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현대자동차
Automotive & Transportation Simcenter Simcenter Amesim
현대자동차

세계 시장을 선도하는 자동차 제조업체인 현대자동차, Simcenter 소프트웨어를 사용하여 하이브리드 차량 성능 최적화 

Siemens PLM Software, 현대자동차에서 수행하는 자동차 테스트 빈도를 40% 줄이는데 기여

Automotive & Transportation Simcenter Simcenter Amesim

세계 시장을 선도하는 자동차 제조업체인 현대자동차, Simcenter 소프트웨어를 사용하여 하이브리드 차량 성능 최적화 

Siemens PLM Software, 현대자동차에서 수행하는 자동차 테스트 빈도를 40% 줄이는데 기여

quotation marks HiL 시뮬레이션을 사용하여 주요 보정값을 사전에 정의할 수 있게 되어 실제 자동차 테스트 횟수를 40% 줄일 수 있었습니다 Bang Jae-Sung, Ph.D., Senior Engineer R&D Center Hyundai Motor Company
과제
  • 인간 중심의 친환경적인 자동차 설계
  • HEV 동력원 관련 효과적인 개발 프로세스 도입
  • HEV의 기능 및 성능 요건 균형 유지
성공 비결
  • 제어 장치를 포함해 전체 차량에 대한 현실적인 시뮬레이션 모델 구축
  • HiL 유효성 검사를 위해 실시간으로 구동할 수 있는 closed-loop 모델 기반 시스템 시뮬레이션 모델 생성
  • 제어 논리 최적화로 에너지 효율성 및 운전 용이성 향상
결과
  • 에너지 효율성 증대 및 자동차 성능 개선
  • 물리적 테스트 횟수 크게 감소
  • HEV 개발 시간 및 비용 대폭 절감

현대자동차

현대자동차는 한국의 주요 자동차 제조업체로 현대, 기아 브랜드를 운영하고 있다. 전체 직원은 5만 명에 달하며 166 개국에 자동차를 판매한다. 20곳 이상의 자동차 관련 자회사 및 계열사를 보유하고 있다.

quotation marks 개발과 운영 부문을 디지털 방 식으로 연결해 자동차를 보다 스마트하게 만드는 것이야말 로 그 다음 기술 혁명이 될 것 입니다. Bang Jae-Sung, Ph.D., Senior Engineer R&D Center Hyundai Motor Company
quotation marks HiL 시뮬레이션을 사용하여 주요 보정값을 사전에 정의할 수 있게 되어 실제 자동차 테스트 횟수를 40% 줄일 수 있었습니다 Bang Jae-Sung, Ph.D., Senior Engineer R&D Center Hyundai Motor Company

한국의 현대화

지난 2세기 동안 인류는 극적으로 진화했으며, 오늘날에 와서는 수명 연장, 안락함, 커뮤니케이션 수단, 각종 여행 장비 등 다양한 혜택을 누릴 수 있게 되었다. 그러나 그와 동시에 지속적인 인구 증가, 산업화 및 세계화로 인해 자연 환경이 큰 영향을 받고 있다. 그 속도는 느리지만 지구에 돌이킬 수 없는 손상이 가해지고 있다는 사실을 분명하게 보여주는 증거를 과학자들이 공유하기 시작하면서 인류 발전에 경종이 울린 것은 안타깝게도 20세기 마지막 10년 동안의 일이었다.

이는 곧 우리 세대가 기술적인 진보를 이루어 나가는 동시에 환경에 대한 영향을 최소화 하려면 어떠한 노력을 기해야 하는지 적극적으로 고민해 봐야만 하는 인류 역사상 첫 번째 세대가 될 것 임을 의미한다. 현재 엔지니어들은 운영 및 소비자 요구사항을 만족하는 동시에 에너지 소비와 배기가스의 양을 줄일 수 있는 와해성 기술을 개발해야 하는 어려움에 처해 있다. 이를 해결하기 위해서는 단순히 운송 업계 뿐만 아니라 전체 산업에 걸쳐 기술 및 공정 측면에 대한 극적인 현대화가 요구될 것이다.

한글에서 ‘현대화’라는 단어가 현대자동차의 ‘현대’와 맞물리는 것은 결코 우연이 아니다. 세계 3위의 자동차 제조업체인 현대자동차 소속 엔지니어들은 1980년대 말부터 가변 연료 자동차, 전기 자동차 및 하이브리드 자동차(HEV) 등 전통적인 내연기관(ICE)의 대안으로서 보다 친환경적인 추진 방법을 개발하기 위한 실험을 전개해 왔다. 특히 HEV의 경우 현재 가장 많은 주목을 받고 있으며 주행 거리를 연장시킬 수 있는 배터리와 전기 모터 충전을 위한 추가적인 인프라를 개발 중에 있다.

