Simcenter Amesim 차량 열 관리 솔루션을 통해 자동차 공급업체의 물리적 프로토타입 수 50% 감소

열악한 환경 개선

에어컨(AC)은 대부분의 신차에서 소비자가 '필수 기능'으로 간주합니다. 그러나 글로벌 표준인 냉매 HFC(hydrofluorocarbon: 탄화플루오르)-134a는 기후 변화의 원인으로 간주됩니다. 이러한 우려를 불식시키고자 EU(유럽 연합)는 2011년부터 화합물을 단계적으로 폐지하고 환경에 미치는 영향이 적은 대체 물질의 사용을 의무화하는 규정을 통과시켰습니다. 2018년까지 HFC-134a는 EU에서 판매되는 신차에서 그 사용이 금지됩니다. 일본도 곧 이러한 조치를 따를 것으로 예상됩니다.

대체 목록의 맨 위에는 R-744라고도 하는 냉매 CO2(이산화탄소)가 있습니다. 이 가스는 탄화플루오르보다 훨씬 더 친환경적인 것으로 알려져 있으며 냉각 속도가 25% 더 빠릅니다. 또한 CO2 시스템은 그 기능을 전환할 수 있어 추운 날씨에는 캐빈 히터 역할을 할 수 있으며, 이는 배터리에서 전력을 배출하는 전기차뿐만 아니라 작동 온도를 높여 효율적으로 작동하는 내연 기관(특히 디젤)에 있어서 확실한 이점으로 작용합니다.

그러나 CO2로의 전환은 쉽지 않을 수 있습니다. 가스 압력은 탄화플루오르 기반 시스템보다 10배 더 높을 수 있으므로 압축기, 씰, 기타 주요 컴포넌트를 특별히 설계해야 합니다. 가장 효율적인 성능을 위해 CO2 냉매는 섭씨 31도(C)의 초임계 온도 이상으로 유지되어야 하므로 기존 R134a 루프 콘덴서가 가스 냉각기로 대체되어야 합니다. 또한 CO2 시스템에는 고압 측면과 저압 측면을 분리하는 특수 열 교환기도 필요합니다. 일부 업계 관계자에 따르면 이러한 설계 복잡성에 대응하고, 개발 주기를 늘리고 물리적 프로토타입 테스트를 추가하여 설계를 개선해야 하므로 최초의 CO2 기반 시스템 중 일부는 기존 장치보다 30% 더 많은 비용이 소요될 수 있습니다.

설상가상으로 CO2는 글로벌 표준으로 확립되지 못하고 있습니다. 반대로 미국은 HFC-134a 사용을 중단할 계획이 없으며 중국은 HFC-134a 생산에 대규모로 투자를 진행해 왔습니다. 또한 탄화플루오르 공급업체는 오존층 파괴 가능성이 낮고 현재 공조 시스템에서 HFC-134a를 직접 '드롭인(Drop-in)'할 수 있는 HFO-1234yf와 같은 대체 혼합물을 적극적으로 모색하고 있습니다. 따라서 AC 공급업체는 언제든지 변경될 수 있는 냉매 사양을 기반으로 다양한 글로벌 지역을 위한 시스템을 개발해야 합니다.

현재 AC 공급업체는 엔진 항력과 오염 물질 배출을 최소화하면서 최적의 냉각 성능과 승객 편의성을 제공하려면 전체 차량에 원활하게 통합되는 시스템을 통해 이러한 다양한 요구사항을 충족해야 합니다. 자동차 부문의 개발 주기가 점점 단축됨에 따라 AC 공급업체는 이러한 복잡한 설계를 경쟁사보다 더 우수하고 빠르게 더 적은 비용으로 개발하고, 자동차 제조업체에 최적의 시스템 성능을 가장 먼저 선보이고자 노력하고 있습니다. AC 시스템과 관련된 모든 복잡한 열, 기계 및 전자 제어 문제를 처리할 수 있는 능력과 마찬가지로 설계 속도도 중요합니다.

