전기 파워트레인과 차량 모델의 시뮬레이션을 결합하여 전기차의 음향 쾌적성 개선

전기차의 과제 해결

HMG(현대자동차그룹)는 아이오닉 5 등 인기 브랜드를 앞세워 전기차 시장의 최고 기업으로 자리매김했습니다. 그러나 이 입지를 유지하려면 개발하는 신제품마다 성능을 개선하기 위해 끊임없이 노력해야 합니다.

HMG의 엔지니어들은 수년 동안 ICE(내연기관) 차량 개발의 핵심 부분으로 시뮬레이션을 사용해 왔지만, 시뮬레이션을 통해 전기차 성능을 향상하려면 새로운 과제에 직면합니다.

NVH(소음, 진동, 충격)에 따라 전반적인 사용자 경험에 상당한 차이가 생기므로 성능을 향상하려면 이를 중점적으로 다루어야 합니다. ICE(내연기관)는 다양한 차량 소음을 차폐하지만, 전기 파워트레인은 훨씬 더 조용하므로 미세한 소음도 두드러지고 거슬릴 수 있습니다. 또한 전기차는 여러 주파수의 소음을 생성하며, 이는 기존 시뮬레이션 방법으로 파악하지 못할 수도 있습니다. 따라서 모든 소음을 정확하게 예측하도록 시뮬레이션 기법을 조정해야 하며, 이를 위해 컴포넌트 및 차량 설계를 수정하여 소음을 제거할 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하고자 HMG는 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter Engineering and Consulting Services(Siemens Engineering Services), Simcenter™ 3D 소프트웨어, Simcenter Testlab™ 소프트웨어, Simcenter Nastran을 사용했습니다. Simcenter는 소프트웨어, 하드웨어, 서비스로 구성된Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부입니다.

구조적으로 트리밍된 차체의 FE 모델

고주파 파워트레인 소음 예측

HMG의 주행 편의성 가상 개발팀 선임 연구 엔지니어 유지우는 전기차와 관련된 특정 음향 문제는 고주파 소음으로 인해 발생한다고 설명합니다. 이는 도로 소음보다 훨씬 약하지만 이를 차폐하는 ICE(내연 기관)가 없으므로 차량 탑승자가 소음을 감지하면 무시할 수 없게 됩니다. 개발에서 시뮬레이션을 효과적으로 사용하려면 이러한 고주파 소음을 정확하게 예측해야 합니다.

유지우는 "과거에는 시뮬레이션을 사용하여 바람 소리와 같은 고주파 소음을 예측했습니다."라고 말하며 다음과 같이 덧붙입니다. "하지만 전기 파워트레인의 새롭고 독특한 사운드를 예측하는 새로운 과제를 해결해야 합니다. 가장 복잡한 측면은 전기 파워트레인 모델과 차량 모델을 결합하여 차량 내부에서 발생하는 소음을 정확하게 예측하는 데 있습니다. 이를 위해서는 광범위한 계산이 필요하며, 여기에는 엄청난 시간이 소요되거나 이전의 방법으로는 전혀 실행할 수 없습니다."

그러나 Simcenter 3D와 Simcenter Testlab을 사용함으로써 HMG 엔지니어는 각 응답을 별도로 얻을 수 있어 귀중한 계산 시간과 컴퓨터 리소스를 절약할 수 있었습니다.

음향 캐비티의 FE 모델

구조 및 공기 전달 사운드 시뮬레이션

이러한 복잡성은 사운드의 고주파뿐만 아니라 구조나 공기 전달에서 비롯됩니다. 일반적으로 소음 예측 소프트웨어는 둘 중 하나에 특화되어 있기 때문에 하나의 시뮬레이션 방법으로는 두 가지 소음을 동시에 예측할 수 없습니다.

이를 극복하기 위해 HMG는 Simcenter Engineering Services와 협력하여 두 소음원을 효율적으로 계산할 수 있는 방법을 개발했습니다. 구조 전달 사운드의 경우, 팀은 협력하여 Simcenter Nastran에서 FEM(유한 요소 방법)을 사용하여 차량의 트리밍된 차체를 모델링했습니다. 이를 통해 소음의 최대 주파수는 1.5kHz(킬로헤르츠)라고 예측했습니다.

구조 기인 소음을 완전히 파악한 후에는 설계를 수정하여 그 영향을 줄일 수 있었습니다. 여기에는 전기 파워트레인과 차량 사이 마운트의 강성을 조정하고 바닥 패널의 특성을 수정하는 작업이 포함되었습니다.

위는 주요 기여 요인인 외압 로드 패널을 보여줍니다.

공기 기인 소음을 시뮬레이션하는 것은 더 복잡합니다. 다시 유한 요소 방법을 사용하여 전기 파워트레인의 음향 방사와 차량 외부 패널의 음향 여기를 예측했습니다. 정확하게 예측하려면 차량 외부에 부착된 사운드 패키지(후드 절연체, 휠 커버, 언더 커버)를 모델링하는 것도 중요했습니다. 그러나 너무 높은 무게의 차량은 FEM으로는 모델링할 수 없으므로 상당한 수준의 컴퓨팅 성능이 필요했습니다. 대신 HMG는 Simcenter Engineering Services의 전문가와 협력하여 통계적 에너지 해석 모델을 적용했습니다. 이는 고주파 사운드를 해석하기 위해 고안된 방법으로, 이 경우 최대 8kHz의 소음을 예측했습니다.

소음을 소음원, 경로, 수신기로 나누어 각각의 소음 강도를 정량화했으며, 이를 목표 전개(target cascading) 기법이라고 부릅니다. 팀은 Simcenter 3D에서 이를 시뮬레이션하여 기존 테스트 프로세스보다 훨씬 더 효율적으로 각 소음원의 사운드를 개선할 수 있었습니다.

엔진 인캡슐레이션을 사용하여 주요 기여 요인인 전기 파워트레인 패널을 약화시킵니다.

긴밀한 협업과 지속적인 개선

유지우는 "Simcenter Engineering Services 팀은 모두와 긴밀하게 협력했습니다."라고 말하며 다음과 같이 덧붙였습니다. "우리의 목표에 대해 설명하자, Simcenter 소프트웨어를 최대한 활용할 방법을 보여 주었습니다. Siemens의 전문적 지원이 없었더라면 지금과 같은 성과를 이루지 못했을 것입니다."

또한 그는 새로운 시뮬레이션 기술을 지속적으로 개선하여 HMG에 더 많은 이점을 제공하고자 합니다. 유지우는 "프로세스를 더 간소화할수록 효율은 더 높아질 것입니다."라고 말하며, "Simcenter 도구는 시뮬레이션 전문가가 아니어도 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 따라서 Simcenter를 통해 프로세스와 데이터를 표준화하면 더 많은 엔지니어가 이를 사용할 수 있으므로, 시뮬레이션 전문가는 새로운 프로젝트에 시간을 할애할 수 있습니다."라고 설명합니다.