더 빠른 혁신 위한 E-Mobility 에코시스템 에뮬레이션

   
디지털 트윈 기술이 자동차 업계에서 E-Mobility(전동화) 제품과 솔루션을 설계 및 테스트하는 방식을 바꾸고 있다. 에너지 효율성이 더 뛰어난 배터리를 개발해야 하고 충전 인프라 개발 규모가 커지고 있는 오늘날, 디지털 트윈은 성능 및 안전에 대한 표준을 준수하면서 새로운 제품을 더 빠르게 출시하는 데 도움이 된다. 전기차 및 충전 인프라 시장이 계속해서 성장함에 따라 디지털 트윈 애플리케이션은 제품 개발 및 설계 검증 프로세스에서 없어서는 안 될 존재로 자리매김할 것이다. 


글 | 희윙 여(Hwee Yng Yeo) E-Mobility 솔루션 책임자,  키사이트테크놀로지스(Keysight Technologies) 





에뮬레이터와 시뮬레이터

디지털 트윈은 최근 모두의 관심을 받는 기술로 급부상했지만, 디지털 트윈 개념은 1990년대 초 에뮬레이션 기술에 그 뿌리를 두고 있다. 에뮬레이터는 집적회로(IC)를 비롯해 여러 장비 부품의 동작을 모방하며 다양한 애플리케이션이 있다. 에뮬레이션 기술을 적용하는 것에 대해 알아보기 전에 에뮬레이터와 시뮬레이터의 차이점부터 살펴보도록 하겠다(표 1). 때때로 엔지니어링 부문에서 이 두 용어를 혼용하는 경우가 있는데, 두 용어의 정의에는 매우 큰 차이가 있다. 

여기서는 테스트 대상 장치(Unit Under Test, DUT)인 칩을 예로 들겠다.

시뮬레이션

시뮬레이션은 파운드리(Foundry 또는 Fab)에서 제조된 칩의 작동 방식을 설명한다. 여기서 목표는 칩이 메모리, 레지스트리, 최신 프로그램 카운터 같은 다양한 변수 상태에서 잘 작동할 수 있는지 확인하는 것이다. 

에뮬레이션

에뮬레이션은 하드웨어를 사용해 칩이 실시간에 가까운 속도로 작동하는 방식을 시뮬레이션한다. 설계자는 하드웨어를 활용하여 시뮬레이션 프로세스 속도를 전통적인 시뮬레이션이 지원 가능한 범위보다 훨씬 더 빠르게 만들 수 있다. 이런 기능은 E-Mobility 에코시스템 전반에서 전력을 변환하는 데 사용되는 것과 같은 초고성능 칩 측면에서 매우 중요하다.
 

에뮬레이션 기술은 초창기부터 지금까지 크게 발전해 왔으며, 강력한 하드웨어와 소프트웨어를 활용해 엔지니어가 테스트 파라미터를 맞춤화하고 다양한 장비와 테스트 시나리오를 에뮬레이션할 수 있는 디지털 트윈으로 진화했다. 이제 디지털 트윈이 E-Mobility 개발에 활용되는 방식을 살펴보겠다. 

전기차와 EVSE의 역할을 추정하는 디지털 트윈

2024년에는 신규 전기차(Electric Vehicle, EV) 모델의 수가 오늘날보다 두 배 더 많은 130여 개 모델로 증가할 것으로 예상된다. 전기차 충전 장비(Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE) 벤더에게 있어 실제 차량을 대상으로 충전소 테스트를 진행하는 것은 비현실적이다. 마찬가지로 차량 제조업체들은 자사의 전기차가 전 세계의 다양한 충전 표준을 준수해야 하는 과제에 직면해 있다. 전 세계의 실제 충전소를 대상으로 차량을 테스트하는 것은 사실상 불가능하다.

충전소는 표 2에서 확인할 수 있는 레벨을 기준으로 분류된다.

전기차 제조업체와 EVSE 제조업체는 교류(AC) 및 직류(DC) 전기 플랫폼 간의 차이점 외에도 전 세계를 대상으로 제품을 판매하기 위해 상호운용성 및 규정 준수 관련 문제를 해결해야 한다(그림 1).

과거에는 엔지니어들이 수동으로 테스트를 진행했으며, 각 차량 모델을 표준이 각기 다른 다양한 충전소에 연결했다. 빠르게 변화하는 오늘날의 시장에서는 이런 테스트 전략을 더 이상 적용할 수 없다. 바로 여기서 디지털 트윈을 활용할 수 있는데, 다양한 충전 인터페이스에 대한 테스트를 자동화하고 각 차량 및 충전소 모델 간의 상호운용성을 확인한다(그림 2).
 

이제 오늘날의 전기차 및 EVSE 설계, 테스트 환경에서 사용하는 두 가지 에뮬레이션 설정에 대해 알아보겠다.

전기차 충전 테스트

그림 3은 고성능 전기차 테스트 시스템(중앙)을 보여 주며 수냉식 충전 어댑터가 DC 충전 인프라를 에뮬레이션한다. 에뮬레이션된 DC 충전 인프라에 공급되는 전력은 왼쪽의 또 다른 에뮬레이터가 제공한다. 이제 자동차 제조업체는 차량을 여러 충전소에 연결하는 것보다 빠르게 다양한 고성능 DC 충전 인프라를 최대 600 A까지 에뮬레이션할 수 있다.
 

EVSE 테스트

여러 차량을 대상으로 충전소 설계를 테스트할 때(그림 4), 전원공급장치를 갖춘 테스터가 전기차를 에뮬레이션할 수 있다. 엔지니어는 전기차 디지털 트윈을 활용해 여러 전기차 사양에 맞게 차량을 구성할 수 있다.

 

고성능 온보드 환경 에뮬레이션

전기차 및 충전소 외에 전기차 채택을 주도하는 핵심 요소는 더 우수하고 저렴한 배터리 셀이다. 다수의 차량 제조업체가 이와 관련된 과제를 해결하기 위해 전기차 에너지 저장 및 사용 시스템을 다루는 전문 팀을 운영하고 있다. 

새로운 고성능 전기차 배터리를 개발 및 테스트하기 위해서는 지능적인 배터리관리시스템(Battery Management System, BMS)이 필요하다. BMS는 전압, 전류, 온도, 충전 상태 같은 파라미터를 모니터링하여 중요한 안전, 제어, 규제 기능을 수행한다. 또한, BMS는 열 관리, 에너지 관리, 셀밸런싱(cell balancing) 및 성능을 담당한다. 엔지니어는 BMS가 사양을 준수하면서 이 모든 기능을 수행할 수 있는지 검증해야 한다. 

디지털 트윈 환경은 엔지니어가 개발 중에 BMS에 대한 스트레스 테스트를 수행할 수 있도록 돕는다. 이 BMS 환경 에뮬레이터는 전기차 배터리 셀을 복제하고 개방 회로(Open circuit) 또는 단락 회로(Short circuit) 같은 결함과 여러 셀 온도를 에뮬레이션하여 BMS가 이런 이벤트에 대응하는 방식을 테스트할 수 있다.

없어서는 안 될 존재

전기차 및 충전 인프라 시장이 계속해서 성장함에 따라 디지털 트윈 애플리케이션이 제품 개발 및 설계 검증 프로세스에서 없으면 안 될 존재로 자리매김할 것이다. 디지털 트윈을 활용하면 실제 대상이 업계 표준을 준수하도록 보장할 수 있을 뿐만 아니라, 더욱 친환경적이고 지속 가능한 운송 에코시스템이라는 중요한 목표도 달성할 수 있다.

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