자동차의 전자화

By Alberto Bassanese, Manager, Multiphysics and Optimization, Lucid Motors, Menlo Park, USA

Lucid의 새로운 최고급 EV(전기 자동차, electric vehicle)는 고급 EV 시장을 선점하고 있는 선진 업체와 경쟁하기 위하여 개발되었습니다. Lucid의 엔지니어들은 ANSYS의 다중 물리 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여 전기 자동차의 다양한 성능을 확인하기 위한 디지털 프로토타입을 제작하고 시뮬레이션함으로써 차량 성능의 대부분을 개선할 수 있었습니다. 특히 통합 엔지니어링 시뮬레이션 플랫폼은 설계팀이 손쉽게 다양한 서로 다른 공학적 원리들을 함께 고려하여 설계할 수 있도록 도와줌으로써 자동차의 성능을 크게 개선하였을 뿐 아니라 설계팀의 기술력도 크게 향상시켰습니다.

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Electrifying vehicle

"Lucid는 ANSYS의 다중 물리 시뮬레이션 플랫폼을 통해 고객의 요구를 반영, 엔지니어링 문제를 해결하며, 하위 시스템과 모듈을 최적화하고, 각종 규제를 만족하는 세계 정상급 전기 자동차를 출시할 수 있었습니다."

aerodynamics
aerodynamics
aerodynamics
ANSYS CFD was used to optimize vehicle aerodynamics.

 

lucid media

Lucid designs its vehicles with a single engineering team that works together instead of in separate groups.

L ucid Motors는 불과 2~3년 만에 새로운 최고급 EV를 개발하면서, 많은 기술적인 어려움과 복잡한 환경 규제 그리고 100년 이상 앞선 선진 기업들과의 경쟁에 직면했습니다. 반면 신생 업체이기 때문에 기존 설계 방법에 구애받지 않고 최고 수준의 개발 방법을 채택할 수 있다는 장점도 있었습니다. Lucid Motors는 EV 개발과 관련된 기술팀들 - 전자기, 열, 구조 및 공력해석팀들이 동일한 사무실에서 함께 개발하는 독창적인 개발 방식을 채택하여 설계 단계 초기부터 서로 다른 기술팀 간의 협업을 장려하였습니다. Lucid Motors는 ANSYS 다중 물리 시뮬레이션 소프트웨어를 ANSYS Workbench 환경으로 통합하여 모든 기술팀이 이 통합 시뮬레이션 플랫폼을 사용하도록 하였습니다. 이로써 여러 기술팀 간의 협력을 증대시키고 엔지니어링 프로세스를 효율적으로 운영할 수 있었으며, 이를 통해 EV를 구성하는 모든 하위 시스템을 한 번에 최적화할 수 있었습니다. Lucid는 이러한 독창적인 개발 방식을 통해 고객의 요구 사항을 기술하고, 엔지니어링 문제를 해결하며, 하위 시스템과 모듈을 최적화하고, 각종 규제를 만족하는 세계 정상급 전기 자동차를 출시할 수 있었습니다. 또한, 통합 시뮬레이션 플랫폼을 통해 서로 다른 엔지니어링 문제를 별도의 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 개별적으로 해결하 던 전통적인 엔지니어링 방법에 비해 개발 기간을 크게 단축하였습니다.

core loss simulation

ANSYS Maxwell core losses were mapped into ANSYS Fluent to improve the motor design.

항력 줄이기

Lucid의 공력 엔지니어들은 항력 계수를 최소화하도록 차제와 공기 흡입 및 덕트 시스템을 개발할 수 있는 ANSYS Adjoint Solver가 탑재된 ANSYS 시뮬레이션 플랫폼의 핵심 전산 유체 역학(CFD) 소프트웨어인 ANSYS Fluent를 사용하였습니다. Lucid의 엔지니어들은 통합 ANSYS 플랫폼이 제공하는 고급 파라메트릭 분석 도구인 ANSYS DesignXplorer를 활용하여 다양한 차량 형상에 대한 공력 특성을 결정하기 위해 CFD 시뮬레이션을 수행하였습니다. 이 시뮬레이션은 응답 표면, 감도 차트, 파레토플롯 및 트레이드 오프 플롯의 형태로 다양한 차체의 항력 결과에 대한 상세한 가이드를 제공하였습니다. 이러한 정보를 바탕으로 디자이너와 공력엔지니어가 항력 특성을 비롯한 다른 기술적인 요구 사항들을 만족하면서도 자동차의 디자인 컨셉에도 부합하는 자체 디자인을 함께 결정하였습니다.

