자동차는 빠르게 모바일 핫스팟이 되고 있다. 무선링크, 멀티미디어 장비, 전자식 제어 모듈 및 하이브리드/전기 구동기 같은 구성요소가 차량에 지속적으로 추가되고 있기 때문에 전자기 간섭(EMI) 및 전자기 적합성(EMC)을 고려한 설계가 갈수록 중요해지고 있다. 브라질 피아트-클라이슬러의 엔지니어팀은 ANSYS HFSS 및 전체 차량 테스트를 통해 생산 차량의 잠재적인 EMI 문제를 조사함으로써 완벽한 제품 무결성을 확인하고 있다.

원문│ANSYS Advantage - Volume IX, Issue 2, 2015

전자기기가 자동차에 빠르게 추가되고 있기 때문에 많은 지침이 개발됐다. 여기에는 법률 규정, 산업ㆍ협회 표준 및 특정 자동차 제조업체에 한정되는 규제 한도 등이 포함된다.

초기 산업 지침 중 하나는 유럽에서 1972년에 전자 스파크 플러그 잡음을 해결하기 위해 발표됐다. 그 이후로 많은 기관이 자동차 산업과 관련된 다양한 표준을 정립했다. 많은 표준, 지침 및 규정이 차량 안전을 고려해 제정됐다. 이러한 표준은 모든 차량 탑재 시스템이 EMI에 노출된 동안과 노출된 후 자동으로 또는 수동 재설정 작업에 의해 정상 상태로 돌아온 후 계속 올바르게 작동하도록 보장한다.



피아트-크라이슬러 엔지니어들의 주요 관심사항은 현재 차량에 포함된 배선의 양이며, 이는 차 당 5킬로미터에 이른다. 배선은 분명한 EMI 발생원이지만 전자기기가 패키지로 포함된 최신 차량에는 다른 많은 발생원이 있다. 또한 운전자가 스마트폰, 태블릿, 블루투스 지원 장비와 같은 잠재적인 EMI 발생원을 가져올 수 있다. 스마트 카를 만드는 자동차 제조업체는 고장위험을 줄이기 위해 표준을 준수해야 한다.

관례적인 EMI/EMC 절차와 기법은 최신 세대의 전자기기와 부품에 더 이상 적합하지 않다. 소수의 자동차 표준이 차량에서 발생하는 EMI의 확률을 줄이기 위한 시도로 실험실 테스트를 사용해 개발됐다. 이러한 실험 기반 국제표준 중 중요한 한 가지가 ISO 11451-2다. 이 표준에서는 무반향(무반사)실에서 차량 전체에 전파되는 피측정 안테나 테스트를 요구하며, 모든 전자 하위 시스템의 성능이 피측정 안테나에서 발생하는 전자기 장애의 영향을 받지 않아야 한다.

ISO 11451-2는 차량 추력 시스템(하이브리드/ 전기차 포함)에 관계없이 개인용 및 상용차량에서 차량 외부 방사원의 전기적 변동에 대한 차량 내성을 확인하기 위한 것이다. 테스트 절차에서는 흡수제가 정렬돼 있는 차폐된 공간에서 개방 필드 테스트를 표현하는 테스트 환경을 만들어 전체 차량의 성능을 기술한다. 이 테스트의 경우 바닥은 일반적으로 흡수제가 덮여 있지 않지만 흡수제를 덮는 것도 허용된다.

이 표준의 테스트는 25~100 V/m 이상의 범위에서 원하는 전계강도를 생성할 수 있는 무선주파수(RF) 발생원이 포함된 피측정 안테나를 사용해 방사 전자기장을 생성하는 과정으로 구성돼 있다. 이 테스트에서는 10 kHz~18 GHz 범위의 주파수를 처리한다. 테스트 중에 모든 임베디드 전자기기가 결함없이 실행돼야 한다. 또한 피측정 안테나의 점진적인 주파수 변화에서도 무고장 성능이 유지돼야 한다.

