자동차 설계자들은 보다 안전하고 신뢰할 수 있는 전기차를 합리적인 가격을 요구하는 미래시장에 대입시켜야만 한다. 다양한 도전과제를 극복하고 설계 효율을 높여 빠르게 전기차를 시장에 진입시키기 위해서는 이에 상응하는 도구, 즉 적합한 툴이 요구된다.

효율적이고 합리적인 가격의 새로운 전기차 플랫폼을 개발하고자 하는 자동차 설계자들은 과거로부터 이어져 온 도전 과제는 물론 새로운 도전 모두에 직면해 있다. 전기차는 통상 연료 자동차라 불리는 기존의 자동차와 거의 같은 역사를 지니고 있지만, 현재의 운전자 대부분은 전기차를 “새롭게”여기고 있다.
1900년 미국 자동차시장은 그림 1과 같이 세 가지 추진 시스템이 함께 공존하는 양상을 보이고 있었다. 놀랍게도 당시에는 휘발유 자동차의 시장 점유율이 22%에 불과했다. 증기 기관 자동차, 전기차에 이어 한참 뒤쳐진 세 번째였다[1]. 1900년은 전기차의 절정기였다. 그러나 곧 대량의 석유가 발견됐고, 이후 휘발유가 저렴한 가격으로 널리 사용되게 되며 휘발유 차량의 지배력은 급속히 증가하게 됐다.
그 지배력이 다음 세기에도 변함없이 지속되리라는 믿음이 팽배해 있다. 그러나 지속적인 석유가격 상승 압력과 환경에 대한 관심 증가로 최근 자동차 산업에서는 다시 전기 추진 기관으로의 전환이 불가피한 상황이다. 자동차 설계자들은 보다 안전하고 신뢰할 수 있는 전기차를 합리적인 가격을 요구하는 미래시장에 대입시켜야만 한다. 다양한 도전과제를 극복하고 설계 효율을 높여 빠르게 전기차를 시장에 진입시키기 위해서는 이에 상응하는 도구, 즉 적합한 툴이 요구된다.

배터리 기술에서 시작
최근의 복잡한 배터리 기술은 높은 에너지 밀도, 합리적인 무게 그리고 적당한 충전 시간 등을 제공한다. 현재 대부분의 배터리팩은 리튬이온 등과 같은 화학 물질을 이용하고 있다. 이는 이를 통해 차량 주행거리는 증가시키고, 동시에 배터리 무게는 감소시킬 수 있기 때문이다. 그러나 에너지 생산성을 비교해 보면, 휘발유는 12 kWh/kg의 에너지를 생산할 수 있는 반면, 전형적인 리튬이온 배터리는 0.12 kWh/kg[2] 정도의 에너지를 생산할 수 있을 뿐이다. 이는 최고성능의 배터리를 사용한다 하더라도 한번 충전을 통해 소형 4도어 승용차를 최대 250 km정도 운행시킬 수 있다는 의미다[3].
현재 배터리로 구동되는 전기차의 설계는 여러 영역에서 다양한 도전과제를 안고 있다. 그 중 하나는 엔지니어가 차량 무게와 비용을 고려해 효율적인 전기 분배 시스템을 설계해야 한다는 점이다. 이를 위해서는 충전 등을 포함한 자세한 배터리 동작을 기술할 수 있어야 하고 필요한 시뮬레이션 모델을 생성할 수 있어야 한다. 또 보다 효율적으로 안전 및 전기적 간섭 문제를 예측할 수 있어야 한다.
그러나 이와 같은 업무는 자동화된 툴의 도움 없이 진행하기 매우 어렵다. 자동화된 EDS 툴을 이용해 엔지니어는 단순히 상기 업무의 수행뿐만 아니라 차량의 개발시간 단축에도 커다란 도움을 받을 수 있다.

