다차원 시뮬레이션을 활용하여 전기차의 출시 기간과 프로토타입 루프를 단축하는 방법

프로세스 및 접근 방식의 변화

GKN Automotive는 eDrive 기술 분야의 글로벌 리더입니다. 전문성, 혁신에 전념, 글로벌 입지를 바탕으로 지속 가능한 최첨단 기술 솔루션을 경쟁력 있는 방식으로 대규모로 제공합니다.

GKN Automotive는 전기차를 위한 효율적인 첨단 시스템을 대량 생산하는 데 앞장서고 있습니다. 전 세계 신차 중 약 50%에 GKN Automotive 시스템과 솔루션이 장착되어 있으며, 이는 매일 수억 대의 자동차에 GKN Automotive 기술이 적용되고 있다는 의미입니다.

자동차 산업의 전기화는 차량 개발 프로세스와 접근 방식에 막대한 영향을 미쳤습니다. 개발 팀은 EV(전기차) 성능 및 규모의 모든 측면에서 새로운 과제뿐만 아니라 점점 더 치열해지는 경쟁에 직면해 있습니다.

여러 길이의 케이블을 사용한 EMC 동작 분석

독보적인 EV 구동계 기술

GKN은 소프트웨어, 하드웨어 및 서비스로 구성된 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부인 Simcenter™ Amesim™ 소프트웨어를 사용하여 전기차 3-in-1 시스템용 트랙션 인버터를 개발하고 최적화할 수 있습니다. 3-in-1 시스템은 기어박스, 전기 기계 및 트랙션 인버터로 구성됩니다. GKN의 경우, 기어박스에는 주차 잠금 장치 또는 분리 시스템과 기본 기어 세트와 같은 추가 기능이 탑재되어 있습니다. 인버터에는 전기 기계 제어 기능이 있습니다.

대체로 차량 제조업체는 3-in-1 시스템을 하나의 완벽한 솔루션으로 제공되는 블랙박스로 여깁니다.

따라서 GKN과 같은 공급업체는 고객이 설정한 설계 및 성능 사양을 충족하는 컴포넌트를 납품할 수 있는 역량을 갖춰야 합니다.

3-in-1을 최적화하는 능력은 단순히 시스템이 해당 하우징에 정확하게 맞도록 설계하는 것을 휠씬 넘어섭니다. 이러한 맥락에서 각별히 집중해야 할 컴포넌트는 인버터입니다.

인버터의 기능은 DC(직류) 전원과 AC(교류) 전원을 변환하는 동시에 통신 및 제어하여 사이버 보안과 안전 기능을 최고 수준으로 유지합니다.

"우리는 메카니컬 설계에서 메카트로닉 설계로 변경해야 하는 엔지니어링 과제에 직면했습니다."라고 GKN ePowertrain의 전력 전자 시스템 엔지니어인 Björn Nemitz가 말합니다.

이러한 요구사항으로 인해 3-in-1 시스템에서 인버터가 가장 복잡하고 비용 집약적인 컴포넌트가 되었습니다.

매핑된 인버터 모델을 포함하는 동적 시뮬레이션 모델

제품 개발 관련 과제

인버터는 매우 복잡한 컴포넌트이므로 경계 조건이 정상 범위를 벗어나거나 설계 의사 결정이 잘못되면 비용과 성능에 엄청나게 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 하지만 그 반대도 마찬가지입니다. 인터페이스와 내부 설계를 충분히 고려하고 구현되도록 주의 깊게 의사 결정하면 성능과 비용 효율성을 상당히 개선할 수 있습니다.

인버터 개발 시 고객이 설정한 중요한 비즈니스 요구사항을 충족하는 것에 주력합니다.

필수 전력 공급

우선 인버터는 고객이 필요로 하는 구동 전력을 제공해야 합니다. 이러한 표준은 일반적으로 트레일러가 장착된 완전 적재 차량이 주변 온도가 영하 40°C인 가파른 언덕에서 배터리가 거의 방전된 상태로 운행하는 경우와 같이 모든 조건에서 실행할 수 있는 운행 성능으로 설정됩니다.

성능 요구사항을 충족하기 위해 설계자는 매개변수를 조정하여 각 컴포넌트 간의 최적의 부하 분포를 찾아야 합니다. 이를 위해서는 성능 제한이 가능한 요인과 이를 해결할 수 있는 방법을 충분히 이해해야 합니다.

제어 시스템 시뮬레이션 모델

효율성 증가

인버터의 전반적인 효율성이 증가합니다. 효율성이 개선되면 해당 배터리 용량의 범위를 늘리거나 배터리 크기를 해당 범위로 줄일 수 있습니다. 이 두 가지 모두는 고객의 매우 합당한 구매 동기가 될 수 있으므로 자동차 제조업체가 이 주제에 관심을 갖습니다.

비용 인식

다음으로 비용 역시 간과할 수 없습니다. 비용과 비용 효율성은 시장 수용성과 시장 점유율을 확보하는 데 중요한 요소입니다.

EMC 동작 분석

게이트 저항이 다른 파워 모듈의 WLTP(Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procdure) 손실을 분석했습니다.

