타타자동차의 하이브리드 자동차 시뮬레이션

Sanjay Mane, TATA Motors

"NI 모듈형 하드웨어와 확장 소프트웨어를 사용하여 안정적이며 미래에도 사용할 수 있는 HIL 테스트 시스템을 구축했습니다.""

- Sanjay Mane, TATA Motors

과제:

타타자동차는 NI 모듈형 하드웨어와 확장 소프트웨어를 사용하여 하이브리드 자동차 시뮬레이션을 위한 HIL 테스트 시스템 구축하였습니다. 병렬 하이브리드 자동차의 통합을 검증하기 위해 확장 가능하고, 유연하고, 보편적으로 사용할 수 있는 HIL (hardware-in-the-loop) 플랫폼 개발.

솔루션:

PXI 플랫폼의 확장성과 NI VeriStand 소프트웨어의 기본 기능을 사용하여 두 달 안에 여섯 개의 서로 연결된 자동차 ECU를 함께 테스트할 수 있는 테스트 시스템 제작.

소개

Tata Motors는 인도 최대의 자동차 회사입니다. Tata는 모든 상용 자동차 부문에서 선두를 달리고 있으며 승용차 분야에서도 손가락에 꼽히는 기업으로, 소형, 중형, 다용도 차량 부문에서 여러 차례 상을 수상한 바 있습니다. 또한 세계 5위의 트럭 제조업체이자 4위의 버스 제조업체이기도 합니다.

 

Tata Motors의 고도 통합관리 팀(Advanced Integration Team)은 ECU (electronic control units) 및 계측기 클러스터와 같이 자동차의 주요 전자 부품 통합을 검증하는 업무를 맡고 있습니다. 또한 현장에서 발생한 오류에 대응하고 그를 해결하며 관련 팀에 피드백을 전달하는 일도 담당합니다. 보다 폭넓은 관점에서 보면, 고도 통합관리 팀은 자동차 개발 과정에서 설계 단계와 최종 배포 단계를 이어주는 다리의 역할을 한다고도 할 수 있습니다.

 

어플리케이션 세부사항

이 프로젝트의 목적은 손쉽게 맞춤 설정할 수 있어 간단한 변경만으로도 어떤 ECU든 테스트할 수 있는 범용 테스트 시스템을 구축하는 것이었습니다. 또한 시스템은 동시에 여러 ECU에 대응할 수 있도록 확장이 가능해야 하며, 때에 따라서는 서로 다른 ECU와 연동될 수 있도록 유연성을 갖추고 있어야 합니다.

 

우리는 곧 출시되는 병렬 하이브리드 자동차 중의 한 가지 모델에 대해, 실험실 환경에서 모든 ECU 및 전자 부품을 통합한 후 HIL 테스트를 통해 통합을 검증해보기로 했습니다. 최초의 물리적 프로토타입을 제작하기 전에 가능한 모든 현장 시나리오를 점검해보고 문제를 해결하고자 했습니다. 통합 테스트의 결과는 올바른 ECU 소프트웨어를 선택하고 다양한 벤더가 제공하는 여러 가지 기능 옵션을 평가하는데 큰 도움이 됩니다.

 

처음에 자동차 설계의 콘셉트를 잡을 때는 네 개의 주요 ECU 구성요소를 분리해서 각 요구사항에 대해 테스트 계획을 수립했습니다. 그 시점에서 NI가 아닌 다른 벤더의 HIL 시스템을 사용하기로 결정했습니다. 나중에는 해당 시스템을 구매했지요. 그와 동시에 다른 자동차 모델의 특정 ECU에 대해 HIL 테스트를 수행하기 위해 NI에서 제작한 PXI 시스템을 사용했는데, 모듈식으로 활용할 수 있는 PXI 기술에 크게 만족했습니다. PXI 플랫폼의 장점을 높이 평가한 우리는 향후의 요구사항을 충족시키는 데 사용할 수 있도록 NI에서 제작한 리얼타임 PXI 시스템을 구매하기로 했습니다.

 

그 후 몇 달에 걸쳐 자동차 설계가 보완되면서, 주요 ECU의 개수가 4개에서 6개로 늘어났습니다. 당시 사용하고 있던 타사의 HIL 시스템은 4개의 ECU라는 초기 요구사항에 맞춰 설계되어 있었기 때문에 채널이 모자랄 수 밖에 없었습니다. 따라서 리얼타임 NI PXI 시스템으로 바꾸게 되었고, NI VeriStand 소프트웨어로 작업을 하기 시작했습니다.

 

채널 요구사항을 충족시키기 위해 몇 개의 모듈을 추가했습니다. NI VeriStand 사용법을 금세 익히고 난 후 2달도 안되는 기간에 6개의 ECU를 테스트하기 위한 소프트웨어를 제작할 수 있었습니다.