하이브리드 카 설계의 도전
현재 전기차를 구입하고자 하는 소비자의 경우, 기존의 화석연료 차량과 구매하고자 하는 전기차를 비교할 때 많은 고민을 할 수 밖에 없다. 상대적으로 높은 구입 가격, 추가적인 배터리 교체 비용, 제한된 운행거리 등은 기존의 화석연료 차량을 고수하게 하는 충분한 이유가 된다.
많은 카 메이커들은 전기 엔진 기술과 종래의 연료 엔진 기술을 결합한 하이브리드 형태의 차량을 채택해 생산하고 있다. 이때 하이브리드 플랫폼은 배터리 기술 및 기존 연료 기술 양자에 의존한다. 하이브리드 카의 배터리는 차량 운행 시 간헐적으로 사용되기 때문에 순수한 전기차에 필요한 배터리와 비교해 용량 및 크기가 작다. 작은 배터리 팩은 차량 내에 장착이 용이할 뿐 아니라 차량의 유지비용을 경감시키면서 연비 향상에도 도움을 준다.
그러나 하이브리드 카이건 순수 전기차이건 양쪽 모두는 기존 차량보다 많은 전기적 부품을 필요로 하고 그에 따른 복잡성 또한 매우 높다.
이와 같은 복잡성의 증가는 다양한 형태의 오류를 야기하는 원인이 된다. 따라서 모든 전기차 플랫폼 설계 시 시스템 시뮬레이션을 포함해 전자방해(EMI), 고장형태 영향 분석(FMEA), 누수전류 분석(SCA) 등의 요소를 반드시 고려해야만 한다.
설계 데이터 관리는 전기적 설계의 복잡성 증가 문제를 해결하는 중심이 된다. 그림 2에 표현된 데이터 중심의 전기 분배 시스템(EDS) 설계 툴 체인은 데이터 관리의 중심적인 역할을 담당하고, 그림 3에 표현된 AC 분석 기능 등을 위한 툴은 이에 보조적인 역할을 수행한다.

통합 환경에서의 시뮬레이션, 모델링 및 매개변수 분석 수행
앞서 기술한 바와 같이 하이브리드 카 혹은 전기차 설계는 필연적으로 시뮬레이션의 복잡도를 증가시킨다. 또한 차량 내 시스템 도메인 간의 상호 작용 증가로 인한 다중 모델 시스템의 검증이 필요하다. 예를 들어 전통적인 시뮬레이션의 경우 정성적 논리 전류 혹은 정량적 DC 시뮬레이션 엔진에만 의존했다. 따라서 다중 위상 AC 전압 및 전류 그리고 50 kHz에 이르는 스위칭 주파수를 처리하기에 어려움이 있었다.
그러나 통합 환경 하에서 설계자가 하이브리드 구성 상 기존의 가솔린 엔진과 함께 전기 모터를 사용해야 하는 경우를 고려한다면, 먼저 엔지니어는 반드시 기존의 DC 전류 회로의 동작을 시뮬레이션 할 수 있어야 한다. 그리고 DC-DC 컨버터가 전체 차량에 미치는 영향 등과 같은 상호 작용을 평가할 수 있어야 한다.
다중 위상 AC를 통해 전기모터를 구동할 때, 배터리를 운행거리의 범위, 무게, 충전시간 등을 고려해 최적화하기 위해서는 새로운 시뮬레이션 및 모델링 기법이 반드시 필요하다. 결론적으로 설계자는 서로 다른 드라이브 사이클 조건 하에서 전기모터, 가솔린 엔진, 기어 박스 그리고 드라이브 트레인 사이의 복잡한 상호 작용을 고려할 수 있어야 한다.



전기 분배 시스템 설계 플랫폼을 통해 설계자는 보다 쉽게 DC 회로에 대한 정성적, 정량적 분석을 수행할 수 있다. 배터리와 모터의 동작은 온도 혹은 충전 영향과 같은 효과를 VHDL-AMS와 같은 형식의 모델로 기술할 수 있다. 엔지니어는 드라이브 사이클 기반 “요구 모델(demand models)” 생성 후 운행거리의 범위 별 시나리오를 실행하고 이를 통해 배터리와 모터 사이의 최고 조합을 결정할 수 있다.
보다 자세한 연구가 필요한 경우, 그림 3에서와 같이 전기 분배 시스템 플랫폼은 디자인의 다양한 물리적 측면을 평가할 수 있도록 데이터를 호환이 가능한 시간 영역의 AC 분석 툴로 보낼 수도 있다. 이와 같은 과정을 통해 정교한 파워 트레인 제어 알고리즘 모델, 공간 벡터 변조 스위칭 전략을 가지는 모터 드라이브 전자 모델, 정확한 유한 요소 분석 기반 기계 모델 등을 가상적으로 완벽하게 통합된 시스템의 형태로 시뮬레이션 할 수 있다.



