CATARTC, 배터리 테스트 동향을 따라가기 위해 BIL (battery-in-the-loop) 시뮬레이션 사용

진화하는 중국 시장에서 배터리 테스트의 진화

중국에서 자동차 산업의 발전은 중요한 국가 전략으로, 급속한 기술 발전과 빨라진 산업 구조 재편과 함께 신속하게 발전하여 상업화 초기 단계에 있으며, 산업 발전은 기회와 위험, 도전에 직면해 있습니다. 이러한 맥락에서 순수 전기차는 경제와 산업 경쟁력을 향상시키고 발전 가능성이 있는 주요 시장에서 투자를 유치할 수 있는 큰 잠재력을 지녔습니다. 자동차 업계는 자동차 소프트웨어의 기능 안전 문제를 방지하 위해 차량 기능 안전 표준 ISO 26262를 개발했으며 이는 현재 자동차 산업에서 가장 중요한 국제 표준입니다. 이 표준은 주로 자동차 E/E (전기 전자) 시스템의 오작동 동작으로 인해 발생할 수 있는 위험을 방지하여 E/E 시스템의 기능 안전성을 향상시킵니다.

EV 설계 및 검증 시 배터리 테스트의 복잡성

여러 국가에서 실시된 전기차 연구를 살펴보면 한 가지 공통된 현상이 있는데, 바로 배터리가 전기차 연구 전체에서 가장 문제가 되는 부품이라는 점입니다. 배터리 시스템의 안전성을 담보하기 위한 설계 과정에서 배터리 셀의 특성, 배터리 모듈 설계, 배터리 팩 구조, 배기 설계도 중요하지만 가장 큰 비중을 차지하는 부분은 배터리 관리 시스템 (BMS)입니다. 신에너지 자동차 회사 중에는 배터리 관리 시스템을 기업의 핵심 기술로 여기는 곳이 많습니다. 최근 몇 년 간 주요 OEM이 신청한 핵심 지적 재산권의 대부분은 배터리와 관련되어 있는데 이것만 봐도 전기차에서 전원 배터리 시스템이 얼마나 중요한지 알 수 있습니다.

그림 1: ^{V-Cycle 개발 흐름.}

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전기차의 컨트롤러를 개발하고 테스트할 때 일반적으로 그림 1과 같이 V-Cycle 개발 프로세스가 채택됩니다. 이 프로세스는 개발 효율성을 높이고, 개발 위험과 워크로드를 줄입니다. V-Cycle 개발 프로세스에서는 시스템 요건, 기능 요건, 소프트웨어와 하드웨어 설계, 모델 검증 (MIL/SIL), HIL (hardware-in-the-loop) 테스트, 실제 차량 테스트를 완료할 수 있습니다. 이때 컨트롤러의 HIL 테스트가 중요한 역할을 합니다. HIL (hardware-in-the-loop) 테스트 플랫폼을 사용하여 가상 컨트롤러 작동 환경을 설정할 수 있으며 일부 입력 신호를 제공하고 출력 신호를 감지하여 컨트롤러의 기능을 검증할 수 있습니다.

기존의 신호 레벨 HIL 테스트는 BMS 기능 전략 검증 레벨에서 잘 확립되었지만 배터리 팩 성능 검증 기능은 심각하게 부족합니다. 도로와 현장에서의 실제 차량 테스트를 통해 가장 현실적인 배터리 팩 성능을 파악할 수 있습니다. 그러나 테스트 조건을 적용할 수 있는 범위가 너무 좁고 요건이 너무 높습니다. 또한 고온 또는 저온의 극한 조건과 같은 특정 환경에서 실제 차량을 테스트하려는 경우 환경 요건이 더 높아집니다.

CATARC의 BIL (battery-in-the-loop) 실시간 시뮬레이션 플랫폼

CATARC (Tianjin) Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd.,는 사용자 배터리 팩 성능 테스트의 진정성과 신뢰성을 향상시키기 위해 시뮬레이션과 테스트를 사용하여 BIL (battery-in-the-loop) 테스트 솔루션 세트를 제안합니다. BIL 테스트는 HIL 테스트와 실제 차량의 도로/현장 테스트 간의 격차를 크게 좁혔습니다. 실제 차량의 도로/현장 테스트와 비교했을 때 현장, 환경, 차량에 요구되는 부분을 최소화할 수 있다는 점은 분명한 장점입니다. BIL과 실제 차량 테스트의 장단점은 표 1에서 확인할 수 있습니다. 

^{표 1: 여러 테스트 방법 비교}

시스템 프레임워크는 그림 2와 같이 로드 시뮬레이션, 환경 시뮬레이션, DUT, 차량 시뮬레이션의 네 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 가상 작업 조건, 가상 도로, 가상 에너지 요건 하에서 시스템이 실제 충전 시스템과 방전 시스템을 컨트롤합니다. 실제 환경 시스템은 다양한 실제 도로 조건을 편리하게 시뮬레이션하여 실험 데이터를 얻습니다.

