Renault, Simcenter Amesim을 사용해 미래 하이브리드 및 전기차 개발 간소화

하이브리드 차량 개발의 복잡성

이산화탄소 배출 감축은 꾸준한 과제입니다. 모든 국가가 2026년까지 규제 목표치인 공통 수준에 도달한다는 점에서 그 중요성이 더욱 부각됐습니다. 미래 CO2 배출 기준을 준수하려면 차량 전기화가 필수적이며, 하이브리드 차량 개발은 ‘하면 좋은 것’ 에서 ‘반드시 해야 하는 것’이 됐습니다.

하이브리드 파워트레인은 기존 차량이나 전기차 같이 단일 에너지원을 사용하는 차량보다 훨씬 복잡한데, 다양한 아키텍처 조합이 가능하기 때문입니다. 예를 들어 병렬 하이브리드 차량에서는 여러 추진원이 개별적으로 사용되거나 통합해 사용될 수 있습니다. 직렬 하이브리드 차량에서 유일한 추진원은 전기 모터지만, 전기 에너지는 내연 엔진같은 다른 구성요소에서 나옵니다.

하이브리드 파워트레인이 갖는 다분야적 특성으로 인해 엔지니어는 각 에너지원이 필요로 하는 동력의 균형을 맞추고 다른 시스템 (트랜스미션, 냉각 시스템 등)이 차량 에너지 성능에 미치는 영향을 파악하고 최적의 옵션을 검증해야 합니다. 이 작업을 위해서는 여러 조합을 탐색해야 하며, 엔지니어는 적절한 제어 전략을 마련해야 합니다.

그러므로 다양한 하이브리드 파워트레인 아키텍처를 신속히 평가하고 가장 효율적인 아키텍처를 선택해 컴포넌트 특성을 비교하고 다양한 구동 패턴에서 이들의 성능을 평가해야 합니다. 하이브리드 파워트레인 설계 시에는 여러 물리 영역 관리가 필요하며, 설계 주기의 여러 단계에서 시스템 아키텍트, 프로젝트 관리자, 애플리케이션 전문가 등 여러 분야 전문가들의 협업이 이뤄져야 합니다. 혁신을 이루려면 이들 전문가가 복잡성을 해결하고 위험을 관리해야 합니다. 제품 복잡성 관리는 이러한 제품을 만드는 데 사용되는 프로세스의 복잡성과 제품 개발 및 제공에 관여하는 모든 관계자들 간 상호작용에 따르는 복잡성을 말하며, 이는 간단한 질문을 던집니다. 이 복잡성을 어떻게 간단하게 만들 것인가, 합리적인 비용으로 양질의 제품을 적시에 어떻게 제공할 것인가?

조기 설계 단계에서 내리는 기술적 의사 결정

세계 4위 규모의 자동차 제조사인 Renault-Nissan은 혁신과 차별화에 역점을 두고 있으며, 현재 차별화 요소 중 하나는 합리적인 비용에 친환경 차량을 제공하는 능력입니다. Renault-Nissan Alliance Group은 설계에서 재활용에 이르는 전체 라이프사이클에 걸쳐 자사 활동과 제품이 미치는 환경적 영향을 줄이는 데 전념하고 있습니다. 이 그룹은 이미 Renault Zoe 및 Nissan Leaf와 같은 완전 전기차로 전 세계 전기차 시장의 70%를 차지하며, 고급 하이브리드 아키텍처를 개발해 차량 범위를 확장하는 것을 목표로 합니다.

Eolab 컨셉트 차량이 첫 단계입니다. 작고 경제적인 Eolab은 시간당 최대 120km 속도로 60km 미만일 때 배출 제로인 초저연비를 제공하는 새로운 플러그인 하이브리드입니다. 이 “배출 제로” 하이브리드 기술이 향후 몇 년 내 Renault의 전기차 제품군을 완성하게 될 것입니다.