전기 분배 시스템 플랫폼은 시스템 모델링 툴과 함께 상위 수준 트레이드오프를 결정할 수 있다. 예를 들면, 구동 성능 혹은 배터리 수명과 BLDC 모터 사이의 트레이드오프를 결정할 수 있다. 유사하게, 이는 모터 드라이브의 효율성과 스위칭 주파수 혹은 전원 장치 부품 선택 사이의 하위 수준 트레이드오프 결정에도 도움을 준다.
충돌 회피 시스템과 같은 복잡한 제어 시스템은 차량 네트워크 내 통신 트래픽 양을 증가시켜 이에 필요한 네트워크 용량 증가의 원인을 제공한다. 현재 전기 및 하이브리드 카는 모두 이와 같은 추세에 있다. 간단한 하이브리드 카의 stop&start 엔진 시스템은 최대 26개의 ECU 간 통신을 요구할 수 있다[2]. 궁극적으로 Flexray(10 Mbit/s)와 같은 기술은 기존의 CAN(1 Mbit/s) 네트워크를 대체할 것이다. 따라서 여러 네트워크 아키텍처 및 프로토콜을 다양한 추상화 수준으로 모델링할 수 있는 능력을 가진 전기 분배 시스템 솔루션을 선택하는 것은 매우 중요하다.

 

안전 지원
사람이 80 V DC 보다 높은 전압에 노출되는 것은 치명적일 수 있다. 일부 전기 혹은 하이브리드 카의 전압은 600 V DC에 달할 수 있기 때문에 해당 전압이 운전자 혹은 승객에게 노출되는 것을 방지하기 위해 가능한 모든 안전 시나리오가 반드시 고려돼야 한다.
전기 분배 시스템 툴의 도움을 통해 설계자는 예측 가능한 동작 조건 하에서 위험 요소를 최소화하면서 기능적 요건 및 사내 표준을 기준으로 새로운 디자인의 유효성을 검사한다. 여기에는 누수 전류 회로(SCA)와 같은 결함을 감지해내는 스크립트를 생성하고 정상적인 동작 조건을 넘어선 이벤트를 생성하는 업무가 포함된다. 또한 전원 분배 시스템 툴은 앞서 기술한 프로세스를 돕기 위해 필수적인 고장형태영향분석(FMEA) 기능을 제공한다.

전기적 간섭 고려
복잡한 전자제어 시스템을 장착한 최신의 자동차에는 차량 전체에 걸쳐 수많은 하위 수준의 센서 신호를 사용한다. 따라서 이에 따른 신호 간 충돌이 잦아지는 것이 더 이상 특별하지 않다. 전기 혹은 하이브리드 카는 이러한 문제의 복합체라 할 수 있다.
높은 전압 전환(switched) 부하와 하위 수준의 신호들 그리고 나란하게 배치된 네트워크 경로의 조합은 확실히 노이즈와 누화 결합(cross-coupling)이라는 문제를 일으키는 원인이 된다. 설계 엔지니어는 이러한 현실을 반드시 고려해서 ISO(the International Organization for Standardization) 혹은 SAE(the Society of Automotive Engineers)와 같은 국제 표준 기관의 엄격한 기준을 충족하도록 설계해야 한다.
전자기 간섭 문제는 에너지의 “소스”가 일부 원하지 않는 방식으로 동작하는 “수용체(receptor)”를 향한 “경로”를 발견하면 발생한다. 소스와 수용체의 규격은 성능, 무게 및 비용에 대한 목표 기준 달성을 위해 고정될 확률이 높은 만큼 일반적으로 설계자는 해당 경로를 제어하게 된다.
소스와 수용체의 배치 및 근접성이 EMI의 동작에 영향을 미친다. 설계 초기 단계인 아키텍처 단계에서 엔지니어는 특정 장치에 대한 지정된 분리 규칙에 의거한 사용자 정의 제약 조건을 만들기 위해 전기 분배 시스템 툴을 이용할 수 있다.
장치 분리뿐만 아니라 신호 분리 역시 효과를 낼 수 있고, 특히 항공우주 산업의 일부 응용 프로그램에서는 신호 분리를 하나의 규정으로 정한다. 전기 분배 시스템 툴에서는 필요한 각각 전선에 대한 분리 코드를 지정해 저장할 수 있어야 하며 이를 3차원 분석을 위한 MCAD 툴로 해당 정보를 전달할 수 있어야 한다. 따라서 툴은 정의 단계에서부터 3차원 레이아웃 및 제조 도면 생성에 이르는 모든 과정에서 차폐 동축(coaxial shielding) 케이블을 관리할 수 있어야 한다. 앞서 모델링 툴에 대해 언급한대로, 유한 요소(FE) 기반 EMC 솔루션 및 열 분석 솔루션은 전기 분배 시스템과 인터페이스 할 수 있다. KBL은 모델링 툴과 전기 분배 시스템 툴 사이에서 공용 포털 역할을 한다.