간편한 액세스 제공

많은 AC 공급업체와 자동차 제조업체가 Simcenter Amesim 차량 열 관리 솔루션을 사용하여 AC 시스템 설계를 처리하고 성능을 예측합니다. 엔지니어는 이 솔루션을 통해 엔진 온도, 배기 수준, 보조 장비, 운전실 환경 및 기타 요인과 관련된 컴포넌트 동작을 분석하여 최적의 조합을 찾을 수 있습니다.

엔지니어는 Siemens Digital Industries Software에서 개발한 Simcenter 포트폴리오의 일부인 Simcenter Amesim™ 소프트웨어를 사용하여 필요한 도구와 라이브러리에 쉽게 액세스함으로써 시뮬레이션 모델을 구축하고, 시뮬레이션을 실행하고, 그래픽 방식으로 결과를 표시할 수 있습니다.

일본의 자동차 공급업체인 Calsonic Kansei는 Siemens PM Software의 솔루션을 사용하고 있습니다. 이 분야에서 50년 이상의 경험을 바탕으로 완전한 AC 시스템을 설계 및 제조하는 몇 안 되는 공급업체 중 하나입니다. Calsonic Kansei는 모듈식 설계와 소형 장치가 차량 제조업체의 캐빈 공간 축소 요구사항에 부합하는지 확인했습니다. 또한 이 회사의 티어 1 AC 공급업체로서의 입지는 엔진 냉각 시스템, 차량 공기 순환 장치, 배기 시스템, 대시보드 모듈, 전자식 실내 온도 제어 시스템의 설계 및 제조 경험으로 강화되었습니다

Calsonic Kansei의 혁신적인 AC 및 엔진 냉각 모듈 시스템 개발 부문 수석 엔지니어 겸 프로젝트 관리자인 Junichiro Hara는 Simcenter Amesim 소프트웨어를 사용하면 전문 프로그래머 없이도 모델을 구축하고 시뮬레이션을 실행할 수 있다고 설명합니다. 엔지니어는 간단한 아이콘(다양한 물리적 영역의 라이브러리에서 선택한 사전 정의된 1D 요소)을 끌어다 놓고 상호 연결하여 통합 물리 기반 모델을 생성합니다. 블록 다이어그램은 매우 간단한 스케치에 해당하지만 그 기본 구성 요소는 모두 검증된 동역학 정보로, AC 시스템의 모든 다른 부분에 대한 실제 작동 모습을 1차원 방식으로 표현한 것입니다. Calsonic Kansei 엔지니어는 시스템의 모든 부분을 모델링했을 뿐만 아니라 하위 시스템을 함께 연결하여 AC, 캐빈 및 엔진 간의 완전한 상호 작용을 시뮬레이션했습니다.

성능 최적화

먼저 엔지니어는 압축기, 증발기, 배관과 같은 각 개별 AC 컴포넌트와 가스 냉각기 및 증발기의 냉매 튜브에 대한 아이콘을 선택했습니다. 차량 요구사항에 따라 다양한 크기의 컴포넌트를 교체하고 고온 및 저온 냉매 루프를 나타내도록 연결했습니다. 그런 다음 CO2에 대한 냉매의 열-물리적 속성을 모델링하고 1D 시뮬레이션을 실행하여 AC 열 출력 성능과 개별 부품 동작을 연구했습니다.

Simcenter Amesim을 통해 엔지니어는 다양한 플롯과 차트에 액세스하여 AC 시스템의 다양한 측면을 평가할 수 있습니다. 몰리에르(Mollier) 압력-엔탈피 다이어그램은 냉각 사이클의 각 단계에서 냉매 상태를 보여줍니다. 이와 더불어 압축기 입구 및 출구의 압력 수준과 가스 냉각기의 열 교환을 검토할 수 있습니다. 냉매 회로의 다양한 위치에서 가스 질량 분율 수준의 변화를 나타낼 수 있습니다. Calsonic Kansei 엔지니어는 이와 같은 심층적인 정보를 기반으로 중요한 매개변수에 대한 감도 분석을 간편하게 수행하여 최상의 AC 성능을 결정할 수 있었습니다.

