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GM(General Motors)의 Energy Model and Toolchain Development 팀은 GM 엔지니어가 주행거리, 연료 효율, 주행 품질, 가속 등 차량의 핵심 성능 특성을 예측, 분석, 개발, 검증하는 데 사용하는 툴을 개발하고 관리합니다. 저희는 이 팀의 일원으로서 차량 에너지 모델링 및 시뮬레이션을 통해 GM의 에너지 분석 발전을 모색하기 위한 방법을 끊임없이 모색하고 있습니다.
GM의 엔지니어들은 20년 넘게 에너지 모델링 툴을 사용해 왔습니다. 저희는 COTS(상용 기성품) 패키지에만 전적으로 의존하는 대신, 이러한 접근법이 제공하는 향상된 제어력, 속도, 유연성 및 기밀성을 확보하기 위해 이러한 툴을 자체 개발했습니다. 저희가 개발한 툴의 기능과 효율은 지속적으로 향상되었으나, 이러한 자체 솔루션의 사용자 수는 감소하기 시작했습니다. 이 감소는 시대에 뒤처진 사용자 인터페이스, 연동 시뮬레이션을 위한 타사 소프트웨어와의 툴 통합 어려움, 다른 영역에서 근무하는 엔지니어와의 협업 한계 등 여러 요인에 기인한 것입니다.
레거시 모델링 및 시뮬레이션 툴이 오랫동안 안고 있던 많은 과제를 해결하기 위해 저희는 VERDE(Vehicle Energy and Range Development Environment)를 제작했습니다. MATLAB® 및 Simulink®를 사용하여 제작한 VERDE에는 모델 구축 및 실행 시 보다 쉽게 익히고 사용할 수 있는 최신 사용자 인터페이스가 탑재되어 있습니다. (그림 1) VERDE는 특히 열 특성, 고전압 배터리, NVH(소음, 진동, 불쾌함) 등을 모델링할 수 있도록 타사 툴과의 연동 시뮬레이션을 지원합니다. 그뿐만 아니라 VERDE는 정확하며 확장 가능합니다. GM의 엔지니어들은 VERDE를 사용하여 HPC(고성능 컴퓨팅) 클러스터에서 대규모 최적화 연구와 DOE(실험계획법)를 수행합니다. VERDE는 기존 내연기관, 하이브리드, 전기 및 연료전지 파워트레인을 유연하게 지원할 뿐만 아니라 기본 시뮬레이션, 데이터 시각화 및 보고부터 고급 가상 Hardware-in-the-Loop 시뮬레이션 및 실시간 Driver-in-the-Loop 테스트에 이르기까지 다양한 활용 사례를 간소화하는 기능을 갖추고 있어 다양한 엔지니어링 그룹의 관심을 끌었으며, 그 결과 이전 모델링 환경에 비해 사용자 수가 40% 증가했습니다. 이 기술 칼럼에서는 VERDE의 개발 과정과 이를 사용하여 GM 전반에서 에너지 분석을 고도화하는 방법을 소개합니다.
그림 1. VERDE 사용자 인터페이스.
VERDE 개발 시 최우선 사항은 사용자 경험을 개선하는 것이었습니다. VERDE의 전신은 GM에서 수년간 자체 개발한 사용자 지정 MATLAB 툴박스였습니다. 이 툴박스의 사용자 인터페이스는 복잡하고 익히기 어려워 신규 엔지니어를 교육하고 새로운 기능을 추가하는 데 어려움이 있었습니다.
저희는 MATLAB 앱 디자이너를 사용하여 VERDE 사용자 인터페이스를 구축했습니다. 여기에는 다층 탭, 동적 트리 옵션, 대화형 그래픽 등 많은 기능이 포함되어 있어 직관적이며 쉽게 탐색할 수 있습니다. 재설계의 일환으로, 저희는 VERDE를 사용자 인터페이스와 기초가 되는 전체 차량 모델이 반결합된 방식으로 구성하기로 결정했으며, 이를 통해 VERDE는 여러 차량 아키텍처를 지원할 수 있게 되었습니다.
