Advancing Subaru Hybrid Vehicle Testing Through Hardware-in-the-Loop Simulation

오늘날의 자동차는 차량의 다양한 기능과 고급 제어 기능을 관리하기 위해 엄청난 개수의 전자 제어 장치(ECU)를 갖추고 있습니다. 모터 ECU는 특히 하이브리드 자동차에서 더욱 중요한 역할을 합니다. 하이브리드 자동차에는 기존의 엔진과 함께 전자 모터가 파워 트레인에 사용되기 때문입니다.

후지 중공업에서는 새로운 하이브리드 자동차 "SUBARU XV HYBRID" 개발을 시작했습니다. 이 "SUBARU XV HYBRID"는 우리가 일본 내수 시장과 북미 시장을 타겟으로 개발을 시작한 최초의 양산형 하이브리드 자동차 모델입니다. 당시 하이브리드 자동차의 초기 시제품 모델에 사용하기 위해 사내에서 개발한 모터 ECU가 이미 있는 상태였습니다. 이 시제품은 단순히 하이브리드 자동차의 기본 기능과 성능을 구현하는 수준이었습니다.

그러나 양산형 모델 자동차의 모터 ECU는 다양한 주행 조건 또는 내부/외부 요인 하에서 자동차의 차체 손상을 막고 운전자/동승자의 안전을 보장하기 위해 여러 가지 제어 기능까지 갖추어야 합니다. 이러한 기능을 위해 제어 알고리즘을 개발하는 것은 처음이었습니다. 뿐만 아니라, 이 복잡한 제어 알고리즘과 ECU 하드웨어를 양산형 모델 자동차에 적합한 품질 수준까지 검증하기 위해 하드웨어와 소프트웨어도 개발해야 했습니다. 또한 스바루의 R&D에서는 품질이 가장 중요한 표준이며, EV 시스템은 ASIL C로 분류되어 있어 기능 안전 표준 ISO26262 역시 고려해야 했습니다.

새로운 접근 방식

우리는 모터 ECU에 소프트웨어를 배포하여 모터 제어 알고리즘을 실행하기로 결정했습니다. 제어 품질을 확보하기 위해 소프트웨어를 충분히 검증해야 했습니다. 검증 시스템을 제작하는데 있어서 다음과 같은 세 가지 목표를 세웠습니다:

● 테스트 시나리오(일반적인 주행 상황에서는 발생하기 어려운 극한의 조건 포함)

● 요구사항의 표준화, 스펙 및 검증

● 설계 변경의 영향을 확인하기 위한 회귀 테스트용 소프트웨어

실제 모터와 모터 ECU만을 사용하여 이러한 세 가지 목표를 모두 달성하는 것은 매우 어려운 일이었습니다. 따라서 우리는 "V 다이어그램"을 따라 설계/검증 과정을 시작하기로 결정했습니다(그림 1). 그렇게 하기 위해 이러한 세 가지 목표를 충족시키는데 매우 중요하며 핵심적 요소인 HILS (Hardware-in-the-Loop simulation) 시스템을 설계 했습니다. 그 결과 실제 테스트 벤치가 아닌 HILS 시스템을 사용하여 모터와 파워 일렉트로닉스 동작을 시뮬레이션하고 모터 ECU를 검증하게 되었습니다. 검증을 위해서는 모든 유형의 테스트 항목을 포괄적으로 다루어야 하며, 여기에는 실제 모터를 사용해서 재현하기에는 불가능에 가까운 조건도 포함됩니다. 뿐만 아니라 이 시스템의 주요 목표 중 하나가 추적 가능성이므로 테스트 결과도 자동으로 기록되도록 했습니다. 마지막으로 세 번째 목표를 충족하기 위해 자동화된 테스트 시스템을 제작하여 성능 회귀 테스트를 실시하고자 했습니다.

예를 들면 자동차가 마찰이 높은 도로에서 주행하다가 마찰이 낮은 도로를 주행하게 되면(u-split) 엔진 RPM이 2000 rpm에서 10000 rpm 등으로 갑자기 높아집니다.  실생활에서는 충분히 발생할 수 있는 상황이지만 실제 모터 벤치로는 이러한 상황을 재현하는 것이 불가능합니다. 따라서 운전자가 이와 같은 상황을 재현할 수 있을 때까지 몇 차례나 테스트 주행을 실시해야 하는 경우가 많이 있습니다.

