토요타 하이브리드 카 개발 그룹의 히사오 니시모리(Hisao Nishimori) 엔지니어링 매니저가 멘토 그래픽스의 솔루션을 이용한 하이브리드 및 전기차용 파워 모듈의 열 특성 분석과 최적화 방안에 대한 경험을 말했다.

하이브리드의 기본 원리는 주행 사이클의 어느 부분에 있느냐에 따라 전기 모터와 내연기관을 모두 이용함으로써 연료 소비를 줄이는 것이다. 상대적으로 낮은 주행속도로 가속할 때는 대체로 전기 모터를 사용하고, 특정 속도에 도달하게 되면 내연기관이 작동하면서 그 역할을 넘겨받게 된다. 하이브리드 모델은 배터리에 저장된 전력을 이용해 주행하다가 배터리 전력이 고갈되면 내연기관으로 전환해 전력을 생성하거나 배터리나 내연기관 중 어느 한 쪽만으로 주행한다. 어떤 종류의 부스트 모드에서는 양쪽을 모두 사용하는 기능도 제공한다. 그러나 어느 쪽이든, 이 차는 완전한 전기차는 아니다. 그 전기 사용 범위는 제한적이고 전체 배기가스 배출량을 줄이기 위해 사용될 뿐이다.


배터리는 브레이크를 밟을 때 발생하는 에너지를 회수하거나 혹은 내연기관에 의해 동작하는 발전기를 통해 충전된다. 배터리를 충전하기 위해서는 발전된 전력을 교류(AC)로부터 배터리에 필요한 직류(DC)로 변환해야만 한다. 차량 주행에 배터리가 사용되는 즉시 전류는 DC로부터 전기 모터 구동을 위한 AC로 변환돼야만 한다.

이같은 일들은 IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistors)와 같은 여러 가지 서로 다른 부품들을 포함하고 있는 E/E 시스템에 의해 처리된다. IGBT는 수백 암페어로 동작할 수 있으며 믿어지지 않을 정도의 높은 스위칭 속도로 동작할 수 있는 전자 스위치 역할을 해 많은 열을 발생시킨다.

토요타는 친환경 차량(가장 유명한 것은 아마도 Prius일 것이다)을 포함해 업계 혁신의 리더다. HSD(Hybrid Synergy Drive)는 토요타가 자사의 풀 하이브리드 차량 제품군을 위해 개발한 기술을 일컫는 용어다(그림 1, 2).
토요타의 하이브리드 카 개발 노력은 90년대 말 도로를 주행한 최초의 하이브리드 차량을 통해 잘 알려지게 됐다. 하이브리드는 이후 전 세계적으로 총 생산량이 수백만 대에 이르렀고 향후에도 계속 증가할 전망이다.


2012년 9월 멘토 그래픽스가 일본 시나가와에서 개최한 테크 디자인 포럼(Tech Design Forum)에서 토요타 하이브리드 카 개발 그룹의 히사오 니시모리(Hisao Nishimori) 엔지니어링 매니저는 하이브리드 및 전기차용 파워 모듈의 열 특성 분석과 최적화 방안에 대한 경험을 발표했다.

IGBT는 부품에서 발생한 열이 부착된 냉각 시스템으로 보다 잘 발산되기 위해 이상적인 열 저항을 갖도록 최적화시켜야 하는 E/E 부품이다. 적합한 고전류 부스터를 가지고 있는 멘토 그래픽스의 T3Ster Transient Thermal Characterization 시스템을 적용하면 하이브리드가 부품 가열에 필요한 전력에 도달하도록 한 뒤 그 열 응답을 기록해 해당 부품의 구조 함수를 도출할 수 있다.


T3Ster 기능을 적용하기 이전의 토요타 설계 프로세스는 모듈 설계로 시작했으며, 이 모듈을 시제품에 내장해 IGBT 등의 스위칭 주파수나 그리스 두께와 같은 상이한 조건 하에서 테스트했다. 그리고 열 카메라로 측정해 그 결과들을 평가했다. 결과가 만족스럽지 못하거나 부정확할 경우, 개발 팀은 다시 앞 단계로 돌아가 설계를 변경한 뒤 이 과정들을 반복해야만 했다.

니시모리 매니저는 “설계가 다시 변경될 경우, 새로운 시제품의 재평가 작업에는 많은 리드 타임과 노력, 비용이 소요됐다”고 말했다.

토요타의 목표는 이 프로세스를 최적화해 매우 정확하고 반복 가능한 결과들을 보다 짧은 시간 내에 달성함으로써 높은 효율성을 달성하는 것이었다.

니시모리 매니저는 “T3Ster는 부품의 구조와 그 열전달 경로에 대해 더욱 상세한 통찰력을 제공했다”며 “그것은 테스트하는 요소 주변의 열 저항 차이를 분명하게 보여주며, 내구성 테스트 전후의 측정치 검증을 통해 열 분산 특성의 변화 여부를 확인할 수 있도록 해줬다”고 말했다.

토요타는 모듈의 모든 요소들을 한 번에 측정하면서 구조의 세부사항들을 심지어 몰딩된 부품들에서도 검출할 수 있었다.

니시모리 매니저는 “우리는 설계 값과 일치하는 요소 아래의 본딩 소재까지도 측정할 수 있었다”고 말했다.
T3Ster의 도움으로 토요타는 매우 정확한 결과들을 설계자들에게 신속하게 피드백함으로써 설계를 더욱 향상시킬 수 있게 됐다. 이전의 토요타는 몰딩된 요소 주변의 제품 상태와 그 열 분산을 검증할 수 없었지만, 그리스의 두께로부터 본딩 상태에 이르는 모든 것들을 최적화할 수 있게 됐다.

 니시모리 매니저는 멘토 솔루션의 도입에 대해 다음과 같이 요약했다.

『T3Ster에 의한 측정결과로부터 구조 함수를 제공함으로써 설계 값들을 보다 상세하게 비교 및 검증할 수 있게 됐다. 이러한 측정을 내구성 시험에 적용함으로써 디자인의 수명에 영향을 미치는 약점들을 찾아낼 수 있었고, 이제는 설계 값을 측정할 수 있기 때문에 일반적인 프론트 로딩도 가능해졌다. 또한 디자인의 재작업을 줄임으로써 시제품 제작비용도 절감할 수 있게 됐다.(그림 3)』

니시모리 매니저는 설계 및 평가 프로세스에 대한 자신의 견해를 자동차에 비유해 완벽하게 표현했다.
“평가와 설계는 품질 보증의 두 ‘바퀴들’로서, 중요한 ‘엔진’이 이들에게 추진력을 제공한다. CAD와 CAE, 자동화된 측정의 올바른 조합을 통해 이 바퀴들은 ‘설계 품질’이라는 결합된 힘을 자동차에 구현해낼 것이다(그림 4).” 

AEM_Automotive Electronics Magazine