찬 상태입니다. Siemens 팀은 우리 팀의 일원이고 같은 목표를 갖고 있는 것처럼 느껴졌습니다." Ecurie Aix의 학생 엔지니어인 Luca Leogrande는 계속해서 이렇게 덧붙입니다. "팀으로서 보다 효율적이기 위해서는 신규 팀원이 빠르게 제 역할을 할 수 있도록 해야 하며, 우리가 Siemens와 함께 개발한 문서는 이를 가능하게 했습니다." 여기에 Böhm은 "Siemens 지원 팀과의 협업은 프로젝트의 원동력이 되었습니다."라고 결론을 짓습니다.

실제 테스트 접근 방식으로 배터리 모델 구현

이 팀은 문서 및 변경 관리를 비롯한 여러 측면에 Teamcenter® 소프트웨어를 사용하는 것을 기대하고 있습니다. Leogrande는 "이 두 사항은 우리가 Teamcenter에 관심을 갖게 된 이유입니다."라고 설명합니다. 또한 팀은 SiL(Software-in-the-Loop)과 HiL(Hardware-in-the-Loop)을 함께 사용하는 것과 같은 실제 테스트 접근 방식으로 배터리 모델을 구현할 계획입니다. 향후 작업에서는 랩타임 시뮬레이션과 실시간 컨트롤러에 배터리 모델을 사용할 것으로 예상됩니다.