multiphase VOF

ANSYS Fluent 오일 냉각 과도 해석 시 오일 분포

모터 최적화

Lucid 설계팀은 전기 모터와 액추에이터, 센서, 변압기, 기타 전기·전자장치 및 전기기계장치의 설계와 분석을 위해 ANSYS 플랫폼 내의 전자기장 시뮬레이션 소프트웨어인 ANSYS Maxwell을 사용하였습니다. 설계팀은 Maxwell을 사용하여 모터의 전자기 손실을 계산하였으며, ANSYS 시뮬레이션 플랫폼의 근간을 ANSYS Workbench를 통하여 계산된 전력 손실 정보를 ANSYS Fluent 시뮬레이션의 입력값으로 제공함으로써 모터의 정확한 동작 온도를 계산하였습니다. 모터를 냉각시키는 데는 두 개의 시스템이 사용됩니다. 첫 번째는 모터 케이스에 몰딩된 냉각수 재킷이고, 두 번째는 모터에서 가장 뜨거운 부분인 회전자와 와인딩에 주입하는 변속기 오일입니다. 엔지니어는 이 두 냉각 시스템을 시뮬레이션하기 위해서 오일과 냉각수라는 두가지 결합 모델을 사용하였습니다. 오일에 의해 냉각되는 영역을 해석하기 위해 유동체적에 대한 다상 과도 해석을 사용하였습니다. 이 모델은 오일에 젖은 표면의 열전달 계수와 국부적인 오일의 온도를 계산합니다. 엔지니어들은 정상 상태 복합 열전달(steady-state conjugate heat transfer) 기술을 사용하는 ANSYS Fluent의 냉각수 모델을 사용하여 모터의 부품 온도를 계산하였습니다.

ANSYS Fluent CHT
ANSYS Fluent CHT
ANSYS Fluent CHT
ANSYS Fluent 복합 열전달 시뮬레이션 온도 등고선

냉각수 모델을 사용하여 계산된 온도를 오일 모델의 경계값으로 사용하여 시뮬레이션을 다시 실행하였고, 이렇게 계산된 오일 모델의 온도를 냉각수 모델의 경계값으로 사용하여 시뮬레이션을 반복하였습니다. 두 모델이 같은 온도로 수렴될 때까지 이와 같은 시뮬레이션을 반복 수행하였습니다. 온도가 수렴하자 Lucid 엔지니어는 ANSYS Workbench를 이용하여 모터의 온도 분포를 ANSYS Mechanical 구조 모델에 매핑하여 모터가 기대 수명까지 동작할 수 있는지를 확인하기 위한 피로 해석을 수행하였습니다. Lucid 엔지니어는 시뮬레이션을 사용하여 모터의 전력 밀도와 에너지 효율을 12% 향상시켰습니다. 시뮬레이션을 통해 얻은 온도 예측 결과는 3%의 오차 범위 내에서 실제 측정 결과와 일치하였습니다.

모터 설계의 또 다른 중요한 요소는 다양한 동작 조건에서 모터의 손실을 최소화하기 위해 제어 알고리즘에 내장되어 사용되는 회전자 플럭스 맵을 작성하는 것입니다. 엔지니어들은 ANSYS MaxwellANSYS Electric Machine Design Toolkit을 사용하여 모터의 토크-속도 곡선, 효율 맵 및 기타 성능 곡선을 계산하였습니다. 엔지니어들은 주파수와 슬립 조건, 입력 전류와 같은 매개 변수의 변경에 따른 회전자의 플럭스 맵을 생성하여 제어 알고리즘의 참조표(lookup table)로 제공하였습니다. 플럭스는 동작 중인 자동차의 PWM(pulse width modulation) 전압으로 변환됩니다. 시뮬레이션을 이용하여 회전자 플럭스 맵을 작성함으로써 측정을 통해 회전자 플럭스 맵을 생성하는 기존의 방법에 비해 작업 시간을 80% 단축하였습니다.

"Lucid 엔지니어는 시뮬레이션을 사용하여 모터의 전력 밀도와 에너지 효율을 12% 향상시켰습니다."