 

 

 

시스템 아키텍처

여러 개의 공장 모델이 NI VeriStand 엔진 내부에서 동시에 실행되며, 이 엔진은 CAN (controller area network) 네트워크에 연결된 물리적 I/O를 통해 각각의 ECU와 통신합니다. 이렇게 하면 ECU가 공유 CAN 네트워크를 통해 서로 통신할 수 있습니다. 이 설정으로 배기가스 재순환 밸브, 모터, 전기적 부하 등을 포함한 몇 가지 물리적인 구성요소를 통합했습니다.\

 

대부분의 경우 모델 I/O는 하드웨어 I/O에 매핑됩니다. 그러나 캠 및 크랭크와 같은 일부 비표준 신호에는 인라인 프로세싱이 필요합니다. 우리는 NI LabVIEW FPGA 모듈과 NI 재구성 가능 I/O (RIO) 기술을 사용하여 이러한 신호의 고속 데이터 캡처 및 신호 프로세싱 기능을 NI VeriStand에 통합했으며, 이 VeriStand는 호환성이 높아 다양하게 사용할 수 있습니다.

 

 

 

테스트 과정에서는 운전 조건을 시뮬레이션하고 다양한 ECU에서 에러 프레임이나 진단 메시지가 나오지 않는지 모니터링했습니다. 이러한 에러 프레임은 통합의 품질을 나타내는 지표의 역할을 하므로 잠재적인 오류를 파악하는 데 유용합니다. 또한 ECU 펌웨어의 문제도 식별해냈습니다. 이러한 테스트 결과를 설계팀에 보냈으며, 필요한 경우에는 부품 공급업자에게 전달하기도 했습니다.

 

주요 장점

NI 제품을 기반으로 한 HIL 테스트 시스템은 이전에 사용하던 시스템의 단점을 보완해주었을 뿐만 아니라 다양한 측면에서 생산성을 향상시켰습니다. 주요 장점은 다음과 같습니다:

 

  • 확장성: 해당 프로젝트에는 확장 가능한 시스템이 필요했기 때문에 PXI를 사용하여 확장성을 확보했습니다. 필요한 시스템 채널의 개수는 시간이 지남에 따라 늘어날 수 있기 때문에 맞춤형 솔루션은 오히려 장애물로 작용합니다. PXI 섀시에 손쉽게 모듈을 추가할 수 있는 기능이 있으면 업그레이드 과정이 간단해지므로, 미래에도 사용할 수 있는 시스템을 구축할 수 있습니다.
  • 유연성: 향후에 다른 자동차 모델의 ECU 테스트에 재활용할 수 있는 시스템을 구축하고자 했습니다. 우리가 구축한 테스트 시스템에는 일반적인 하드웨어 모듈과 맞춤 설정 가능한 소프트웨어가 포함되어 있어 유연하게 활용할 수 있습니다. 딱 두 가지만 변경하면 똑같은 설정을 다른 ECU 세트에 사용할 수 있습니다. 새로운 공장 모델을 기반으로 하여 NI VeriStand 프로젝트를 새로 생성하고 테스트하고자 하는 ECU 세트를 물리적으로 연결하기만 하면 됩니다.
  • 생산성: 테스트할 물리적 ECU가 없는 경우도 있습니다. 이런 경우에는 실제 ECU 대신 ECU 시뮬레이션 모델을 사용하여 공장 모델을 매핑할 수 있습니다. 하드웨어 I/O를 모델 I/O 및 파라미터와 손쉽게 매핑할 수 있게 되면 생산성이 크게 향상됩니다. 혼자서 NI VeriStand 프로젝트를 진행했는데도 한 달 안에 소프트웨어를 제작할 수 있었습니다.
  • 하드웨어 품질: PXI 시스템은 타사 시스템과 비교할 때 품질과 신뢰성 면에서 뛰어납니다. 또한 FPGA를 프로그램할 수 있기 때문에 거의 완벽에 가까운 시스템 응답을 구현할 수 있습니다.

 

 

 

NI HIL 플랫폼을 선택한 이유

NI 모듈형 하드웨어와 확장 소프트웨어를 사용하여 미래에도 사용할 수 있고 안정적인 HIL 테스트 시스템을 구축했습니다. 시스템을 직접 맞춤 설정할 수 있게 됨으로써 신뢰할 수 있는 테스트 결과를 얻었고, NI의 지속적인 지원 덕분에 목표를 더욱 빨리 달성할 수 있었습니다.

 

필자 정보:

Sanjay Mane
TATA Motors

그림 1. 전체 시스템 아키텍처
그림 2. 시스템 사용자 인터페이스
그림 3. HIL 시스템 설정