이 반결합 구조가 적용된 VERDE 사용자 인터페이스는 시뮬레이션을 설정하고 실행하기 위해 구축한 전체 차량 모델과 상호 작용합니다. Simulink, Simscape™ 및 Simscape Driveline™에서 모델을 개발하는 과정에서 저희는 2,000개 이상의 파라미터와 200,000개 이상의 블록으로 구성된 시스템의 모델링 규모와 복잡도를 관리하기 위해 몇 가지 핵심 기능을 활용했습니다. (그림 2) 예를 들어 라인 복잡도와 클러터를 줄이기 위해 버스 아키텍처를 사용했고, 정렬된 모델 계층을 만들고 유지하기 위해 모델 참조를 사용했으며, 프로젝트가 프로그램 기획 단계에서 개발 및 세분화 단계를 거쳐 최종적으로 프로덕션 단계로 진행됨에 따라 모델 내 개별 컴포넌트의 충실도 수준을 조정하기 위해 모델 변형을 사용했습니다.
그림 2. VERDE 모델 내의 서브시스템으로, Simscape Driveline의 여러 블록이 포함되어 있습니다.
VERDE의 간단한 사용 시나리오는 모델을 구성하고 1회 시뮬레이션을 실행하여 결과를 확인하는 것이지만, GM의 엔지니어링 팀은 이러한 기본 활용 사례를 뛰어넘는 요구사항에 직면하는 경우가 많습니다. 이러한 요구사항을 충족하기 위해 저희는 VERDE에 광범위한 전처리 및 후처리 기능을 구축했습니다.
전처리 측면에서는 엔지니어가 모델을 서로 비교하고, 시드 모델을 사용하여 DOE를 설정 및 실행하고, 데이터베이스로부터의 입력 데이터를 관리하고, HPC 클러스터에 작업을 제출할 수 있는 기능을 추가했습니다. (그림 3) 데이터 관리 기능은 최근 VERDE에 추가된 개선 사항으로, 이 툴을 지속적으로 개선하기 위한 노력의 일환이라고 할 수 있습니다. 과거에 VERDE에서는 사용자가 로컬에서 관리하고 저장하는 개별 데이터 파일을 사용했습니다. 현재 VERDE에서는 InSPIRE(Innovative Simulation Parameter Inputs and Results Environment)라는 PostgreSQL® 기반 애플리케이션을 사용합니다. Database Toolbox™와 함께 VERDE에 통합된 InSPIRE는 모델 입력값과 시뮬레이션 결과를 관계형 데이터베이스에 저장하므로 자동화, 보고, 분석 및 추적성을 향상할 수 있습니다.
그림 3. InSPIRE로 구동되는 VERDE 데이터 관리자(왼쪽) 및 HPC 작업 제출 포털(오른쪽).
또한 저희는 시뮬레이션을 실행하여 얻은 데이터를 후처리하기 위한 일련의 맞춤형 툴도 개발했습니다. 예를 들어 플로터 툴은 시계열 시뮬레이션 결과를 플로팅하는데 사용되며, 다른 소스에서 데이터를 가져와 플로팅에 사용하고 MATLAB 고유 데이터를 다른 형식으로 내보낼 수도 있습니다. (그림 4) 다른 후처리 툴로는 에너지 균형 분석을 위한 에너지 계산 툴과 시뮬레이션 결과와 테스트 결과 간의 비교를 자동화하기 위한 모델 상관관계 툴 등이 있습니다.
그림 4. VERDE 플로터 툴(왼쪽) 및 에너지 계산 툴(오른쪽).
처음부터 GM에서 사용되는 모든 시뮬레이션 기능을 VERDE에 직접 구현하여 재현하는 것은 목표가 아니었습니다. 오히려 연동 시뮬레이션을 통해 엔지니어링 팀에서 기존에 사용 중인 툴을 VERDE 프레임워크 내에 통합할 생각이었습니다. 이를 위해 EV 열 시스템, 내연 기관 열 성능 및 배기량, 차량 및 구동계 동역학을 위한 툴을 비롯한 다양한 COTS 소프트웨어와의 직접 연동 시뮬레이션을 지원하는 기능을 구축했습니다. (그림 5) VERDE는 FMI 2.0(Functional Mock-up Interface 버전 2.0)을 지원하므로 이 표준을 준수하는 COTS 소프트웨어와 통합이 가능합니다.
그림 5. VERDE와 COTS 툴을 사용한 연동 시뮬레이션.