^{그림 2: BIL (battery-in-the-loop) 테스트 시스템 프레임워크}

CATARC는 특히 BIL (battery-in-the-loop) 테스트 방식을 구현합니다. 그림 3에서 보여주는 것처럼 전체 시스템에는 환경 챔버, 수냉식 냉각기, 가상 로드 그리고 배터리의 특정 작업 조건 테스트에서 실제 상태를 달성하기 위한 기타 장비가 갖춰져 있습니다. 그 중 배터리의 가상 로드는 배터리 팩을 충전 및 방전시키는 충전 파일과 로드 역할을 합니다. 주 컨트롤 시스템은 CAN 프로토콜을 통해 배터리 가상 로드, 배터리 팩 환경 시뮬레이션 시스템, BMS와 통신하고, BMS는 CAN 프로토콜을 통해 고속 충전 기능을 구현합니다. 배터리 팩의 냉각/가열 시스템은 주로 배터리의 열 관리 기능을 구현하며 이더넷을 통해 주 컨트롤 시스템에 연결되고 주로 LabVIEW를 통해 컨트롤됩니다. 그 중 차량 역학 모델과 도로 모델은 CarMaker로, 기타 전략 알고리즘 모델은 MathWorks® MATLAB®과 Simulink® 소프트웨어를 사용하여 구축되었습니다. 이 시스템에는 다음과 같은 세 가지 이점이 있습니다. 

• 다양한 실제 도로 조건과 극한의 작업 조건을 편리하게 시뮬레이션하여 실제 차량 테스트에 필요한 요건과 시간을 크게 줄입니다.
• 실제 차량 데이터를 정확하게 재생하고 목표 성능 개선 솔루션을 효율적으로 찾습니다.
• 인터페이스가 개방적이고 유연하여 다양한 모델의 요구에 적응할 수 있습니다.

^{그림 3: BIL (battery-in-the-loop) 테스트 방식}

업계의 협력 생태학 관점에서 CATARC는 선도적인 자동차 회사 한 곳에 BIL (battery-in-the-loop) 테스트 서비스를 제공했습니다. CATARC는 수많은 테스트 케이스와 풍부한 주행 시나리오 라이브러리를 제공했으며 완벽한 BIL 시뮬레이션 테스트 플랫폼도 구축했습니다. 테스트 플랫폼에는 Vehicle Dynamics의 CarMaker와 같은 소프트웨어와 NI TestStand를 사용하는 자동화된 테스트에 더해 HIL 캐비닛, 배터리 팩, 충방전 장비, 수냉식 냉각기와 같은 하드웨어가 포함되어 있습니다. BIL 테스트 시스템을 통해 SOX, 사이클 수명, 용량 교정, DCR, 펄스 충방전 특성, 과충전/과방전 속도, 열 관리 등과 같은 테스트 아이템을 구현할 수 있습니다. BIL 테스트 플랫폼은 테스트 상황을 사용자 정의하고 실제 차량과 환경의 실제 상태를 더 잘 재현하며 겨울/여름의 표준 작동 조건을 시뮬레이션하고 실제 차량 배터리 팩 충방전 성능 테스트 요건을 완전히 갖출 수 있습니다.

방전 조건을 예로 들면 BIL 테스트 시스템의 주요 테스트 단계는 다음과 같습니다. 

• 실제 차량과 일치하도록 CarMaker 운동 파라미터를 설정하고 가상 도로를 구축한 후 목표로 하는 차량 속도 곡선을 설정합니다. 
• 충방전 장비를 컨트롤하고 배터리 SOC를 테스트 초기값으로 조정합니다. 
• 주변 환경 챔버의 온도를 설정하고 배터리 셀의 온도를 테스트 초기값으로 조정합니다. 
• 수냉식 냉각기의 온도와 유량을 설정하고 배터리 수로 순환을 테스트 초기 상태로 조정합니다. 
• 저전압/고전압 전원 가동을 위한 실제 차량의 상호 작용을 시뮬레이션합니다. 
• CarMaker 시뮬레이션을 통해 방전 에너지 요건을 충족합니다. 
• 테스트 조건이 끝날 때까지 방전 장비에서 배터리를 흡수하고 에너지를 방출하도록 컨트롤합니다. 

또한 BIL 테스트 시스템을 통해 실제 차량에 가까운 환경에서 과충전, 과방전, 과전류, 과열과 같은 극한의 작업 조건을 정확하게 컨트롤할 수 있습니다. 안전 목표가 완전히 검증되었으며 GB/T 39086-2020 전기차용 배터리 관리 시스템의 기능 안전 요건에 대한 검증 요건을 실현할 수 있습니다.

 
CATARC는 앞으로도 다음과 같은 작업을 해 나갈 것입니다.

• 자동차 엔지니어링 응용 기술의 연구 개발에 주력
• 자동차 기업과 관련 정부 부처에 자동차 성능 엔지니어링의 개발, 공통 핵심 기술 연구, 개발, 검증 테스트, 관련 정책과 기술 자문 서비스 제공
• NI와 협력하여 지능형 자동차 기업과 과학 연구 기관에 고품질 서비스 제공
• 사전에 계획을 배포하여 규제 요건을 충족하고 높은 수준의 자율 주행 기능을 실현할 수 있도록 연구실의 역량을 쌓아 자동차 산업의 핵심 기술 발전 주도