복잡한 HEV 엔지니어링

그러나 HEV를 설계하는 것은 그리 간단하지 않다. 아키텍처 옵션과 가능한 매개변수 조합의 수가 너무 많기 때문에, 어떤 구성 방식이 특정 자동차 및 사용 목적에 부합하는 최고의 성능을 발휘할지 결정하기란 매우 어렵다. 주로 대두되고 있는 아이디어는 전기 모터가 ICE를 뒷받침하는 방식으로, 매순간 가장 효율적인 엔진 작동을 보장하며 특히 도심 주행의 경우에 ICE의 역할을 대신하는 것이다. 이를 위해 구성부품의 크기를 조절하는 한편 부품 간 작동하는 방식을 조율하는 제어 알고리즘을 정의하여 효율성을 증대하기 위해 엔지니어링에 많은 노력을 기울이고 있다. 그러나 그와 동시에 다른 중요한 성능 요건 즉, 주행 동작 및 편의성과 같은 영역 또한 고려해야 한다.

현대자동차 방재성 책임연구원은 “성능 측면에 유리하게 매개변수를 변경할 경우 다른 측면에 부정적인 영향이 가해질 수 있기 때문에, 균형을 맞추기 위해서는 여러 가지 특성을 동시에 살펴봐야 한다” 고 밝혔다. 방재성 책임연구원은 자동차의 전반적인 성능을 최적화하기 위해 HEV 제어 논리를 개발하는 현대자동차 연구소 소속 전문가이다. “ 그 밖에도 변수가 굉장히 다양하고 여러 주행 환경에 대한 평가 또한 이루어져야 해서 시행착오법에 의존하는 공정이 너무 많아지게 되면 비용적인 부담도 커질 뿐만 아니라 매우 시간 소모적인 작업이 될 것입니다."

시뮬레이션 기반 접근방식 구현

현대자동차 소속 엔지니어들은 Siemens PLM Software 전문가들과 함께 최첨단 시뮬레이션 기능을 사용하여 보다 자동화된 전체 성능 최적화 프로세스를 구현해 개발 시간을 단축하고 비용 절감을 이룰 수 있는지 살펴보았다. 그 과정에서 실시간 closed-loop 모델 기반 시스템 시뮬레이션을 사용해 HEV 메인 컨트롤러를 가상으로 테스트 하고 유효성을 검사하며 보정하는 프로젝트를 실시했다. 자동차 업계에서는 HiL(Hardware-in-the-Loop) 테스트 플랫폼이 일반적이기 때문에, 이번 테스트는 연비 및 운전 용이성 모두를 동시에 정확하게 포착할 수 있다는 점에서 다소 특별한 것이었다.

방재성 책임연구원은 “HiL 시뮬레이션은 균형을 맞추기 힘든 작업이 될 수 있다”고 말한다. “실시간으로 측정이 가능하도록 자유도(DOF)를 제한하는 동시에, 시뮬레이션 모델이 현실과 같은 결과를 생성할 수 있도록 정확성을 보장해야 합니다. 여기에는 매우 전문화된 소프트웨어 도구가 필요 한데, 컨트롤러 모델용 MATLAB®/ SIMULINK®/ STATEFLOW®와 동시에 시뮬레이션을 진행하는 Siemens PLM Software의 플랜트 모델용 Simcemter Amesim™ 소프트웨어를 사용해 원활한 테스트가 가능 했습니다.”

유효성 검사의 주요 대상인 감시 하이브리드 제어 장치(HCU) 외에도 서브 시스템 컨트롤러를 적절한 상세 수준으로 모델링해야만 했다. 예를 들어, 엔진 관리 시스템 (EMS)은 HCU가 명령한 토크를 생성하기 위해 연료, 공기 및 스파크를 조정한다. 따라서 이 기능이 정확하게 모델링 되지 않을 경우 연비와 배터리 충전 상태를 예측할 때 상당한 편차가 발생할 수 있다. EMS 외에도 고려해야 할 사항이 많다.

동적 Simcenter Amesim 모델에는 연료를 기계 및 전기 에너지로 전환하는 것과 에너지의 흐름을 모두 정확하게 포착하는데 필요한 물리적 요소가 포함 되어있다. 운전 용이성 평가와 관련해서는 운전자가 느낄 수 있는 0 ~ 20헤르츠(Hz)의 고유 주파수를 복제할 때 연관되는 모든 요소를 포함시켰다. 또한, 연비 예측이 가능하도록 주요 구성부품의 효율성 및 에너지 손실도 포함되었다. 이 모델은 각 단계에서 유효성을 검사하고 차후 실시간으로 구동될 수 있도록 간소화하는 등 구성부품부터 전체 차량에 이르기까지 체계적으로 구축되었다.