한편, 엔지니어는 송풍기, 공기 덕트, 창문, 벽의 열 특성, 태양열 플럭스, 내부 및 외부 대류, 주변 열 복사를 나타내는 다양한 아이콘을 사용하여 캐빈 인테리어 모델을 동시에 작업했습니다. 엔지니어는 캐빈 모델과 AC 시스템 모델을 연결하여 냉각 속도, 캐빈 온도, 습도를 계산할 수 있으며 다양한 날씨 및 주행 조건도 통합할 수 있습니다. 엔지니어가 프로세스 초기에 일차원 모델을 사용하면 덕트, 팬과 같은 중요한 시스템 컴포넌트의 크기를 정확하게 조정하고 온도 제어 전략을 테스트할 수 있습니다. 또한 Simcenter Amesim 차량 열 관리 솔루션은 부식 및 오염이 열 교환기와 기타 부품에 미치는 영향에 대한 내구성을 해석하는 데도 사용되었습니다.

그 후 팀은 Simcenter Amesim 솔루션을 한 단계 더 발전시켜 엔진과 윤활 및 냉각 시스템, 연소실, 흡기 및 배기 파이프 간의 전반적인 에너지 균형을 조사했습니다. 엔지니어는 엔진 모델을 AC 시스템 및 캐빈 모델과 연결하여 엔진 성능, 연비, 배기 가스 배출을 최적화하는 동시에 최상의 승객 편의성을 제공할 수 있었습니다.

프로토타입 감소

Hara는 "이전에 자체 개발한 프로그램은 엔지니어링 추정치를 생성하고 실험 데이터를 수집하는 데 시간이 많이 걸렸으며, 냉각, 차량 속도 변화와 같은 천이 조건에서 AC 성능을 대략적으로 계산하는 것조차 마찬가지였습니다."라고 말합니다. "게다가 이전에는 엔진 특성을 개발 프로세스에 포함시키는 것도 불가능했습니다. 저희는 Simcenter Amesim 차량 열 관리 솔루션을 활용한 결과, 다른 방법을 사용했다면 포함하기 어려웠을 광범위한 조건을 고려하여 전체 AC 시스템이 어떻게 작동할지 신속하고 정확하게 예측할 수 있게 되었습니다.

"Simcenter Amesim 차량 열 관리 솔루션의 장점은 일단 생성 및 검증된 모델을 매번 처음부터 시작하지 않고도 향후 다양한 설계의 기반으로 사용할 수 있다는 것입니다."라고 Hara는 말합니다. 엔지니어는 새로운 매개변수를 입력하기만 하면 다양한 차량에 맞게 시뮬레이션을 실행해 AC 시스템 성능을 신속하게 예측할 수 있습니다.

"완전히 운영되고 시스템 개발에 통합되면 Siemens Digital Industries Software 솔루션을 사용하는 시뮬레이션 기반 프로세스는 정확도가 현재 방법보다 80% 이상 증가하고 물리적 프로토타입 수가 절반으로 줄어들 것이며, 이는 개발 비용을 절감하고 고객 견적 요청을 처리하는 시간을 단축하는 분명한 비즈니스 이점입니다."

Calsonic Kansei에서는 Simcenter Amesim 차량 열 관리 솔루션이 냉각 및 기타 성능 특성을 입증하는 판매 도구로 사용할 수 있다는 흥미로운 전망을 내놓고 있습니다.

Hara는 "승객 편의성 수준과 시스템이 엔진 성능 및 배기 가스 배출에 미치는 영향을 정확하게 입증하는 것은 강력한 기능입니다."라고 말합니다. "글로벌 자동차 AC 시장이 보다 친환경적인 냉매로 전환함에 따라 향후 몇 년 동안 시뮬레이션 기반 설계 프로세스는 비즈니스 성장에 있어 확실한 경쟁 우위를 확보하는 데 중요한 역할을 것입니다."