CAE 컨퍼런스 2021 발표 내용 정리 (4)
‘CAE 컨퍼런스 2021’이 지난 11월 12일 수원컨벤션센터에서 진행됐다. ‘제3회 스마트공장구축 및 생산자동화전’의 부대행사로 열린 이번 CAE 컨퍼런스는 ‘디지털 트윈과 VPD를 위한 시뮬레이션’을 주제로, CAE 기술을 중심으로 제품 개발의 새로운 패러다임을 제시하고 있는 디지털 트윈(Digital Twin)과 VPD(Virtual Product Development : 가상 제품 개발)를 집중 조명했다. ■ 정수진 편집장
미래 자동차의 핵심으로 꼽히는 자율주행과 전기자동차의 개발에서도 CAE는 중요한 역할을 맡고 있다.
헥사곤 매뉴팩처링 인텔리전스(구 한국엠에스씨소프트웨어)의 김진식 팀장은 ‘ADAS와 AV 시뮬레이션 환경 속에서 차량 모델의 중요성’을 주제로 발표를 진행했다.
ADAS(자동차 주행 보조 시스템)와 AV(자율주행자동차) 개발을 위해서는 실제 환경을 측정하고 후처리해 가상 환경을 모델링하고, 자동차의 물리적인 데이터를 측정하거나 가상 자동차 모델을 연계하는 등의 기술이 필요하다. 이렇게 만들어진 가상 세계에서 여러가지 변수나 시나리오를 반영해 AV의 제어 로직과 알고리즘을 개발하거나 검증할 수 있다.
가상 환경을 구축하는 방법은 도로, 건물 등을 3D로 모델링하거나 실제 환경을 측정하는 것이다. 또한 자동차의 디지털 모델은 자동차의 다양한 움직임을 시뮬레이션하는데, 정밀도를 높이는 것뿐 아니라 실시간으로 고정밀도의 자동차 모델을 구현하는 것이 최근의 개발 방향이다. 이를 위해서 다물체 동역학 모델을 드라이빙 시뮬레이터나 ADAS/AV 환경에 적용하는 움직임도 활발하다. 김진식 팀장은 “복잡한 자동차의 움직임을 정밀하게 구현하는 것은 센서 위치를 결정하거나 자동차 파워트레인(동력계)의 성능을 확인하는 등 개발 과정의 의사결정에 도움이 된다”고 설명했다.
가상 환경과 실시간 다물체 동역학 모델을 기반으로 드라이빙 시뮬레이터를 구성할 수도 있다. 이 시뮬레이터는 시간이나 날씨 등 다양한 주행 환경에서 자동차의 제어 알고리즘이 제대로 동작하는지를 효과적으로 확인할 수 있다. 김진식 팀장은 “헥사곤 매뉴팩처링 인텔리전스는 가상 환경부터 실시간 다물체 동역학 모델의 구축과 시뮬레이션을 위한 폭넓은 기술을 제공한다”고 소개했다.
▲ 헥사곤 매뉴팩처링 인텔리전스의 김진식 실장은 ADAS와 자율주행차 개발을 위한 가상 환경 구축과 실시간 동역학 해석 기술을 소개했다.
한국AVL의 심재영 선임팀장은 ‘고정확도 가상 배터리 애플리케이션의 개발 방법과 사례’를 소개했다.
최근 확산되고 있는 전기자동차를 구입할 때 주요한 고려 요소는 주행거리, 충전 속도, 안전성 등이 있다. 전기차에서 큰 비중을 차지하는 배터리를 개발할 때에도 이런 사용자의 요구수준에 맞춰야 하고, 배터리를 가상으로 테스트하고 시뮬레이션하는 작업이 중요해진다.
심재영 선임팀장은 “배터리 개발에서 가상 테스트를 빠르게 진행하려면 셀의 선택, 충전 속도의 검증, 시간 경과에 따른 성능 유지, 냉각 시스템의 최적 설계 등을 시뮬레이션으로 확인할 수 있어야 한다. 또한 배터리의 가장 작은 구성요소인 셀부터 모듈, 팩, 전체 자동차 레벨까지 가상으로 테스트해야 실질적인 배터리 성능을 확인할 수 있다”고 소개했다.
배터리 성능의 최적화를 위해서는 전기적 성능과 함께 물리적인 성능을 검토해야 하는데, 이 과정에서 시뮬레이션을 활용해 물리 테스트보다 빠르게 최적화할 수 있다. 또한, 시간이 지남에 따라 배터리 성능이 얼마나 유지되는지를 검증하는 과정을 실제 시험으로 확인하려면 시간이 많이 걸릴 수밖에 없다. 하지만 물리-화학 모델 기반의 시뮬레이션을 활용하면 다양한 시도를 빠르게 수행해 정확도 높은 결과를 확인할 수 있다.
심재영 선임팀장은 “배터리 안전성에 대한 검증도 시뮬레이션을 활용하면 인명 사고 없이 테스트를 할 수 있기 때문에, 시뮬레이션의 가치가 높다고 볼 수 있다”고 소개했다.
▲ 한국AVL의 심재영 선임팀장은 전기자동차의 배터리 개발에서 시뮬레이션을 활용한 가상 테스트의 가치를 짚었다.
LG전자의 김종수 책임연구원은 ‘가상 제품 개발 기법을 활용한 전기 모터 복합 냉각기술’ 발표를 통해, 모터의 개발 과정에서 시뮬레이션의 유용성을 설명했다.
전기 모터는 전력 공급 모듈, 인버터, 모터 등으로 구성된다. 전기자동차 등에 쓰이는 대용량 모터에는 발열로 인한 동력 손실을 줄이기 위해 냉각 장치가 들어가기도 한다. 이에 따라 냉각을 위한 오일류의 유체 해석 및 빠른 해석 결과 도출 등이 이슈가 되고 있다.
모터의 회전과 함께 오일의 와류(vortex)가 일어나는데, LG전자는 이를 검증하고 제품 개발에 반영하는데 시뮬레이션을 활용하고 있다. CFD는 회전 속도나 절연재의 영향으로 모터 내부에서 열전달 특성이 다르게 일어나는 현상을 확인할 수 있다. 또한, 모터의 열을 배출하기 위한 라디에이터를 설계하는 데에도 시뮬레이션이 쓰인다.
전류나 회전속도, 온도 등 다양한 요소를 고려하면서 모터의 설계를 최적화하는 과정에서 CFD를 활용한 가상 개발이 유용하다는 것이 김종수 책임연구원의 설명이다. 또한 CFD는 새로운 아이디어나 개선된 설계를 효과적으로 검증하는 도구로도 쓰인다. 김종수 책임연구원은 “시뮬레이션은 설계한 제품의 성능을 시각적으로 보여주기 때문에 제품 개발 과정의 커뮤니케이션에도 유용하다”고 전했다.
최근 HPC와 해석기법의 발전으로 CFD의 속도가 빨라졌지만, 여전히 복잡하고 시간이 많이 걸리는 작업이다. 그래서 LG전자에서는 다양한 모터 시스템의 온도를 빠르게 파악하기 위해 CFD 해석 결과를 후처리해서 1D 모델로 빠르게 확인하는 작업도 병행하고 있다고 한다.
▲ LG전자의 김종수 책임연구원은 전기자동차의 모터 설계를 최적화하는 시뮬레이션 활용 사례를 소개했다.
