전기 스쿨버스 제조사, 시스템 시뮬레이션용 Simcenter Amesim을 사용해 배터리 설계 및 열 관리를 최적화하다

한층 지속가능한 도시화 모색

UN에 따르면 도시화는 급속도로 증가하고 있습니다. 2030년 경에는 인구 1천만 이상의 대도시가 41개에 이를 것으로 전망됩니다. 인구 증가는 곧 도로 상의 차량이 증가한다는 점, 운송 수단은 대기 오염을 발생시키는 요인 중 1/3을 차지하므로 대기 오염도 늘어난다는 점으로 이어집니다. 또한 인프라가 수용할 수있는 차량 수는 제한돼 있어 지속 가능한 대중 교통 솔루션을 개발하는 것이 매우 중요합니다.

바로 이런 이유에서 6억 5천만 명에 달하는 전 세계 대도시 대표들은 기후 변화에 대처하고 온실 가스 배출과 혼잡을 줄일 수 있는 행동에 나서기 위해 C40 Cities Climate Group을 창설하기로 결정했습니다. 이들은 2025 년까지 배출가스 제로 버스를 조달하겠다는 공약을 내걸었으며, 이를 통해 친환경적이고 건강한 “화석 연료 없는 도시” 가 구현될 것으로 기대합니다.

Simcenter Amesim vehicle model.

전반적인 삶의 질을 향상시키다

2011년 설립된 Lion Electric Co.의 목표는 지속 가능한 대중 교통을 제공하는 것입니다. 캐나다 퀘벡주 생-제홈에 본사를 둔 이 회사는 완전 전기 스쿨 버스, 특수 목적의 미디/미니 버스 및 도시 교통 및 도시 트럭을 설계, 엔지니어링하고 제조합니다. 완전 전기 자동차로의 전환이 우리 사회와 환경, 전반적인 삶의 질을 크게 향상시킬 것으로 생각합니다.

Simcenter Amesim battery model.

제품 개발시 마주하는 새로운 엔지니어링 문제를 해결하다

전기 버스 개발은 배터리 열 관리와 이를 차량 전체에 통합해야 하는 새롭고 까다로운 엔지니어링 문제로 이어집니다.

Lion Electric 엔지니어링 팀 파워트레인 제품 엔지니어 Raphael Ouellet에 따르면 두 가지 수준의 예상치가 설정됩니다. "우선 배터리 구동 차량의 경우 서브시스템 해석을 하려면 드라이브 사이클과 충전 방식이 배터리 기능에 어떠한 영향을 미치는지를 정확하게 파악해 적절한 열 관리 솔루션을 개발하고 냉각-열 루프에서 냉각수-유동 밸런싱을 파악해 전체 열 관리를 최적화해야 합니다. 그 다음으로는 차량 수준에서의 초기 개발부터 실제 드라이브 사이클 상의 전체 차량 성능을 평가해 실질적인 주행 거리를 예측할 수 있어야 합니다."

All-electric Urban Class 8 truck.

강력한 전기 파워트레인을 신속히 개발하다

제품 개발 프로세스를 시작하는 시점에 이에 대한 이해가 이뤄져야 합니다. 그래야 생산 시작 단계에서 설계 오류로 인한 리콜을 방지할 수 있습니다. 오류가 발생하면 차량의 안전에 영향을 줄 수 있으며, 추가 비용과 출시 시간이 늘어납니다. 이어지는 개발 주기 초기에 완전히 차량에 통합된 배터리를 개발하고 성능을 평가할 수 있도록 Lion Electric 엔지니어링 팀은 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter 포트폴리오 일부인 Simcenter™ Amesim™ 시스템 시뮬레이션 소프트웨어를 선택했습니다.

Lion Electric은 처음부터 배터리 설계 및 열 관리 모델링을 시작했습니다. 처음에는 엔지니어링 서비스 기업 Maya HTT의 지원을 받았습니다. 이들은 Lion Electric이 배터리를 모델링하고 최적화된 아키텍처를 찾을 때까지 반복 프로세스를 진행할 수 있도록 지원과 전문 기술을 제공했습니다. 이들은 먼저 전지와 전지의 모든 열 교환을 알루미늄 박스와 함께 설계한 후 배터리 전체 환경 내에서 설계를 시작했씁니다.