ISO 11451-2 표준의 테스트를 물리적으로 수행하려면 고가의 장비가 필요하고 고비용 테스트 시설을 확보해야해 많은 시간이 소모될 수 있다. 수치 시뮬레이션은 제품 설계 사이클과 관련 연구개발 비용을 줄일 수 있는 비용 효율적인 대안이 될 수 있다. 지난 몇년 동안 ANSYS HFSS 소프트웨어를 통해 개발된 영역분할 방법(DDM)을 사용해 전체 차량의 유한요소법(FEM) 시뮬레이션이 가능해졌다.

DDM에서는 많은 하위영역을 생성해 전체 시뮬레이션 영역을 병렬화하고, 각하위 영역을 서로 다른 컴퓨팅 코어나 네트워크에 연결된 서로 다른 컴퓨터로 해석한다. DDM을 사용하면 엔지니어가 전체 차량을 시뮬레이션할 수 있지만 HFSS에는 대규모 전자기 구조의 해석에 사용할 수 있는 또 다른 접근방식이 있으며, 이것이 하이브리드 유한요소 경계 적분(FE-BI) 방법론이다.




FE-BI에서는 적분 방정식(IE)에 기반한 솔루션을 FEM 문제 공간의 절단 경계로 사용하므로 FEM과 IE의 장점이 결합된다. 이 솔루션 패러다임의 통합을 통해 피아트-크라이슬러 엔지니어들은 시뮬레이션의 솔루션 볼륨을 FEM 방법에 필요한 것보다 크게 줄일 수 있었다. 방사원으로부터 FE-BI 경계까지의 거리를 임의로 줄일 수 있어 솔루션 시간이 감소하며, 전체 컴퓨팅 부하도 줄어든다.

FE-BI 방법론의 능력을 입증하기 위해 피아트-크라이슬러 팀은 남미의 ANSYS 채널 파트너인 ESSS의 협조를 받아 FE-BI 기능을 사용하는 전체 차량 시뮬레이션을 수행했다. 그런 다음 이 팀은 결과를 ISO 11451-2 표준에 적용해 전기/전자 서브 시스템의 EMI를 결정했다. 시뮬레이션을 위해 팀에서는 테스트실의 큰 공기영역 경계 조건을 테스트실에 포함된 구조물에 적합하도록 훨씬 작은 두 개의 공기영역으로 축소했다. 이러한 공기영역의 표면은 안테나 및 차량에 근접한 위치에 배치됐다.




피아트-크라이슬러 엔지니어들은 이 시뮬레이션에서 흡수제 요소를 모델링하지 않았는데, 이는 FE-BI의 IE 경계가 자유공간 시뮬레이션과 동등하며 물리적 측정에 사용된 흡수제와 같았기 때문이다. 총계산 시간은 28분이었으며 전통적인 FEM 솔루션과 비교해 10배이상 속도가 향상됐다. 또한 FE-BI 시뮬레이션에 필요한 총 RAM 양은 6.8 GB이었으며, 이 역시 FEM을 사용하는 이전 작업과 비교해 10배 이상 적다.
FE-BI 방법을 사용한 솔루션 결과는 관심 값에 대한 예측이 FEM을 사용해 얻은 결과와 훌륭하게 일치함을 보여줬다. 차량의 표면 셸과 차량을 둘로 나누는 평면에서 계산된 전기장은 두 솔루션 방법에서 매우 유사했으며, 전체 모델의 총 원거리장 패턴에 해당한다.

FE-BI 접근방식은 임베디드 제어장비 모듈의 내성 테스트에도 사용할 수 있다. 이 기능을 입증하기 위해 엔지니어링 팀은 엔진 와이어링하니스에 연결된 인쇄회로기판(PCB)을 시뮬레이션에 도입했다. 전송된 신호는 엔진 주위에 배선된 와이어링하니스를 통해 엔진 맨 아래에 위치한 센서에서 PCB로 이동한다.