VERDE의 모듈식 설계 덕분에 개별 서브시스템을 독립형 모듈로 추출하여 랩 타임 시뮬레이터 및 기타 툴과 통합할 수 있습니다. 또한 VERDE는 실시간으로 실행되어 Driver-in-the-Loop 시뮬레이션이 가능합니다. (그림 6)
그림 6. Driver-in-the-Loop 연동 시뮬레이션을 사용한 NVH 평가.
GM 엔지니어링 팀이 VERDE를 사용해 오는 동안 VERDE는 개발 시작 시 설정되었던 주요 목표를 달성했습니다.
유연성 측면에서 VERDE는 팀에 에너지 모델링 및 시뮬레이션을 위한 다양한 옵션을 제공합니다. 엔지니어는 차량 아키텍처, 주행 시나리오(예: 연비 중심 또는 성능 중심), 제어 및 보정 설정, 연동 시뮬레이션 툴의 조합을 사용하여 시뮬레이션을 설정할 수 있습니다. (그림 7)
그림 7. VERDE의 차량 아키텍처, 주행 시나리오, 제어 및 보정, 연동 시뮬레이션 옵션에 대한 개요.
프로젝트가 초기 탐색 단계에서 프로덕션으로 진행됨에 따라 엔지니어는 VERDE를 사용하여 모델의 충실도를 높일 수 있습니다. 예를 들어 초기 시뮬레이션에서는 과거 시뮬레이션에 사용된 상수값이나 온도 프로파일 같은 고전압 배터리 온도의 간단한 모델을 사용할 수 있습니다. 이후에 더 높은 충실도가 필요한 경우 해당 시뮬레이션에 보다 현실적인 열 모델링 툴을 기반으로 하는 Variant와 연동 시뮬레이션을 통합할 수 있습니다.
VERDE는 확장성도 입증되었습니다. VERDE의 글로벌 사용자 커뮤니티는 다양한 엔지니어링 분야에서 거의 400명에 달하는 규모로 성장했습니다. 필요한 경우 사용자는 VERDE 사용자 인터페이스에서 대규모 시뮬레이션(최적화 또는 DOE용)을 HPC 클러스터에 직접 제출할 수 있습니다.
VERDE 시뮬레이션의 정확도를 검증하기 위해 실제 테스트 결과를 VERDE로 생성된 시뮬레이션 결과와 비교했습니다. 예를 들어 한 테스트에서 특정 차량 구성의 EV 주행거리를 마일 단위로 시뮬레이션한 다음 그 결과를 동일하게 구성된 전기차에서 측정한 결과와 비교했습니다. 이 비교를 통해 산출된 결정계수(R²) 값은 0.9998로, 모델과 측정 데이터가 상당히 일치하며, 해당 모델은 평균적으로 약 0.4% 보수적인 것으로 나타났습니다. (그림 8)
그림 8. 차량의 연비 레이블에 표시되는 예상 주행거리에 대한 모델 예측과 측정된 테스트 결과 비교.
저희는 잘 정의되어 있으며 일관된 릴리스 일정을 바탕으로 VERDE를 지속적으로 개선 및 확장하고 있습니다. 새로운 연동 시뮬레이션 툴 지원, 내구성 모델링 지원, 대규모 연구를 더욱 빠르게 실행하기 위한 속도 개선 등 교차 영역 협업 및 조율을 더 강화할 몇 가지 개선 사항을 계획했습니다.
GM의 엔지니어링 요구사항이 발전함에 따라 차량 분석에 사용하는 시뮬레이션 툴도 함께 발전해 왔습니다. MATLAB 및 Simulink 플랫폼의 유연성 덕분에 저희는 시뮬레이션 툴을 개선하여 이러한 요구를 충족할 수 있었습니다. 사용자 인터페이스의 현대화는 엔지니어링 팀을 지원하는 핵심 요소이지만, 기저 차량 모델, 연동 시뮬레이션을 위한 아키텍처, 결과 관리를 위한 데이터베이스, 전처리 툴과 후처리 툴을 향상하는 것 역시 중요합니다. 이러한 개선에는 상당한 투자가 요구되었지만, 이를 통해 차세대 GM 엔지니어가 차세대 GM 차량을 설계할 수 있는 더욱 단단한 기초가 마련되었습니다.
본 작업을 진행하는 동안 지도해 주시고 이 기술 칼럼과 발표에 크게 기여해 주신 Nate Wilmot 님에게 특별히 감사드립니다.
2026년 기고
