글로벌 자동차 제조사는 Simcenter를 사용해 하이브리드 차량 성능을 최적화 합니다

한국의 '현대'

지난 2세기에 걸쳐 인류는 극적으로 진화했습다. 현대 사회는 수명 연장, 생활 편의, 의사 소통 수단, 여행 수단 등을 비롯한 여러 분명한 이점을 가져다 줬습니다. 그러나 이와 동시에 지속적인 인구 증가, 산업화 및 세계화는 환경에 엄청난 스트레스를 가합니다. 과학계에서 인류가 그 진행은 더디지만 지구에 돌이킬 수 없는 피해를 주고 있음을 입증하는 설득력 있는 증거를 내놓기 시작한 건 최근 20여 년에 불과합니다.

현 세대는 인류 역사상 처음으로 기술 발전과 환경 영향을 조화시킬 방법을 고려하고 있습니다. 엔지니어는 운영 및 소비자 요구사항을 충족하면서, 낮은 에너지 소비 및 배출량 요구사항을 충족할 수 있는 기술을 개발해야 합니다. 이러한 요구를 충족하기 위해 많은 산업, 특히 운송 산업은 기술적으로나 프로세스 측면 모두에서 대대적인 현대화를 필요로 합니다.

현대 자동차의 이름이 ‘현대’ 인 데에는 이유가 있습니다. 세계 3대 자동차 제조사인 현대 자동차 그룹 (HMG)의 엔지니어들은 1980년대 후반부터 유연한 연료 자동차, 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차 (HEV)를 비롯해 기존의 내연 기관 (ICE)보다 환경 친화적인 대체 추진 방식을 실험해 왔습니다. 하이브리드 전기차는 현재 가장 흥미로운 대안으로, 확장된 주행 거리와 전기 모터 충전을 위한 추가 인프라를 가능하게 하는 배터리 구현이 관건입니다.

복잡한 HEV 엔지니어링

HEV 설계는 특정 차량과 그 용도에 가장 적합한 구성을 결정하는 등의 복잡한 과제를 수반합니다. 핵심은 전기 모터가 ICE를 지원해 한층 효율적으로 작동하도록 하거나 시내 주행과 같은 일부 드라이브 사이클 중에 사용될 수 있게 하는 것입니다. 부품 크기를 조정하고 최적의 효율성을 위해 전기 모터와 ICE의 협업을 조정하는 제어 알고리즘을 정의하는 데 상당한 엔지니어링 노력이 투입됩니다. 동시에 엔지니어는 주행 동역학과 편의성을 비롯한 다른 중요한 성능 요구 사항도 고려해야 합니다.

현대자동차 방재성 책임연구원은 "한 성능을 위해 매개변수를 변경하면 다른 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있어, 최적의 균형을 찾기 위해 동시에 여러 속성을 살펴봐야 합니다” 라고 설명합니다. 그는 최적의 차량 성능을 위한 HEV 제어 로직 개발에 주력하는 현대 R&D 센터 소속 전문가입니다. "또한 많은 매개변수가 사용되며 평가할 드라이브 사이클이 매우 많은 상황에서, 프로세스의 많은 부분이 시행 착오에 의존할 경우 시간과 비용 소모가 과다할 수 밖에 없습니다."

시뮬레이션 기반 방식 구현

현대차 엔지니어들은 Siemens Digital Industries Software 전문가와 함께 최첨단 시뮬레이션 기능을 사용해 보다 자동화된 성능 최적화 프로세스를 구현해 개발 시간과 비용을 절감할 수 있는 가능성을 연구했습니다. 이들은 함께 실시간 폐루프 모델 기반 시스템 시뮬레이션을 사용해 HEV 메인 컨트롤러를 가상으로 테스트하고 검증 및 보정하는 프로젝트를 진행했습니다. HiL (hardwarein-the-loop) 테스트 플랫폼이 산업 표준이지만, 이 테스트 사례는 연비와 주행성을 동시에 정확하게 포착한다는 점에서 다소 독특했습니다.

방재성 책임연구원의 설명은 이렇습니다. "HiL 시뮬레이션은 조화가 관건인 까다로운 작업이 될 수 있습니다." "한편으로는 계산이 실시간으로 실행될 수 있도록 자유도 (DOF) 수를 제한해야 하지만, 다른 한편으로는 시뮬레이션 모델이 여전히 사실적인 결과를 생성할 수 있도록 충분히 정확해야 합니다. 이를 위해서는 매우 전문화된 소프트웨어 툴이 필요합니다. 플랜트 모델에 사용하는 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter Amesim™ 소프트웨어를 컨트롤러 모델을 위한 MATLAB, Simulink 및 Stateflow 환경과 함께 사용해 이 목표를 충분히 달성할 수 있었습니다."