와이어링하니스 끝은 빨간색 4방향 커넥터를 사용해 PCB에 연결돼 있다. 4방향 커넥터의 핀 중 하나는 PCB 위쪽의 커넥터 쪽에서 시작해 아래쪽까지 이어지는 트레이스에 납땜돼 있으며, 트레이스 아래쪽에서 마이크로컨트롤러에 연결돼 있다. 이 경우 팀은 단일 온보드 진단(OBD) 프로토콜 CAN J1913 신호만 분석했다.

와이어링하니스는 방사원으로 작동할 수 있기 때문에 EMI에서 중요한 역할을 한다. 와이어링하니스의 효과를 보다 정확하게 이해하기 위해 ESSS 엔지니어들은 두 가지 시뮬레이션을 수행했다. 첫 번째 시뮬레이션에는 섀시 및 피측정 안테나와 함께 PCB 및 와이어링하니스가 포함됐다. 두 번째 시뮬레이션의 경우 팀은 와이어링하니스를 제거하고 엔진 아래쪽에 있는 센서 위치가 아니라 PCB 커넥터에 직접 임의의 CAN J1939 신호를 적용했다.

HFSS의 FE-BI 솔버를 사용해 두 시뮬레이션(와이어링하니스 포함/ 포함 안함)의 전자기장과 산란 파라미터를 쉽게 계산했다. 시뮬레이션에서는 와이어링하니스에 연결할 경우 PCB에서 공진이 발생함을 보여줬다. 이 공진의 주파수는 PCB에 연결된 케이블의 길이에 따른 함수다. PCB에 하니스가 연결될 경우에 피측정 안테나와 PCB 사이의 커플링이 152~191 MHz 범위에서 30 dB 이상 증가했다.




마지막으로, 엔지니어들은 HFSS에서 사용할 수 있는 ANSYS 회로 솔버에 3D 전자기 모델을 동적으로 연결해 와이어링하니스 및 PCB의 CAN J1939 신호를 시뮬레이션했다. HFSS에서 생성된 주파수 영역 필드 결과는 ANSYS Designer 소프트웨어를 사용해 타임 도메인 신호와 쉽게 결합됐다. Designer에서는 안테나와 와이어링하니스에 인가되는 모든 종류의 다양한 신호를 지정할 수 있다.



이러한 시뮬레이션을 위해 팀에서는 안테나 인가 신호를 지연시간이 8 μs이고 주파수가 10~500 MHz 사이에서 점진적으로 변하는 150 V 정현파 신호로 설정했다. 초기시간 지연은 전송된 신호에 대한 EMI 효과를 확인하기 위해 명확하게 설정됐다. 팀은 첫 번째 시뮬레이션에서는 하니스의 센서 쪽 끝에서 CAN J1939 신호를 생성했고, 두 번째 시뮬레이션에서는 와이어링하니스가 없는 상태로 커넥터에 직접 신호를 전달했다. 하니스가 있는 시뮬레이션에서는 종합적인 센서 시스템 성능이 152~191MHz 대역의 수신 방사파에 크게 영향을 받는 것으로 나타난다.
ANSYS HFSS FE-BI 기능은 자동차 EMC 표준에 따라 전체 차량을 시뮬레이션하는 수치 기법으로, 분명한 이점이 있다.

FE-BI 기법은 전통적인 FEM 시뮬레이션과 비교해 10배 이상 빨랐으며 컴퓨팅 부하가 10배 이상 적었다. 결과적으로 EMI/EMC 엔지니어들이 가상의 무반향실에서 EMC 및 EMI 표준을 충족하기 위해 전체 차량 및 관련 하위 시스템을 시뮬레이션할 수 있게 됐다. 또한, 시뮬레이션을 사용하면 정밀한 가정 분석이 가능하므로 운전자나 동승자가 가져 온 전자통신기기로 인해 발생하는 잠재적인 EMI 문제를 해결할 수 있다.
아울러 모든 차량에 포함돼 있는 많은 모터로 인해 발생하는 과도 잡음문제도 더욱 정확하게 이해할 수 있게 됐다.
 

AEM_Automotive Electronics Magazine