1년 안에 가상 차량에서 완전 전기 오프로드 UTV로 가다
완전 전기 다목적 자동차으로 가는 친환경
Vanderhall Motor Works의 Brawley™는 완전 전기 UTV(다목적 자동차)입니다. '사이드 바이 사이드'라고도 하는 UTV는 레저 운전자, 농부 및 사냥꾼들에게 인기 있는 오프로드 자동차입니다. 303마력의 힘과 140마일의 주행거리를 갖춘 Brawley는 모래 언덕과 암석 지대 위에서 강력하면서 환경 친화적인 주행을 사용자들에게 제공하도록 설계되었습니다.
Vanderhall 팀이 설계 공정을 시작했을 때 그들 나름대로 난관과 어려움이 있었습니다. Vanderhall의 기존 가솔린 기반 자동차는 General Motors®의 파워트레인에 기반했습니다. 엔지니어들은 먼저 내연 기관을 다른 공급업체의 전기 파워트레인 하드웨어 및 소프트웨어로 교체했습니다. EV 파워트레인은 배터리, 인버터, 전기 모터만으로 구성되어 단순하지만, 개별 시스템을 통합하는 일은 엔지니어들의 예상대로 진행되지 않았습니다.
Vanderhall CTO인 Christopher Johnson은 "이 전기 파워트레인은 파워 스티어링과 잠금 방지 제동 등의 General Motors의 다른 모든 모듈 및 제어와 통신할 수 있어야 했습니다"라고 말합니다. "하지만 어떤 구성요소도 제대로 통신하지 못했습니다. 결국 운전하기 어려운 자동차가 나오게 되었습니다."
Vanderhall은 파워트레인, 모터 제어 시스템, 잠금 방지 제동 시스템을 처음부터 개발하기로 결정했는데 이는 제한된 수의 엔지니어를 가진 소형 민간 투자 스타트업에게는 벅찬 작업이었습니다. 엔지니어링 팀은 가상으로 제어 알고리즘을 설계 및 테스트하는 것이 소프트웨어-하드웨어 통합으로 전환하고 실제 오프로드 차량에 코드를 배포할 때 오류를 발견할 위험을 최소화하는 핵심 사항이라고 판단했습니다.
Vanderhall Motor Works의 완전 전기 다목적 자동차 Brawley. (이미지 출처: Vanderhall Motor Works)
"일반적으로 자동차 제어 시스템의 소프트웨어를 작성하려면 수많은 코더가 수년을 작업해야 합니다. 전기차는 빠르게 변하는 시장입니다. 우리가 기존의 개발 방식을 선택했다면 여전히 제품을 내놓지 못하고 모든 경쟁사들에게 뒤쳐졌을 것입니다."
Vanderhall은 Simulink®를 사용하여 자동차 모델을 구축했습니다. 반도체 제조업체인 NXP Semiconductor와의 파트너십을 통해 가상 자동차에 테스트하기 전 NXP® 자동차 칩에서 실행할 수 있도록 Simulink 코드를 빠르게 변환하여 차량 동역학을 시뮬레이션하고 차량 거동을 예측할 수 있었습니다. 모델 기반 설계를 통해 Vanderhall 엔지니어 세 명으로 구성된 팀은 단 8개월만에 Brawley 프로토타입을 설계, 시뮬레이션 및 배포할 수 있었습니다. (NXP는 NXP B.V.의 상표임)
"일반적으로 자동차 제어 시스템의 소프트웨어를 작성하려면 수많은 코더가 수년을 작업해야 합니다." Johnson이 말합니다. "전기차는 빠르게 변하는 시장입니다. 우리가 기존의 개발 방식을 선택했다면 여전히 제품을 내놓지 못하고 모든 경쟁사들에게 뒤쳐졌을 것입니다."
소프트웨어 개발 가속화
"Vehicle Dynamics Blockset은 놀라운 유연성을 제공하고 이를 통해 자동차를 위한 새로운 기능을 만들 수 있습니다. 우리는 이를 사용하여 각 바퀴의 파워, 속력 및 속도를 독립적으로 제어하여 갖가지 멋진 트릭을 선보일 수 있습니다."