인버터 냉각

인버터는 자동차에 필요한 전원을 공급하기 위해서 저전압 DC를 고전압 AC로 변환시켜줍니다. 일반적으로 이러한 변환 과정에서 엄청난 양의 열이 발생하는데, 이 열이 인버터의 접합 허용 온도를 초과하여 인버터가 파괴되지 않도록 반드시 제거해주어야 합니다. 이를 위해 Lucid 엔지니어는 파라메트릭 변수를 이용하여 인버터 모델을 생성하였고, ANSYS 플랫폼과 잘 연동되는 타사의 최적화 소프트웨어인 modeFRONTIER를 사용하여 모터의 핀 형상과 인버터 하우징을 통해 냉각수가 이동하는 채널의 단면과 같은 주요 설계 변수를 최적화하였습니다. 그런 다음 모핑(morphing) 메쉬를 사용하여 냉각수가 오르내리는 파이프와 연결된 매니폴드의 형상을 최적화하기 위해 ANSYS Adjoint Solver를 사용하였습니다. 이 과정을 거쳐 서로 다른 전력 변환 트랜지스터의 온도 차를 서로 4°C 이내로 유지하면서 트랜지스터의 최고 온도를 18°C까지 낮추었습니다. 동시에 냉각 시스템의 압력 강하를 1/3로 줄이고 인버터 하우징의 부피와 중량을 15% 감소시켰습니다.

inverter cooling

inverter cooling

ANSYS CFD를 이용한 인버터 냉각 시스템 시뮬레이션

channel optimization

ANSYS Fluent 및 ANSYS Simplorer를 사용하여 Nurburgring Grand Prix 레이스 트랙 주행 조건에 대한 배터리의 과도 열 성능을 모델링하였습니다.

inverter temperature

ANSYS CFD 결과는 여러 IGBT가 분산되어 있음에도 인버터 온도 분포가 균일함을 보여줍니다.

배터리 수명 증가

또한, Lucid 엔지니어는 ANSYS 플랫폼의 구조 역학 시뮬레이션 소프트웨어인 ANSYS MechanicalANSYS Fluent를 통합한 ANSYS Workbench를 사용하여 배터리의 충·방전 과정에서 발생하는 전극의 열화 현상을 시뮬레이션하였습니다. 여러 다른 주행 조건에서 전극을 열화시킬 수 있는 잠재적인 위험 요인을 이해함으로써, Lucid 엔지니어는 배터리 수명을 상당히 증가시켰습니다. 시뮬레이션 결과는 Nurburgring 레이스 트랙을 주행하는 조건에서 배터리 성능을 시뮬레이션하는 데 사용되는 차수 축소 모델( reduced-order model)로 축약되었습니다.

battery thermal peformance

ANSYS Fluent 및 ANSYS Simplorer를 사용하여 Nurburgring Grand Prix 레이스 트랙 주행 조건에 대한 배터리의 과도 열 성능을 모델링하였습니다.

"Lucid는 설계 전반에 걸쳐 ANSYS의 통합 플랫폼을 통하여 시뮬레이션을 광범위하게 적용하여 시장에 성공적으로 진입하였습니다."

시뮬레이션을 통해 엔지니어는 자동차의 주요 특성을 향상시킬 수 있습니다. 예를들어, 기존에는 자동차 바닥에 평평한 배터리 패널을 쌓는 방식으로 배터리 팩을 구성하였습니다. 이러한 방식은 비틀림 강성을 높이고 무게 중심을 낮추는 장점이 있지만, 사람이 다리를 뻗을 수 있는 공간을 줄입니다. Lucid 엔지니어들은 시뮬레이션을 사용하여 전면의 인버터 모터와 HVAC (난방 환기공조) 장치의 크기를 줄임으로써 이 부분에 배터리 팩을 더 쌓을 수 있는공간을 확보했습니다. 이로써 평평했던 배터리 팩을 재배치하여 탑승자 공간 아래의 높이를 낮출 수 있었고, 탑승자가 편안하게 다리를 뻗을 수 있는 설계가 가능하게 되었습니다.

roomy interior

팩을 재배치하여 탑승자 공간을 넓혔습니다.

Lucid는 설계의 전 과정에 걸쳐 ANSYS의 통합 플랫폼을 통하여 시뮬레이션을 광범위하게 적용함으로써 기존의 EV 경쟁사에 대하여 성공적으로 자신의 입지를 확보할 수 있었습니다. 서로 다른 기술 분야의 엔지니어들이 ANSYS 통합 플랫폼 내에서 ANSYS 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 제품의 복잡한 다중 물리 특성을 고려한 디지털 탐색을 수행합니다. 그 결과, 새로 개발한 Lucid Air의 외관은 메르세데스 E-클래스 차량보다 약간 크지만, 실내 공간은 메르세데스 S-클래스 차량보다 더 넓습니다. Lucid는 2019년 애리조나 주에 있는 7억 달러 규모의 새로운 공장에서 생산에 들어갈 예정인 Lucid Air의 예약을 받고 있으며, 경쟁사보다 훨씬 짧은 시간에 최고 수준의 자동차를 배송할 예정입니다.

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