전기 자동차용 자동화 테스트

Mark McDonnell, Protean Electric Ltd.

"최대 3주의 시간이 필요했던 테스트들을, 이제는 인력 없이 12시간 만에 완료할 수 있는 자동화 테스트로 진행할 수 있게 되어, 결과적으로 엔지니어들이 몇 개월 동안 수행해야 했던 업무를 줄일 수 있게 되었습니다."

- Mark McDonnell, Protean Electric Ltd.

과제:

NI의 진화된 전기 자동차용 차량 내 전기 구동 시스템의 자동화 다이나모 테스트를 통해서 시간과 비용을 획기적으로 절감하실 수 있습니다. 중요한 테스트를 자동화하고, 통합된 모터 및 인버터를 특성화하며, 모든 성능 부분을 처리하여 테스트에 필요한 시간 절감

솔루션:

NI LabVIEW 소프트웨어와 NI CompactDAQ 하드웨어를 이용하여 자동화를 구현함으로써 시간과 비용을 획기적으로 절감

Protean Drive 시스템은 하이브리드 및 배터리형 전기 자동차 (BEV)용 in-wheel 전기 구동 시스템입니다. Protean Electric은 업계를 선도하는 청정 기술 업체로서, 기존 하이브리드 자동차 플랫폼에 비해 많은 장점을 제공하는 추진 시스템을 개발했습니다. Protean Drive 시스템의 통합형 모터 및 인버터는 자동차의 성능이나 비용 손실 없이 풀 사이즈 세단과 SUV를 전기 자동차로 개조하는데 필요한 고전력과 토크 밀도를 제공합니다. 또한 이 시스템에서는 나중에 배터리로 다시 공급되는 수많은 양의 운동 에너지를 다시 캡쳐하기 위한 풀 회생 제동이 가능합니다. 이 시스템은 패키지형 in-wheel로서, 외부의 모든 변속기 컴포넌트들이 불필요하므로, 차량내에 탑승자와 배터리를 위한 넓은 공간이 확보할 수 있습니다. 또한 이 시스템은 각 휠의 독립적인 토크 컨트롤을 통해 고급 자동차 역학을 제공합니다.

 

Protean Electric은 전세계 주요 자동차 제조업체들과 긴밀히 협력하고 있으며, 영국의 디자인 시설은 Protean Drive 시스템의 프로토타이핑, 테스트 및 소규모 생산에 이용됩니다.

 

해결 과제: 시간 및 비용

혁신적인 구동 장치를 개발하려면 통합형 모터 및 인버터의 모든 성능 부분을 처리하기 위해 상당히 많은 테스트와 특성화가 필요합니다. 특성화는 내부 (in-house)의 다이나모에서 수행되며, 컨트롤과 데이터 수집을 위해 여러 다른 시스템과의 연동이 필요합니다. Protean Drive 시스템과 다이나모는 CAN을 통해 별도로 제어되며 테스트 동안, 여러 개의 CAN 채널, 압력, 온도, 전압, 전류 및 디지털 입력 등 다양한 입력채널로부터 대규모의 데이터를 수집합니다.

 

시스템 개발의 목표는 이러한 테스트를 자동화하여 특성화 수행에 드는 시간을 절감하는 것이었습니다. 여러가지 타사 제품을 이용하여 다양한 속도와 도로 범위에서 주행 성능과 회생 제동 성능을 모두 수동으로 테스트하려면 한 명의 엔지니어를 최대 2주 동안 투입해야 했습니다. 그 다음 여러 소스로부터 로깅된 데이터를 처리하고 컴파일하는 데 한 주의 시간이 필요합니다. 많은 반복을 구현하고 좋은 평균 성능을 얻기 위해서는 각각의 새 제품이 대량의 샘플에서 반드시 특성화되어야 합니다. 따라서 전체적인 테스트를 완료하려면 몇 개월간의 시간이 필요하게 됩니다.

 

솔루션

내쇼날인스트루먼트가 제공하는 하드웨어와 소프트웨어를 이용하여 자동화를 구현함으로써 시간과 비용이 획기적으로 줄어든 시스템을 개발할 수 있게 되었습니다. LabVIEW는 업계에서 이미 널리 채택되고 있으며, 타사 제조업체가 제공하는 하드웨어와의 호환성이 뛰어나기 때문에 선택하게 되었습니다.