아키텍처 측면 도전 과제들
어떤 형태의 전기차 플랫폼을 개발하든 설계자는 다양한 구성을 고려해야 하고 그 다양한 구성 혹은 시나리오 중에서 최적의 시나리오를 결정해야 한다. 그리고 최적의 선택을 위해서는 불가피하게 여러 의문점이 생기게 마련이다. 왜냐하면 전기차 플랫폼 설계는 아직까지는 분명히 새로운 분야이기 때문이다. 따라서 대부분의 질문에 대한 입증된 솔루션은 몇 안되는 상황이다.

- 해당 배터리를 위한 어느 정도 공간이 가용한가? 어떻게 충전할 것인가?
- 배터리를 둘 혹은 그 이상으로 “분할”해야만 하는가?
- 차량의 용도에 가장 적합한 모터의 구성(configuration)은 어떤 것인가?

설계자는 전기 분배 시스템(EDS) 툴 선정 시 서로 다른 설계 시나리오가 얼마만큼 차량 설계비용 및 무게에 영향을 미치는가를 평가할 수 있는지에 대해 고려해야만 한다. 이는 해당 영향이 그래픽 혹은 수치 형태로 표현되는 기능을 포함한다. 설계자가 하이브리드 및 전기차의 배터리 패키징 방법을 결정해야 하는 경우의 예를 들면, 그림 4에서와 같이 시나리오는 다음과 같은 두 가지 경우일 수 있다. 하나는 차량 뒤편에 배터리 하나를 배치하는 것이고, 다른 하나는 두 개의 배터리를 나누어 각각 다른 위치에 배치하는 것이다.
전기 분배 시스템 툴의 가상 프로토타입 기능을 이용해 엔지니어는 보다 신속하게 두 가지 시나리오를 생성할 수 있다. 이를 통해 두 시나리오 중 어떤 경우를 차량에 적용하는 것이 적합한 지는 툴에 의해 자동으로 제공되는 무게, 비용 등의 평가 지수의 수치 비교를 통해 쉽게 달성할 수 있다. 같은 기능을 보다 적은 와이어 및 부품을 이용해 구현할 수 있는 시나리오가 선택되는 것은 물리적 아키텍처 고려에서는 당연한 평가라 할 수 있다. 덧붙여 툴은 사용자 정의 리포트를 생성할 있는 기능을 제공해야 하고, 프로젝트 별 목표 달성에 미치는 중요도 순에 의거해 다양한 설계 제약 조건의 우선순위를 변경할 수 있어야 한다.

결론
전기차 플랫폼 설계 분야에서는 다양하고 새로운 기술적 도전과제를 다루게 된다. 여기에는 배터리 배치에서 전기적 분배 그리고 상위 및 하위 신호 간 누화(crosstalk) 제거 등의 범위가 포함된다. 주도적인 EDS 설계 환경은 설계자가 제품 계획에 정확히 부합하는 기능을 구현할 수 있도록 협업 기능을 제공하고, 순수 전기차에 대한 내일의 요구에 대한 답을 제공한다.

AEM_Automotive Electronics Magazine