Brawley의 파워트레인은 바퀴마다 하나의 모터와 차별화된 고유 특징을 가지고 있습니다. (이미지 출처: Vanderhall Motor Works)
특히 4개의 전기 모터(35인치 바퀴당 하나)와 같은 여러 기능은 Brawley의 전기 UTV를 경쟁사로부터 차별화하는 요소입니다. Johnson과 직원들은 역동적이고 흥미로운 UTV 경험을 제공하려면 각 모터를 직접 제어해야 한다는 것을 조기부터 알고 있었습니다. 이를 통해 Brawley는 거친 비포장도로를 빠르게 주행하고 급커브를 빠르게 돌고 점프를 소화할 수 있습니다.
전기 파워트레인 공급업체는 이 요구사항에 부응하지 못했습니다. 공급업체는 하드웨어 변경을 주저했고 제어 알고리즘을 손으로 직접 코딩했기에 소프트웨어 재설계가 어려웠습니다.
Johnson은 배터리 크기, 전기 모터 유형 및 시스템 전압 등의 시스템 파라미터를 선택하여 파워트레인 하드웨어를 자체 개발하기로 결정했습니다. 하드웨어 설계와 테스트 하드웨어를 얻은 후에 엔지니어들은 급커브 시 미끄러짐과 제어력 상실을 방지하기 위해 속도와 토크를 결정하는 모터 제어 장치인 잠금 방지 제동 시스템과 개별 휠 브레이크를 자동으로 제어하는 전자 안정성 제어를 개발해야 했습니다. Vanderhall은 차량을 신속히 시장에 출시하기를 원했기 때문에 제어 소프트웨어를 직접 코딩하는 것은 선택 사항에 없었습니다. 따라서 Johnson의 팀은 모델 기반 설계로 눈길을 돌렸습니다.
엔지니어들은 Simulink를 사용하여 차량 제어 소프트웨어를 설계 및 구축했습니다. Vehicle Dynamics Blockset™을 사용하여 엔지니어들은 UTV의 움직임과 응답을 모델링하였으며 이를 통해 제동 거리를 능숙히 처리하고 바퀴가 정지 마찰력을 잃는 모터 RPM을 평가할 수 있었습니다.
바퀴마다 하나의 모터가 달린 파워트레인을 설계함으로써 엔지니어들은 차별화된 고유 기능을 차량에 추가할 수 있었습니다. 예를 들어 그들의 독자적인 잠금 방지 제동 시스템은 바퀴가 잠기는 것을 방지하기 위해 압력 밸브를 반복해서 여닫지 않아도 됩니다. 대신 각 바퀴에 장착된 전기 모터로 토크를 조절하여 잠금을 방지합니다. 이 프로세스를 통해 제동의 미세한 제어가 가능합니다.
"Vehicle Dynamics Blockset은 놀라운 유연성을 제공하고 이를 통해 자동차를 위한 새로운 기능을 만들 수 있습니다. 우리는 이를 사용하여 각 바퀴의 파워, 속력 및 속도를 독립적으로 제어하여 갖가지 멋진 트릭을 선보일 수 있습니다." Johnson의 말입니다. "이러한 바퀴를 제어하기 위해서는 모델, 즉 차량의 거동에 대한 물리 방정식을 만들어야 합니다. 예를 들어 Brawley의 무게 또는 타이어와 도로 간의 마찰 계수를 알면 차량이 가속하는 속도나 가하는 토크에 따라 바퀴의 회전 속도를 모델링할 수 있습니다."
모터 제어와 잠금 방지 제동 시스템을 위한 소프트웨어를 개발한 팀은 배터리와 함께 이를 테스트해야 했습니다. 이들은 Powertrain Blockset™을 사용하여 완전 전기 UTV에 있어 중요한 데이터인 SOC(배터리 충전 상태)를 시뮬레이션했습니다. Johnson은 리튬 배터리는 비선형적이며 차량에서 전하가 동적으로 변한다고 말합니다. "가속하면 용량이 크게 달라지지 않았더라도 배터리에서 많은 에너지가 사용되어 전압이 떨어집니다. 모든 측정값이 끊임없이 변화하는 상황에서 실제 SOC를 추정하는 것은 매우 까다로운데 Powertrain Blockset은 이 점에서 큰 도움이 되었습니다."