검증 연구의 주요 주제인 감독 하이브리드 제어 장치 (HCU) 외에도 엔지니어는 서브 시스템 컨트롤러를 적절한 상세 수준으로 모델링해야 했습니다. 예를 들어 엔진 관리 시스템 (EMS)은 HCU에서 명령하는 토크를 생성하기 위해 연료, 공기 및 스파크를 조절합니다. 이 기능이 정확하게 모델링되지 않으면 연비 및 배터리 충전 상태 예측 시 상당한 편차가 발생할 수 있습니다. 다른 서브시스템도 복잡성을 배가시킵니다.

동적 Simcenter Amesim 모델에는 에너지 흐름과 연료에서 기계 및 전기 에너지로의 변환을 정확히 포착하는 데 필요한 물리가 포함돼 있습니다. 이 모델은 주행성 평가를 위해 운전자가 느낄 수 있는 0~20Hz 사이의 고유 주파수를 복제하기 위한 모든 관련 요소를 갖고 있습니다. 또한 연비 예측에 필요한 주요 구성요소의 효율성과 에너지 손실도 포함합니다. 이 모델은 구성요소에서 전체 차량에 이르기까지 체계적으로 구축됐으며, 각 단계에서 검증됐고 추후 실시간으로 실행되도록 간소화 됐습니다.

물리적 테스트 축소

방재성 책임연구원은 "Simcenter Engineering 전문가와 함께 한 이 프로젝트는 HiL 시뮬레이션의 결과와 여러 속성에 대한 실제 차량 동작 간에 좋은 상관 관계를 동시에 실현할 수 있음을 보여줬습니다" 라고 말합니다. "HCU 알고리즘을 설계하고 보정 값을 정의할 때 추세를 신속하게 평가할 수 있어 이 방식을 초기 성능 검증에 사용할 수 있으며, 실제 프로토타이핑을 시작하는 데 유리한 여건을 확보할 수 있음이 확인됐습니다."

현대차 엔지니어는 Simcenter Amesim 기반 프로세스를 표준 개발 관행으로 구현해 HEV의 성능을 향상시키면서 시간과 비용을 크게 줄일 수 있게 됐습니다. "HiL 시뮬레이션을 사용해 주요 보정 값을 사전 정의해 물리적 차량 테스트 횟수를 4% 줄일 수 있었습니다" 라고 방 책임연구원은 설명합니다.

"또한 저희는 엔진, 전기 모터 및 배터리에 대한 열 효과, 도로 지오메트리, 차량 측면 동역학 등과 같은 추가적인 물리적 특성을 모델에 포함시켜 이 방법을 더 많은 테스트 시나리오에 적용하는 프로세스를 진행 중입니다."

미래 포부

이러한 친환경 차량 설계 프로세스의 완전한 디지털화는 현대 자동차의 장기적인 비전과 일치합니다. 현대 자동차는 사명 선언문에서 신뢰할 수 있는 글로벌 기업으로서의 역할과 책임을 다하는 동시에, 고객 경험을 지속적으로 개선하겠다는 포부를 분명히 밝혔습니다. 현대차는 이 두 가지 목표를 달성하기 위해 친환경적이며 인간 중심 기술에 기반한 혁신적인 모빌리티 솔루션을 효과적으로 제공하고자 합니다. 이 디지털 혁신을 제품 개발에 적용해 차량에 가치를 더하는 것은 그러한 포부에 맞는 합당한 노력입니다.

다음 단계가 바로 코 앞에 있습니다. 클라우드 컴퓨팅, 빅 데이터 분석 및 사물 인터넷과 같은 새로운 혁신은 참신한 기술적 관점을 제공합니다. 또한 현대차와 같은 기업이 고객과 밀접한 관계를 유지할 수 있도록 해주며, 차량의 실제 사용이나 운전자 개인에 대한 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다.

방 책임연구원은 "개발과 운영을 디지털로 연결해 차량을 스마트하게 만드는 것이 차세대 기술 혁명입니다" 라고 말합니다. "현대차 애플리케이션의 경우, 운전자의 성향을 반영하고 실제 교통 상황에 대한 현장 정보를 수집할 수 있는 제어 로직을 개발해 성능과 에너지 효율성을 한층 향상시킬 수 있다는 상상을 해 볼 수 있습니다. 그런 의미에서 차량 개발을 디지털화하는 것은 더 광범위한 프로세스의 한 단계에 불과합니다."

이는 현재 산업 동향과 일치하는 비전이자 Siemens Digital Industries Software가 내세우는 비전입니다. 이러한 비전을 실현하기 위해 Siemens는 전체 제품 라이프사이클에 걸쳐 디지털 스레드 사용을 촉진하는 환경에 대한 모든 구성요소를 수집합니다. Siemens는 야심찬 개발 계획과 인수를 통해 고객이 또 다른 ‘현대’ 를 구현할 때 이들을 지원하고자 합니다.