물리적 테스트 횟수 감소

방재성 책임연구원은 “Simcenter 엔지니어링 전문가들과 함께 진행한 이번 프로젝트를 통해 HiL 시뮬레이션 결과와 동시 다발적인 여러 가지 특성에 따른 자동차의 실제 동작 간의 상관관계를 유리하게 설정할 수 있음을 알게 되었다”고 덧붙였다. “또한, 사전 성능 유효성 검사에 이 접근방식을 사용할 수 있다는 것이 확인되었습니다. 이를 통해 HCU 알고리즘을 설계하고 보정 값을 정의할 때 트렌드를 신속하게 평가할 수 있기 때문에 물리적 프로토타이핑을 더 나은 위치에서 시작할 수 있습니다."

이러한 Simcenter Amesim 기반 프로세스를 개발 시 표준 관행으로 구현함으로써 현대자동차 엔지니어들은 시간과 비용을 크게 절약하는 동시에 HEV 성능을 개선할 수 있다. 방재성 책임연구원은 “HiL 시뮬레이션을 사용하여 주요 보정값을 사전에 정의 할 수 있게 되어 실제 자동차 테스트 횟수를 40% 줄일 수 있었다”고 밝혔다. “뿐만 아니라 엔진에 대한 열의 영향이나 전기 모터 및 배터리, 도로 기하 구조, 자동차 횡동 역학 등 보다 많은 물리적 요소를 모델에 포함시켜 방법론의 범위를 훨씬 더 많은 수의 테스트 시나리오로 확대하는 과정에 있습니다."

미래 목표

친환경적인 자동차 설계를 위한 철저한 공정 디지털화는 현대자동차의 장기적인 기업 비전에도 부합한다. 기업 강령에 따르면, 현대자동차는 고객 경험을 지속적으로 개선하는 동시에 신뢰받는 글로벌 기업으로서 그 역할과 책임을 다하겠다는 목표를 명확하게 밝히고 있다. 이 두 가지 목표를 실현하기 위해 현대자동차는 친환경적이면서도 인간 중심적인 기술을 바탕으로 혁신적인 모빌리티 솔루션을 효율적으로 제공하기 위해 노력하고 있다. 제품 개발 시 이러한 디지털 혁신을 구현해 자동차의 가치를 높이는 것 또한 이러한 노력의 일부일 것이다.

혁신을 향한 다음 단계가 바로 코 앞에 있다. 클라우드 컴퓨팅, 빅 데이터 분석, 사물 인터넷 등 새롭게 떠오르는 혁신 기술은 기업에게 새로운 관점을 제공한다. 이러한 기술을 통해 현대자동차와 같은 기업들은 고객과 긴밀하게 연결된 상태를 유지하면서 개별 고객의 실제 자동차 사용에 대한 정보를 보다 많이 얻을 수 있다.

방재성 책임연구원은 “개발과 운영 부문을 디지털 방식으로 연결해 자동차를 보다 스마트하게 만드는 것이야 말로 그 다음 기술 혁명이 될 것”이라고 말했다. “예를 들어, 현대자동차의 경우 운전자의 성향과 실제 교통량에 대한 현장 정보를 반영할 수 있는 제어 논리를 개발해 성능과 에너지 효율성을 한층 더 개선하는 것을 상상해 볼 수 있습니다. 이러한 맥락에서 자동차 개발 과정의 디지털화는 보다 광범위한 혁신을 위한 첫 단계에 불과할 것입니다.”

이는 전체 자동차 업계 트렌드와도 일맥 상통하며 Siemens PLM Software가 그리는 비전이기도 하다. Siemens는 이를 구체화 하기 위해 제품의 라이프사이클을 아우르는 디지털 스레드를 촉진할 수 있는 환경을 구축하는 데 필요한 모든 구성요소를 모으는 과정에 있다. 또한, 야심찬 개발 계획과 기업 합병을 통해 고객이 다음 현대화로 나아가고자 할 때 이를 지원할 수 있는 역량을 갖추겠다는 포부를 분명히 밝히고 있다.

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quotation marks 개발과 운영 부문을 디지털 방 식으로 연결해 자동차를 보다 스마트하게 만드는 것이야말 로 그 다음 기술 혁명이 될 것 입니다. Bang Jae-Sung, Ph.D., Senior Engineer R&D Center Hyundai Motor Company