이 미래 기술을 개발하기 위해 Renault-Nissan Alliance는 현재 전용 툴과 방법을 구현 중입니다. 미래 프로젝트 혁신을 주도할 수 있는 적절한 CAE 방법과 수치 모델을 얻기 위해 테스트 및 디지털 엔지니어링 부서를 신설했습니다. 12명으로 구성된 이 부서의 한 팀은 메카트로닉 시스템 엔지니어 작업을 간소화하는 데 주력합니다. 엔지니어의 요구사항은 명확했습니다: 검증 루프를 사용해 사전 설계 단계에서 의사 결정을 쉽게 할 수 있도록 하이브리드 구성의 에너지 합성을 평가할 협업 플랫폼이 필요했습니다.

엔지니어는 연료 소비 목표치를 빠르게 확인하고 프로젝트 로드맵을 계획하며 다양한 서브시스템 크기를 조정해야 합니다. 이들에겐 선택한 하이브리드 아키텍처의 최적화를 간소화할 수 있는 사용하기 쉬운 다중물리 시뮬레이션 환경이 필요합니다. 이 플랫폼은 전문가의 경우 커스터마이제이션 용으로, 비전문가의 경우 신속한 매개변수 조합 테스트 용으로 사용합니다. 이들의 요구사항을 충족하기 위해 Renault는 PLM (product lifecycle management) 전문 기업인 Siemens Digital Industries Software의 툴과 전문 인력의 지원을 받아 GREEN (Global and Rational Energy EfficieNcy)이라는 이름의 에너지 합성 시뮬레이션 플랫폼을 개발했습니다.

가상 협업 설계 플랫폼

테스트 및 디지털 엔지니어링 부서에서 개발한 GREEN 플랫폼은 Simcenter Amesim 소프트웨어, MATLAB® 환경, Simulink® 환경 및 Excel® 스프레드시트 소프트웨어 파일 리포지토리에 연결된 애플리케이션용 GUI입니다. 엔지니어는 이 플랫폼을 사용해 모델을 신속히 매개변수화하고 시뮬레이션을 실행하며 결과를 포스트프로세싱 할 수 있습니다. 여기에는 사용자가 여러 하이브리드 아키텍처 중에서 선택할 수 있는 사전 구축된 포괄적 하이브리드 차량 구성기가 포함돼 있습니다. 이 부서는 또한 개별적으로 활성화/비활성화 할 수 있는 “매개변수화 가능한” 서브시스템으로 구성된 일반 플랜트 모델 아키텍처를 개발했습니다.

일반적인 물리적 플랜트 모델은 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter Amesim을 사용해 생성됩니다. 에너지 관리와 고급 제어 전략은 Simulink가 지원합니다. 사용자는 수동, 자동, 로봇식, 이중 클러치 변속기를 사용하는 하이브리 차량을 만들 수 있으며, 다른 옵션에서도 앞뒤 차축과 클러치 전후에서 전기 모터를 찾을 수 있습니다. 아키텍처가 설정되면 30kW 또는 50kW 전기 기계, 1.6 또는 2L 디젤 엔진 등과 같은 모든 서브시스템 크기를 지정할 수 있습니다. 어느 조합이나 쉽게 구성할 수 있습니다.

그러면 엔지니어는 에너지 전략을 구성하고 최적화 해 연소 엔진을 시작할 시점, 토크 수준, 전기 엔진이 내연 엔진으로 넘어가는 시점과 방법을 지정합니다. 아키텍처 정의와 서브시스템 선택이 완료되면 GREEN 플랫폼의 포스트프로세싱 기능이 자동으로 선택한 메카트로닉스 아키텍처와 컴포넌트 매개변수에 맞게 에너지 관리 전략을 최적화합니다.

엔지니어는 이 기능을 활용해 에너지 관리 전략을 세울 필요 없이 아키텍처를 선택하고 사용자 친화적인 통합 워크플로를 사용해 매개변수와 다양한 롤링 시나리오를 시각화합니다. 새로운 에너지 관리 및 제어 전략은 특정 조사에 필요한 대로, 고급 사용자가 필요로 하는 대로 쉽게 테스트할 수 있습니다.