 

LabVIEW를 이용하여 CAN을 통해 Protean Drive 시스템과 다이나모 모두를 독립적으로 제어할 수 있을 뿐 아니라 통합형 오류 모니터링 및 데이터 로깅을 제공하는 자동화 컨트롤 프로그램을 구성할 수 있었습니다. 또한, LabVIEW에서 제공하는 드라이버를 통해 타사의 CAN 하드웨어와 통합하는 작업이 간단해졌기 때문에 개발 시간이 획기적으로 줄일 수 있었습니다.

 

사용자는 LabVIEW 컨트롤 프로그램을 이용하여 스프레드시트 포맷으로 사전 정의된 테스트 사이클을 생성하여 필요할 때 언제든 로딩하고 실행할 수 있습니다. 프로그램에는 사용 가능한 모든 입력을 기반으로 사이클의 특정 섹션 루핑 또는 조건을 실행할 수 있는 옵션이 포함되어 있습니다. 추가적으로 LabVIEW PID and Fuzzy Logic Toolkit을 이용하여 토크, 속도, 온도, 기타 측정된 변수를 자동 제어할 수 있었으며, 시스템을 완전히 자동화하기 위해 모든 유형의 오류를 모니터링하고 실패 시 안전하게 장비를 차단할 수 있는 에러 핸들링 시스템도 포함시켰습니다. 이를 통해, 장비가 사람의 운영 또는 감시 없이 완전히 자동으로 실행이 가능하게 되었습니다.

 

그 외에 NI CompactDAQ과 C 시리즈 모듈을 이용하여 데이터 로깅을 추가했습니다. NI CompactDAQ의 모듈형 특성과 다양한 구성 옵션은 측정하는 모든 온도, 전압 및 디지털 입력을 한 대의 장비에 통합하여 연결하는 것을 가능하게 하였습니다. LabVIEW와 NI CompactDAQ 시스템간의 긴밀한 소프트웨어 및 하드웨어 통합을 통해 단일 프로그램에서 모든 유형의 데이터를 로깅하였기 때문에 데이터를 관리하기가 훨씬 쉬워졌습니다. 또한 LabVIEW 프로그램은 테스트 실행 도중 데이터를 수집하고 자동으로 처리 및 정리하기 때문에 최종 단계에서 수동 처리가 필요가 없습니다. 마지막으로 시스템은 LabVIEW Report Generation Toolkit을 이용하여 관리자와 고객들에게 제시하기 위한 표준 Windows 포맷의 보고서를 제공할 수 있도록 구성하였습니다.

 

장점

LabVIEW 소프트웨어와 NI CompactDAQ 하드웨어를 이용하여 생성한 통합형 자동화 시스템은 제품 테스트에 혁신을 가져다 주었습니다. 최대 3주의 시간이 필요했던 테스트가 이제는 인력 없이 자동화 테스트를 통해 12시간 만에 완료할 수 있게 되었고, 결과적으로 엔지니어들이 몇 개월 동안 수행해야 하는 업무량을 줄일 수 있게 되었습니다. 또한 수동 제어로는 불가능했던 빠른 속도와 토크 변화로 표준 자동차 업계 구동 사이클을 수행할 수 있게 되었습니다.

 

이 밖에도, 수집하는 데이터는 그 이전보다 훨씬 더 상세해졌습니다. 또한 모든 테스트가 운영자의 영향을 받지 않고 정확히 수행되기 때문에 훨씬 더 정확했으며 많은 반복을 실행할 수 있었습니다.

 

추가 개선

최근에는 추가적으로 NI CompactDAQ 하드웨어를 구매하여 동일 시스템을 테스트 장치뿐 아니라 최종 라인의 생산 테스트에까지 확장하는 프로세스를 진행하고 있습니다. NI Developer Suite에 포함되어 있는 코드 배포 도구는 소프트웨어 패키지를 쉽게 배포하도록 도움을 주었기 때문에 컨트롤 소프트웨어를 설치하고 NI CompaactDAQ을 설치만 하면 될 정도로 확장은 간단한 작업이 되었습니다.

 

필자 정보:

Mark McDonnell
Protean Electric Ltd.
Silvertree, Unit 10B, Coxbridge Business Park
Farnham GU10 5EH
United Kingdom
mark.mcdonnell@proteanelectric.com

그림 1: Protean Drive 내부의 휠 단면도
그림 2: Protean Drive가 설치된 SUV
그림 3: CompactDAQ 테스트
그림 4: LabVIEW 프런트 패널