Ouellet는 "Simcenter Amesim을 사용해 배터리 내에서 열 교환을 재생성하고 강제 공기 냉각을 통해 배터리의 모든 요소에 가장 적합한 아키텍처를 정의할 수 있었습니다" 라고 설명합니다. "Maya HTT는 올바른 아키텍처를 찾는 데 필요한 가이드를 제공했습니다."

배터리의 개방 회로 전압 및 내부 저항 곡선은 세 가지 배터리 데이터시트 가져오기 앱을 사용해 공급업체 데이터시트에서 클릭 몇 번으로 파악할 수 있었습니다.

배터리 설계를 완료한 후에는 기후 제어실에서 배터리의 물리적 트윈 성능을 테스트해 디지털 모델을 결과에 맞게 조정했습니다. 테스트 단계 덕분에 모델의 전기 성능 및 열 제거 정확성이 향상됐습니다.

Ouellet는 "Simcenter Amesim을 사용하면 처음부터 올바른 결정을 내리고 출시 일정을 최적화 할 수 있습니다" 라고 말합니다. "고객을 위해 시뮬레이션을 실행할 수 있으며, 특정 사용 사례에 대한 예상 주행 거리와 페이로드 등에 대한 세부 정보를 제공할 수 있습니다."

Battery cycle profile in Simcenter Amesim.

효율적인 보고를 지원하는 사용자 친화적인 소프트웨어

Simcenter Amesim에 대해 Lion Electric이 특히 만족하는 부분은 사용하고 보고서를 작성하기 쉽다는 점입니다. Ouellet는 "Simcenter Amesim은 그래프와 보고서를 빠르게 생성해 즉시 프레젠테이션을 할 수 있습니다. 또한 스프레드시트 계산을 사용하는 것에 비해 다양한 변수를 고려할 수 있어 한층 정교한 결과를 얻을 수 있습니다. 재실행이 쉬워서 경영진이 수정을 요청하면 즉시 할 수 있습니다.

Simcenter Amesim은 다양한 이점을 갖고 있습니다: 직관적인 인터페이스, 강력하고 최적화된 알고리즘, 사용하기 쉬운 데이터 관리 (시각화, 포스트프로세싱, 전역 매개변수 등), 구현 툴 (최적화, 3D 시각화 등)을 활용해 경영진과 고객에 이해하기 쉬운 결과를 제공하기 까지 소요되는 시간을 단축할 수 있습니다" 라고 설명합니다.

Electric mini school bus.

생산 비용을 절감하다

Ouellet는 "모델을 개발할 수 있는 시간도 그만큼 있으며, 스프레드시트 소프트웨어를 Simcenter Amesim으로 대체해 배터리 성능 평가를 향상시키고 해석 세부사항을 더욱 자세히 들여다 볼 수 있습니다" 라고 설명합니다. “그만큼의 시간을 가장 적절한 배터리 아키텍처와 관련된 열 관리를 개발하고 최적화하며 구축하는데 사용합니다. 이를 통해 생산 시작 시 보다 안정적이고 완성도 높은 제품을 제공할 수 있습니다.

"전반적으로 이런 방식이 제품 개발 비용을 절감시킨다고 생각합니다. 실제로 생산이 시작된 후 제품을 수정할려면 비용이 많이 들 수 있습니다. 차량 안전과 직결되는 설계 오류를 해결해야 하는 리콜은 OEM사에겐 악몽 같은 일입니다. 우리 모두 이를 피하기 위해 최선을 다합니다."

Lion Electric은 시뮬레이션을 사용하여 시간과 비용을 절약한 덕분에 또 다른 최신 기술을 사용할 계획도 모색하기 시작했습니다. Ouellet는 "차량 생산이 시작되면 차세대 시스템을 개선할 방안에 대한 연구도 이미 진행 단계에 있습니다. 효율성은 언제나 최적화의 여지가 있죠. 또한 우리는 설계의 모든 측면을 제어해 타사의 섀시와 차량을 전기화하는 업체 보다 한층 뛰어난 제품을 선보입니다" 라고 말합니다.