이들은 제어 알고리즘의 거동을 평가하고 파워트레인과 차량 동역학의 실시간 시뮬레이션을 위해 Simulink로 가상 차량을 구축했습니다.
엔지니어들은 차량이 긴급 조작을 할 때 또는 고전압 배터리가 과열되었을 때 무슨 일이 일어나는지 등 다양한 경계 조건에 대해 시뮬레이션했으며 이에 따라 제어 알고리즘을 구현했습니다. 이를 통해 물리적 테스트 없이도 차량이 실제로 어떻게 작동하는지 정확히 파악할 수 있었습니다.
"우리는 이렇게 좋은 차량 동역학 시뮬레이션을 보유하고 있기 때문에 코드를 수정할 때마다 광범위한 실제 테스트가 필요하지 않습니다. 예를 들어 코드가 어떤 것에 대해 과잉 교정되어 차량이 뒤집힐 것인지에 대해 알 수 있습니다"라고 말합니다. "우리는 견인 제어, 안정성 제어 및 제동 거리를 검사합니다. 가상 차량을 통해 작업 속도를 높이고 보다 적은 인력과 더 적은 물리적 차량을 사용해 이러한 모든 사례를 테스트할 수 있습니다."
윈-윈-윈
모델 기반 설계를 통해 Vanderhall은 모든 차량 하드웨어를 보유하기 전에 소프트웨어 개발을 먼저 시작할 수 있었습니다. 그리고 동일한 핵심 엔지니어링 팀이 고급 코드 아키텍처의 개념을 구현 및 프로세서 칩에서의 테스트에 도입할 수 있었습니다.
소프트웨어 설계 공정이 시작된 지 몇 주 후, Vanderhall 팀은 차량 제어 마이크로프로세서에서 실행할 수 있는 C 코드를 생성하기 위해 Embedded Coder®를 사용하여 하드웨어에서 코드를 테스트할 준비가 되었습니다.
이 때가 2020년 초로 팬데믹 봉쇄 조치로 인해 반도체 산업이 둔화되기 시작했습니다. "우리는 NXP와 협력하여 NXP의 자동차 프로세서, 엔진 제어 마이크로프로세서 장치 및 링크 패키지를 사용했습니다." Johnson의 말입니다.
NXP는 고성능 자동차 개발 마이크로프로세서인 MPC5777C를 만들 뿐만 아니라 Model-Based Design Toolbox도 제공하여 Vanderhall 엔지니어들이 간편하게 Simulink 설계를 NXP 프로세서에 연결할 수 있었습니다.
NXP Model-Based Design Toolbox 그룹 매니저인 Razvan Chivu는 그의 자동차 업계 고객의 대부분은 Simulink를 사용한다고 말합니다. "작업이 수월하도록 우리에게 Simulink에 있는 모든 것을 NXP 하드웨어에 연결할 수 있는 방법이 있는 것이 매우 중요합니다. Model-Based Design Toolbox의 가장 중요한 정당성은 MathWorks 생태계와 NXP 생태계 사이의 관문 역할을 할 수 있는 능력입니다."
이 관문 덕분에 Vanderhall 엔지니어들은 소프트웨어를 조기에 자주 테스트하여 가상 차량에서Processor-In-the-Loop 테스트로 매끄럽게 전환하고 프로토타입 개발의 속도를 높일 수 있습니다. Vanderhall은 이제 프로덕션 파워트레인 장치를 테스트하고 있으며 생산 전 차량의 테스트 주행을 시행하고 있습니다. Johnson은 Brawley가 출시 준비를 마치기까지 몇 달 동안의 내구성 테스트와 제어 코드 개선이 있을 것이라고 말합니다. 그리고 준비가 완료되면 울퉁불퉁한 노면은 문제가 되지 않을 것입니다. Brawley는 거뜬하게 주행할 것입니다.
"작업이 수월하도록 우리에게 Simulink에 있는 모든 것을 NXP 하드웨어에 연결할 수 있는 방법이 있는 것이 매우 중요합니다. Model-Based Design Toolbox의 가장 중요한 정당성은 MathWorks 생태계와 NXP 생태계 사이의 관문 역할을 할 수 있는 능력입니다."
Vanderhall의 Brawley 전기 파워트레인 모터. (이미지 출처: Vanderhall Motor Works)
