시뮬레이션 툴들은 그래픽 및 수치 리포트를 모두 이용해 서로 다른 설계 솔루션 구현에 따른 비용 및 무게 산정을 돕는다. 물리적 모델이 아닌 가상 프로토타입은 설계 엔지니어들이 다양한 솔루션의 시나리오를 신속하게 작성해 어떤 옵션이 무게가 덜 나가고 전선을 덜 사용하며 보다 적은 수의 부품을 사용하는지 확인할 수 있도록 해준다.


글│필 데이비스 (Phil Davies)
통합전기시스템사업부(IESD) 제품 매니저, 멘토 그래픽스

꾸준한 유가 상승 압력과 환경문제에 대한 우려로 인해, 이제 차량 설계 및 제조 업계는 전기자동차를 심각하게 고려하게 되었다. 그러나 전기자동차(EV) 혹은 하이브리드 자동차(HEV)는 기존 화석연료 차량들보다 까다로운 특정한 설계상의 도전과제를 제기한다. 이전의 산업적 기록이 전무한 전혀 새로운 전기적 아키텍처를 설계하는 데는 새로운 위험이 따르기 마련이다. 이러한 위험을 최소화하고 제품을 출시하기 전에 아키텍처 상에서 후보 시나리오들을 평가하기 위해서는 가상 테스팅 환경이 필수적이다.



배터리 성능은 전기 및 하이브리드 자동차의 성공에 있어서 대단히 중요하다. 배터리를 평가할 수 있는 주요 요소는 시간당 킬로와트(kWh) 단위로 측정되는 배터리의 에너지 밀도와 배터리 수명주기, 생산비용 등으로 압출할 수 있다. 이러한 배터리에 관련된 주요 요소들이 크게 개선될 때까지는 하이브리드 자동차가 시장을 지배할 가능성이 높다.
사용되는 배터리 유형은 그것이 장착되는 차량에 의존한다. Tesla[1] [http://automotive. cn.mentor.com/news-publications/tesla]와 같은 순수한 전기자동차의 경우에는 배터리가 보다 크고 출력은 높은 경향이 있다. 이들은 일상적으로 완전방전되었다가 완충상태까지 충전된다. “연료탱크가 바닥나는” 지점 근처에서는 연료계 기능이 극히 중요한데, 이는 해당 차량이 다른 동력원을 갖고 있지 않기 때문이다. 이러한 배터리들의 전형적인 전압은 대개 300 V가 넘으며, 용량은 60 kWh에 이를 수 있다.
이에 비해 하이브리드 전기자동차(HEV)의 배터리 출력은 좀 더 낮다. 이 배터리는 수명시간 내내 심방전 회수가 1,000회 정도 밖에 안 되지만 경부하 방전은 100만 회에 달하며, 실제 완충상태에 이르는 경우가 없고 완전방전 상태에 이르는 경우도 많지 않다. 하이브리드 배터리의 전형적인 전압은 144 V 이상이며, 용량은 최대 10 kWh로서 동급의 EV보다 훨씬 작다. 이는 당연히 2차 동력원이 있기 때문이다.
전기자동차나 하이브리드 전기자동차 내의 배터리 자원에 대한 전력관리가 향후 설계의 주요 요구들 가운데 하나가 될 것이다. 전력관리 작업의 상당 부분은 충전과 발전을 제어하는 것이다. 예를 들어 브레이크를 밟을 때 배터리 팩으로 되돌아가는 회생 전력(regenerative power)을 제어할 필요가 있다. 차량 내 통신 네트워크에 대해서도 추가적인 요구가 필요할 수 있다. 이는 관련된 시스템을 제어하고 주행 중 혹은 운전자가 차량에서 멀리 떨어져 있을 경우 운전자에게 차량의 충전상태에 대한 정보를 제공하기 위한 것이다. 또한 대리점에 정보를 송신해 배터리 팩의 상태를 알려줘야 할 수도 있다.
이제까지 기존의 엔진에서 전력을 공급받던 차량 실내 공조장치, 조향장치 및 엔터테인먼트와 같은 보조장치들이 배터리 전원으로부터 전력을 공급받게 되는데, 이는 이들 역시 관리대상임을 의미한다. 보다 향상된 내비게이션 시스템이 포함될 수 있는데, 이는 전력관리를 위한 가장 효율적인 경로를 계산하거나 운전자를 경로 상에서 충전 지점으로 안내한다든가 혹은 목적지까지의 거리를 계산해 차량 전원이 충분한지를 확인하기 위해서다. 이러한 필요성으로 인해 추가적인 전기공학적 모듈과 네트워크 트래픽 등이 전기 및 하이브리드 전기자동차에 구현될 것이다.
단기적으로 고객들이 기대하고 있는 것은 자동차 제조사가 하이브리드 전기자동차와 플러그인 하이브리드(PHEV)가 배터리를 이용하여 ‘주행할 수 있는 거리를 연장’시켜 주는 것이다. 이들 자동차는 기존 엔진과 전기모터의 조합이 요구되며 대체하게 될 기존 자동차들보다 전기적으로 보다 복잡하다.