엔지니어는 GREEN 플랫폼의 유연성과 이점을 활용해 몇 시간 내에 아키텍처와 선택한 서브시스템, 에너지 관리 제어 전략을 지정하고 검증할 수 있습니다. 이 플랫폼은 공통 언어로 의사소통과 의사결정을 촉진해 같은 프로젝트에 참여하는 다양한 도메인 전문가와 애플리케이션 엔지니어를 한데 통합시킵니다. 테스트 및 디지털 부서에서 하이브리드/전기 시스템 방법 및 시뮬레이션 매니저를 맡고 있는 Eric Chauvelier는 “Simcenter Amesim으로 구동하는 GREEN 플랫폼 여러 도메인 전문가와 시스템 엔지니어를 통합하고 협업 경험이 없는 팀의 협업을 지원하며 엔지니어링 문제에 대해 의사소통해 공통 해법을 찾을 수 있게 해줍니다” 라고 말합니다. 플랫폼을 통해 나오는 결과는 연료 및 에너지 소비, 성능, 파워트레인 작동 지점, 드라이브라인 전반에 걸친 에너지 흐름을 보여줍니다. 또한 실제 특성이나 제어 매개변수에 대한 민감도 조사는 이 툴로 쉽게 관리할 수 있습니다.

Simcenter Amesim의 이점

GREEN 솔루션의 새로운 GUI는 Simcenter Amesim에 기반해 개발됐습니다. Chauvelier는 "Siemens Digital Industries Software의 메카트로닉스 시스템 시뮬레이션 플랫폼은 기성품이지만 커스터마이즈 가능하며 검증된 컴포넌트로, 서브시스템부터 시스템 통합에 이르는 전체 차량 아키텍처를 구축할 수 있습니다. Simcenter Amesim은 유연하면서도 강력한 백본입니다. Simcenter Amesim만의 멀티-레벨 방식은 초기 아키텍처 정의를 위한 맵 기반부터 고급 엔지니어링을 위한 상세 모델과 액추에이션에 이르는 모든 설계 단계에 들어 맞는 컴포넌트를 제공해 서브시스템과 컴포넌트를 최적화합니다. 또한 다중 도메인 방식으로 전기 모터, 내연 엔진, 변속기 시스템과 같은 다양한 구동계 컴포넌트를 모델링할 수 있으며, 연료 소비, 배출 가스, 성능 및 주행성과 같은 여러 차량 속성을 조화시킬 수 있습니다."

Renault는 GREEN 툴을 개발하기 위해 Siemens Digital Industries Software의 도움을 많이 받았습니다. Siemens 팀의 지원과 전문성은 Renault에 매우 중요했으며, 플랫폼 개발 과정에서 중요한 문제를 해결하는 데 도움이 됐습니다. Simcenter 엔지니어는 고객의 엔지니어링 과제에 대한 완벽한 이해도를 갖췄으며, 수치 시뮬레이션 기법의 마스터이기도 합니다.

또한 Simcenter Amesim은 그 잠재력을 인정 받아 선택됐으며, GREEN 플랫폼이 새로운 차량 설계 요구사항을 관리할 수 있도록 한층 발전시키는 데 도움이 됐습니다. Simcenter Amesim의 개방성은 모델을 간소화된 방식으로 발전시키고 내장 제어 기능 및 다른 플랫폼 또는 모델과 상호작용할 수 있게 합니다.

Simcenter Amesim은 MATLAB 및 Simulink와의 연동 해석으로 제어 가독성과 임베디드 코드와의 상호작용을 향상시킬 수 있는 매우 유연한 플랫폼으로 입증됐습니다. 엔지니어는 Python 오픈 소스 프로그래밍 언어 및 MATLAB 고급 컴퓨팅 언어를 사용해 스크립트를 생성하는 기능을 사용해 데이터, 계산, 시뮬레이션 시작, 사용 사례, 해석 및 합성 등과 같은 다양한 합성 조사 워크플로를 제어할 수 있으며, 이는 복잡한 모델을 원활히 실행할 수 있게 해줍니다.

Simcenter Amesim의 유연성은 GREEN 플랫폼을 발전 시켜 기존 파워트레인 해석을 확장하고 열적 쾌적성, 보드 네트워크 에너지 관리, 주행성, 배기가스 등을 포함한 다른 주요 속성을 사용해 연료 소비와 성능 간 트레이드-오프 해석을 수행할 수 있습니다.