성공적인 시스템 구성

이 새로운 검증 시스템은 실제 모터 ECU와 모터의 작동을 시뮬레이션하는 HILS 시스템으로 구성되어 있습니다(그림 2). HILS 시스템은 ECU에서 신호를 받아 모터의 응답을 시뮬레이션하며, 시뮬레이션된 토크, 속도, 전류 값을 제공합니다. 모터 ECU가 특정 토크와 회전 속도 파라미터로 테스트 패턴을 실행하면 HILS 시스템은 매번 새로운 테스트 패턴에 다이나믹하게 대응합니다. 그 다음 시뮬레이션된 동작을 확인하여 예상한 값과 일치 하는지 확인 합니다.

우리는 PXIe 기반 FPGA 보드인 NI FlexRIO FPGA 모듈을 HILS 시스템의 코어 연산 하드웨어로 채택했습니다. 즉 모터 모델이 FPGA 하드웨어에서 직접 실행된다는 의미입니다. NI FlexRIO 모듈에 배포되는 모든 프로그램은 NI LabVIEW 시스템 디자인 소프트웨어를 사용하여 그래픽 방식으로 개발했습니다. HILS 시스템용으로 NI FlexRIO 모듈을 선택한 가장 중요한 이유는 컨트롤러를 통해 이 시스템에 필요한 수준의 연산 성능을 제공할 수 있는 다른 벤더가 없었기 때문입니다.

각 테스트 패턴의 순차적 실행을 위한 테스트 시나리오는 엑셀 시트로 작성했습니다(그림 3). 실행 단계의 시간을 1 ms로 설정하고, 토크와 회전 속도를 포함한 테스트 조건을 순서대로 엑셀시트에 저장했습니다. 모터 ECU는 이러한 조건에 따라 작동을 하고 펄스폭 변조(PWM) 신호와 같은 신호들을 HILS 시스템에 보냅니다. HILS 시스템은 이러한 신호를 받아 실제 모터의 작동을 시뮬레이션 합니다. 더 구체적으로 설명하면, FPA의 알고리즘이 ECU에서 받은 디지털 PWM 신호를 사용하여 시뮬레이션 다음 단계의 속도, 토크, 위치, 전류를 계산하는 것입니다. 결과는 스케일된 후 토크와 3상을 나타내는 물리적 신호의 형태로 FPGA에서 ECU로 출력됩니다.

우리가 NI 플랫폼을 선택한 이유

전기 모터 ECU 테스트를 위한 HILS 시스템의 핵심 요소는 시뮬레이션 속도(루프 속도)와 모델의 주기 해상도입니다. 우리가 사용하는 모터 ECU의 제어 속도는 1.2 µs 이하가 되어야 합니다. 그렇지 않으면 시뮬레이터가 숫자적으로 정확한 시뮬레이션 결과를 도출할 수 없기 때문입니다. 다른 벤더의 HILS 하드웨어는 대부분 디바이스의 CPU를 시뮬레이션 연산의 주요 연산 노드로 사용합니다. 사용하는 플랫폼과 벤더에 따라 다소 달라지기는 하지만, 이러한 CPU 기반 시뮬레이터의 경우 시뮬레이션 속도가 5-25 µs 보다 빨라지기 어렵습니다. 그러나 NI FlexRIO는 시뮬레이션 알고리즘 연산에 FPGA를 사용하기 때문에 특히 연산 처리 성능과 IO 지연 시간의 측면에서 CPU 방식보다 월등히 뛰어납니다. 따라서 1.2 µs 이하의 시뮬레이션 속도를 얻을 수 있습니다. 이것이 NI FlexRIO 플랫폼을 채택하게 된 결정적인 요인이었습니다. 

또한 NI FlexRIO에서 사용되는 FPGA 칩에는 고성능 내장 DRAM이 들어있기 때문에 JSOL에서 제작한 JMAG-RT 모델을 사용할 수 있었습니다. 이 모델은 선형 모드로 모터의 기본 동작을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라 실제 모터와 더욱 비슷한 작동과 특징까지 나타낼 수 있습니다. 뿐만 아니라 그래픽 기반의 NI LabVIEW FPGA Module을 사용하여 NI FlexRIO 디바이스 상에서 FPGA를 프로그래밍할 수도 있습니다. 따라서 HDL과 같은 텍스트 기반 언어를 사용하지 않고도 짧은 시간 내에 FPGA 기술을 활용한 시스템을 개발하는 것이 가능했습니다.