주요 설계 과제
설계 엔지니어의 주요 도전과제는 주행거리에 대한 불안을 극복하는 것이다. 이는 사용 가능한 전력을 이용해 자동차의 주행거리와 성능을 극대화하도록 주행 모드 상태를 모델화해야함을 의미한다.
또 다른 설계상의 도전과제는 전자기간섭(EMI)을 완화시키고 높은 전류 및 전압 스위칭의 효과를 시뮬레이션해, 이로부터 보호할 수 있어야 한다는 것이다.
안전성 문제는 설계 엔지니어들에게 있어서 높은 우선순위를 갖는다. 이들은 높은 전류와 전압으로부터 항상 탑승자의 안전을 보장할 수 있어야만 한다. 고장 및 충돌사고 상황에서 특히 그렇다.
추가적인 전기적 복잡성으로 인해 자동차의 레이아웃을 아키텍처적으로 최적화할 수 있어야 한다는 요구가 더해지고 있으며, 이는 설계자들이 모든 부문에서 자동차의 비용과 무게를 줄이도록 압력을 가하고 있다.
최종적으로 자동차 내의 추가적인 전기적 내용물은 그 자동차의 네트워크에 추가적인 요구를 가하게 되므로 비용을 절감하고 이 네트워크가 필요한 기능을 수행하도록 보장하는 일이 갈수록 중요해지고 있다.
전자설계자동화(EDA) 도구를 이용해 이러한 문제들을 해결할 수 있다. 멘토 그래픽스의 Capital Tools 스위트(Capital짋)와 같은 도구는 배선 시스템(EDS) 디자인을 위한 포괄적인 솔루션을 제공한다. 이것은 시스템 요건, 특징 및 기능, 논리적 아키텍처는 물론 물리적 아키텍처들과 같은 상위 프로세스들과 제조 및 서비스를 포함하는 하위 프로세스들을 망라한다(그림 1).


다중 주행 모드의 시뮬레이션
설계 엔지니어들은 전력소모 및 보충이 미치는 영향을 모델화할 수 있어야 한다. 일반적으로, 여기에는 언덕을 오르거나 내려갈 때의 가속 및 브레이크 밟기가 수반된다. 이들은 또한 고출력의 보조장치들을 관리할 수도 있어야 한다. 자동차가 하이브리드형 일 경우에는 기존 방식의 엔진 시동이 필요할 수 있으며, 자동차 실내의 냉난방도 분명히 필요할 것이다. 또한 파워 스티어링 및 제동 보조기능, 파워 시트 및 윈도, 조명 및 와이퍼와 같이 기존에는 자동차 엔진으로부터 전력을 공급받던 시스템들을 제공할 수 있어야 한다. 또한 저전력 시스템을 모델링해야 하는데, 여기에는 내비게이션과 엔터테인먼트, 주차 보조기능, 레이더 및 전화기 등이 포함될 수 있다.
모델링의 첫 단계는 리튬이온 전지 및 니켈수소 전지와 같이 자동차에 사용할 수 있는 여러 잠재적 배터리의 데이터시트를 손에 넣는 것이다. 이 배터리들은 Capital과 같은 툴에서 점점 더 높은 복잡성으로 모델링할 수 있다. 예를 들어 온도가 배터리에 미치는 영향을 모델링할 수 있다.
두 번째 단계는 자동차 회로를 설계한 뒤 시뮬레이션 모델들을 작성해 이 시스템 내의 디바이스들에 연결하는 것이다.
세 번째 단계는 다수의 시스템을 통합해 그 자동차의 모든 부분들을 대표하도록 하는 것이다. 제공될 고객 옵션의 복잡성에 따라서는 여러 가지 “최악의 경우”의 자동차 구성들을 개발해야 할 수도 있다.
네 번째 단계는 시뮬레이션돼야 하는 모든 시스템에 대한 수요 모델을 개발하는 것이다. 예를 들어 Capital은 다수의 주행 모드를 실행할 수 있도록 시뮬레이션 스크립트를 지원함으로써 여러 시나리오를 자동적으로 실행할 수 있도록 해준다. 배터리 상태는 주행 모드 시뮬레이션 전반에 걸쳐 모니터링되고 보고된다.
다섯 번째 단계는 이 데이터의 결과들을 가지고 이 자동차가 요건에 부응하기 위한 배터리의 선택을 정보에 입각해 판단하는 것이다.