최적의 성능 실현

또한 전자기 호환성과 같이 보다 많은 기술적 사항도 고려해야 합니다. 컴포넌트 수준에서 방사 및 전도 방출 또는 내성을 최적화하는 것은 중요한 과제일 뿐만 아니라 향후 GKN에서 시스템 개발 시 핵심 요소로 삼습니다.

또한 열 안전성, 서비스 수명 및 내구성, 패키지 설계, 무게, NVH(소음, 진동, 충격), 서비스 가능성 등 전반적인 설계와 성능에 영향을 미칠 수 있는 여러 가지 목표가 있습니다.

목표가 상충되는 경우도 있지만 항상 상호 연결된 이러한 목표 사이에서 최적의 균형을 맞추어 특정 차량 브랜드 또는 애플리케이션에 대한 최상의 전체 성능을 실현하는 것입니다.

시스템 설정을 분석하여 수명 시간을 계산했습니다.

단일 시뮬레이션 플랫폼에서 여러 제품 치수 평가

GKN 팀은 Simcenter Amesim을 사용해 다차원 시뮬레이션을 수행하면서 열, 전기, 기계 수준에서 여러 컴포넌트의 동작을 동시에 분석할 수 있습니다.

이 팀은 Simcenter Amesim을 사용해 개별 전기 컴포넌트를 설계 및 조정하고, 각 컴포넌트가 다른 컴포넌트에 미치는 영향을 분석하며, 고객의 요구사항을 충족하는 최적의 제품 솔루션을 제공합니다.

이 팀은 반도체에서 완전한 3-in-1 시스템에 이르기까지 다양한 측면을 시뮬레이션하고 분석합니다. 예를 들어 정적 또는 동적 부하 주기, EMC(특정 전자파 적합성) 시나리오, 안전성, 관련 부하 시나리오, 제어 가능성, 고장 분석, 복잡한 수명 주기 등이 있습니다.

긴 드라이브 사이클을 시뮬레이션할 수 있는 모델을 만드는 동시에 실제 시스템을 정확하게 구현하는 것은 중요한 과제입니다. 그러나 Simcenter Amesim의 모델링 속도와 실험 설계 및 모델 축소 용량으로 이러한 복잡한 요구사항을 충족할 수 있습니다. 이 모델은 전기 및 열 조건을 고려하는 동시에 시뮬레이션 시간도 단축합니다.

GKN 팀은 이러한 시뮬레이션 기능을 사용하여 테스트에 대한 의존도를 최소화하고 개발 프로그램에 필요한 HiL(hardware-in-loop) 테스트 및 프로토타입 루프의 수를 크게 줄일 수 있었습니다.

"Simcenter Amesim을 사용하면서 개별 컴포넌트와 시스템 전체에 대한 기술 전문 지식을 확대할 수 있었습니다."라고 Nemitz가 말합니다. "이제 컴포넌트의 물리적 동작과 컴포넌트 간에 서로 어떤 영향을 미치는지 훨씬 더 잘 이해할 수 있습니다."

Simcenter Amesim은 팀이 신뢰할 수 있는 분석의 복잡성과 심층적인 세부성을 갖추고 있으므로 과도 설계의 위험을 최소화하고 개발 시간과 비용을 크게 줄입니다.

"GKN은 제품 개발 주기에 사용할 표준화된 모델과 프로세스를 개발했습니다."라고 Nemitz는 언급합니다. "이렇게 하면 처음부터 각 프로젝트에 대한 시뮬레이션을 사용할 수 있고 검증된 기반을 확보하여 설계와 개발을 진행할 수 있습니다."

GKN Automotive 트랙션 인버터

성공 공식: 올바른 도구로 제품 개발 시작

Simcenter Amesim은 사전 구축된 많은 통합 솔루션을 통해 모든 애플리케이션을 위한 직관적인 다단계 설계를 제공합니다.

GKN 팀은 개발 프로세스 시작부터 Simcenter Amesim을 사용하여 시스템 내의 각 요소와 시스템 전체를 가상으로 평가하고 최적화할 수 있습니다. 즉, 비용이 많이 드는 프로토타입 루프가 더 적게 필요하고 출시 시간이 단축됩니다.

미래에 대응

내연기관에서 전기차로의 전환은 자동차 제조업체에 있어 새로운 가능성의 시대이자 메카니컬 설계에서 메카트로닉 설계로 전환하는 엔지니어링 과제를 위한 혁신적인 솔루션을 모색해야 한다는 시급한 사명을 나타냅니다.

시뮬레이션을 활용하여 종합적인 디지털 트윈을 개발하면 실제 환경에서 제품의 성능을 분석하고 예측하는 GKN의 역량에 중요한 역할을 하여, 더 낮은 비용으로 더 나은 성능의 제품을 빠르게 개발할 수 있습니다.

소음과 진동부터 인버터 기술까지, 더 나아가 시뮬레이션과 종합적인 디지털 트윈의 가능성은 차세대 전기차 개발의 모든 영역에 영향을 미치기 시작했습니다.

배터리, DC 링크 커패시터 및 전원 모듈이 포함된 인버터 시뮬레이션 축소 모델