개발된 테스트 패턴은 모두 자동으로 실행됩니다. 모든 패턴을 실행하는 데에는 118시간밖에 소요되지 않습니다. 테스트를 전부 수작업으로 진행했다면 2,300 시간 정도가 걸릴 것으로 추산합니다. 또한 수작업으로 테스트를 진행하다 보면 실수가 발생하기 마련인데, 그 결과 더 많은 시간이 소요될 수 밖에 없습니다. 따라서 실제로는 모든 테스트를 수작업으로 실행하기가 불가능합니다. 테스트를 자동화하고 HILS 시스템을 도입한 것이 이번 HV HYBRID 개발 프로젝트 성공의 열쇠였습니다.

앞에서 언급한 것 이외에도 HILS 시스템 도입으로 얻을 수 있는 주요 장점은 다음과 같습니다:

● 실제 모터를 사용하지 않고도 테스트를 수행할 수 있으므로 모터 벤치와 테스트 차량 마련 등의 준비 과정이 크게 단축

● 테스트 인력이 고전압 장비 취급 자격을 갖출 필요가 없음

● 다양한 방법으로 조건을 변경하여 자동차에서 일어날 수 있는 거의 모든 이벤트를 HILS 시스템으로 재현 가능

이 HILS 시스템을 효과적으로 활용하기 위해서는 필요한 테스트 항목을 전부 다루는 테스트 시나리오를 개발하는 것이 중요합니다. 이렇게 포괄적인 테스트 시나리오를 개발하려면 매우 많은 시간이 소요되지만, 일단 제대로 만들어두고 나면 반복해서 재활용할 수 있습니다. 다양하게 설계 변경을 해가며 회귀 테스트를 하는데 이 테스트 시나리오를 사용할 수 있으며 향후의 제품 개발에도 재활용이 가능합니다. 그런 의미에서 테스트 시나리오 개발에 시간을 투자한 것은 충분히 가치 있는 일이었습니다.

향후의 개발

이 프로젝트에서 우리는 실제 모터와 모터 ECU를 calibration process 에 사용했습니다. 다시말해 앞서 언급한 V-다이어그램(그림 1)의 "MG (Motor Generator) 인버터 실제 머신 교정/검증" 단계에서는 HILS 시스템을 사용하지 않았다는 의미입니다. 그 이유는 당시에 우리가 모터의 작동을 시뮬레이션하기 위해 선형 모델을 사용하고 있었기 때문입니다. HIL 시스템을 사용하여 교정을 수행하기 위해 JMAG-RT 파일과 함께 코깅토그(cogging torque)나 자기포화(magnetic saturation)와 같은 일부 비선형 동작을 나타낼 수 있는 공간 고조파(Spatial Harmonic) 모델을 사용해야 했습니다. 이제 이 Hi-Fi 모델을 지원하는 NI Electric Motor Simulation Toolkit이 있으므로 소프트웨어를 업데이트하고 교정하는 단계에서도 같은 HIL 시스템을 사용할 수 있게 되어 물리적 테스트 시간이 더욱 단축될 것입니다.

우리는 지속적으로 내쇼날인스트루먼트 및 JSOL과 협력하여 HIL 시스템에 사용하는 제품을 꾸준히 개선하고자 합니다. 특히 JMAG-RT 모델에 내장되는 온도 의존성을 일부 활용하여 모터 시스템의 온도 변화를 더욱 잘 재현해내고자 합니다. 이렇게 되면 엔클로저와 냉각 매커니즘의 온도 시스템을 재현하기 위해 HILS 시스템의 CPU에서 구동되는 온도 모델이 필요하게 될 가능성이 큽니다. 마찬가지로 역시 내쇼날인스트루먼트에서 개발하고 있는 고급 인버터 모델을 활용하여 현재의 이상적 스위치 모델보다 더 현실에 가깝게 동작하는 인버터를 구현하고자 합니다. 이러한 부분에서는 앞으로도 업계 동향과 모델의 진화 양상을 살펴보아야 할 것입니다.

필자 정보:

Mr. Tomohiro Morita
FUJI Heavy Industries, Ltd.
Japan