전자기간섭의 완화
전기 및 하이브리드 전기자동차에서 높은 전압 및 전류 스위칭과 저수준 네트워크 신호들의 혼합은 신호들 간의 교차결합(cross-coupling) 발생 위험성을 높여 개별 부품의 고장으로부터 전체 시스템의 고장에 이르는 다양한 문제를 야기할 수 있다. 따라서 설계 목표는 차량 내 간섭과 방사 간섭을 최소화하는 것이다. 설계 엔지니어들은 ISO와 SAE 같은 기관들의 엄격한 기준에도 부응해야만 한다.
전자기간섭(EMI) 문제는 에너지 “방사체”(소스)가 모종의 바람직하지 못한 방식으로 반응하는 “수용체”를 향한 “경로”를 찾아낼 경우에 발생하게 된다. 일반적으로 설계자들은 이 경로상에서만 제어권을 갖게 되는데, 이는 소스와 수용체의 사양이 성능과 무게, 비용 목표를 충족시키도록 고정될 가능성이 높기 때문이다.
방사체 및 수용체 디바이스들의 배치와 인접성은 EMI 거동에 영향을 미친다. 아키텍처 단계의 설계주기 초기에 설계 엔지니어들은 전기설계 툴을 이용해 특정 디바이스들에 대해 지정된 분리 법칙들을 토대로 맞춤형 제약들을 작성할 수 있다.
Capital과 같은 소프트웨어는 이러한 효과들을 완화시키도록 도와주는 여러 가지 기능을 갖추고 있다. 그 대부분은 소스와 수용체 또는 희생자 간의 결합 경로에 초점을 두고 있다. 배치는 EMI 효과를 제어하기 위한 효과적인 방법이다. MIRA의 최근 보고서[2]에서는 전자 구동장치들을 이들이 제어하는 모터에 최대한 가까이 배치할 것을 권장하고 있다. 좋은 접지설계 관행도 EMI 관리에 효과적이다. Capital은 룰 기반의 디바이스 및 접지 배치를 지원하는 자동화 기능을 제공함으로써 최상의 관행을 모든 자동차 설계에 일관성 있게 적용할 수 있도록 보장해준다.
신호 라우팅도 EMI 제어에 사용할 수 있다. 때로는 고전압과 저전압 간의 교차결합을 중단시킬 수 있도록 신호들을 잡음이 많은 구역들로부터 멀리 라우팅하거나 혹은 별도의 번들을 통해 라우팅해야 한다. Capital은 아키텍처 개발 초기에 룰 기반의 신호 라우팅을 지원하며, 물리적 설계가 성숙됨에 따라 분리 코드들을 3D MCAD 도구로 익스포트(export) 할 수 있도록 지원한다. 이러한 기능 가운데 다수가 원래는 항공우주 설계용으로 개발됐으며, 현재 여러 주요 업체들에서 사용하고 있다. 전기 데이터 역시 EMI 평가 및 시뮬레이션을 위해 하나의 도구로부터 다른 도구로 익스포트 할 수 있다.
때로는 차폐가 필요하다. 이것은 효과적인 EMI 제어 방법이긴 하지만 비용이 많이 든다. 하지만 그 비용을 Capital과 같은 전기설계 툴에서 정확하게 산정할 수 있으므로 설계자는 일련의 절충안을 연구해본 뒤 최적의 접근방법에 집중할 수 있다.


모든 시나리오에서 안전한 환경 보장
EV와 HEV에서 높은 전압과 전류는 치명적인 전기충격의 위험을 낳는다. 직류 80 V 이상에 노출되는 것은 치명적이 될 수 있다. 일부 EV 및 HEV의 전압은 직류 600 V에 이를 수 있으므로 상상할 수 있는 모든 안전 시나리오를 고려해 설계하지 않으면 안 된다.
Capital과 같은 도구는 고장으로 인한 전기적 효과들을 엄밀하게 시뮬레이션할 수 있다. 예를 들어 충돌사고로 접지가 고장이 나 직류 전압에 결합되면 바디 일부에 위험스럽게 전기가 통할 수 있다. 노출은 설계 오류나 바람직하지 못한 회로 동작에 의해 야기될 수 있다. 잠재적인 고장 유형은 고장 유형 및 영향 분석(FMEA) 기법을 이용해 엄밀하게 파악하고 우선순위화 할 수 있다. 기존에는 많은 시간이 소요되던 이 작업을 이제는 일부 전기설계 툴들로 자동화할 수 있게 됐다. FMEA로부터 얻은 결과는 설계에서 가장 중요한 문제들에 대한 통찰력과 필요한 피드백을 제공함으로써 설계 엔지니어들이 설계 수정을 통해 시정조치를 취할 수 있도록 해준다.
시뮬레이션은 또한 엔지니어들이 설계 오류가 미치는 전기적 영향들을 예측할 수 있도록 해주는데, 특정한 스위치와 부하의 조합이 전기적 기능의 의도치 않은 동작이나 정지를 야기할 수 있는 것이 그 같은 경우이다. 이는 운전자를 당황하게 만드는 것으로부터 조명등과 같이 안전에 극히 중요한 기능이 정지되는 것과 같은 보다 심각한 결과에 이르기까지 다양한 결과를 초래할 수 있다.


최상의 아키텍처 설계
자동차 설계 엔지니어는 어떠한 종류의 EV 플랫폼을 개발중이든 간에 다수의 구성들을 고려하여 자동차 내에 최적의 상태로 패키징해 넣지 않으면 안 된다. 따라서 다음과 같은 질문이 필연적으로 대두될 수밖에 없다:

- 배터리를 위한 공간은 얼마나 있는가? 배터리는 어떻게 충전할 것인가?
- 배터리를 두 개 이상의 위치로 “나누어” 놓을 것인가?
- 어떠한 모터 구성이 자동차의 용도에 최상인가?
EV 플랫폼은 아직도 등장한 지 얼마 안 되기 때문에 이러한 질문들 가운데 다수는 입증된 해결책이 거의 없다.
시뮬레이션 툴들은 그래픽 및 수치 리포트를 모두 이용해 서로 다른 설계 솔루션의 구현에 따른 비용 및 무게 산정을 도와줄 수 있다. 물리적 모델이 아닌 가상 프로토타입은 설계 엔지니어들이 다양한 솔루션의 시나리오를 신속하게 작성해 어떤 옵션이 무게가 덜 나가고 전선을 덜 사용하며 보다 적은 수의 부품을 사용하는지 확인할 수 있도록 해준다. 예를 들어 시뮬레이션은 하나의 배터리 팩을 차량 후방에 탑재한 부분 하이브리드(partial-hybrid) 전기차 설계를 두 개의 배터리 팩을 차량 중간과 전방에 탑재한 설계와 비교할 수 있도록 해준다(그림 2). 이 소프트웨어는 단일 배터리 시나리오가 전선, 무게, 비용이 덜 소요되며 전반적인 부품 수도 더 적음을 보여주고 있다(그림 3).



결론
EV나 HEV의 설계는 최적화를 도모하기 위해 전혀 새로운 설계 구성을 개발해야 하는, 다분야에 걸친 도전과제이다. 새로운 모델 개발에 드는 시간과 비용 때문에, 설계자들은 각 단계별 프로세스에서 시뮬레이션과 가상 프로토타이핑의 사용은 당면한 과제이다. 가상 전기/전자 프로토타이핑에 필요한 소프트웨어 시뮬레이션 기능과 분석 기능이 통합돼 있는 설계 도구가 현재 시판되고 있다. 엔지니어는 이 도구를 이용해 무게와 비용 면에서 효율적인 배선 시스템들을 설계할 수 있고, 구체적인 배터리 모델링을 통해 최적의 충전 및 동작 요구를 파악하며, 안전 및 전기적 간섭 문제 등을 사전에 예측해 해결할 수 있다.  AE