“제가 어렸을 때는 전기 자동차나 전기차의 흔적이 전혀 없었어요. 자동차 광고는 속도와 마력에 관한 것이었습니다. 이제 모든 것은 주행 거리와 배출 제로에 관한 것입니다.”라고 Siemens Digital Industries Software의 자동차 산업 솔루션 이사인 Steven Dom 은 말합니다.
전기차(EV)가 광고를 바꾸면서 엔지니어링도 바뀌었습니다. “내연기관 개발을 맡은 엔지니어 팀은 기어박스를 구매하거나 설계하기로 선택할 수도 있습니다.”라고 Steven은 덧붙였습니다. “차량 사양을 충족하는 한 결정은 그들의 몫입니다. 이러한 유형의 단독 의사 결정은 EV에서는 불가능합니다. EV에서는 드라이브를 구성하는 전력 전자 장치, 모터 및 변속기 시스템이 하나의 개체로 패키지된 통합 전기 드라이브 장치 또는 e-drive로 가는 추세가 분명합니다. 제조 관점에서 볼 때 하나의 통합 상자를 만드는 것이 더 쉽지만 해당 패키지를 올바르게 만들려면 각각의 고유한 엔지니어링 분야 간에 지속적인 대화가 있어야 합니다. 일부 개인과 조직에게는 이것이 엄청난 도전이 될 것입니다.”
전기 구동 시스템 엔지니어링의 과제 관리
Siemens 전문가인 Steven Dom과 전기화 제품 관리자인 Benoit Magneville은 전기 구동 시스템 개발의 모든 측면과 조직이 엔지니어링 팀을 지원하고 긴밀한 협력을 수용할 수 있는 방법에 대해 설명했습니다.
Benoit는 다음과 같이 설명합니다. “전체적인 목표는 광범위한 작동 조건에서 매우 효율적인 전기 드라이브를 설계하는 것이지만 잠재적으로 상충되는 요구 사항이 많이 있습니다. 예를 들어, 인버터와 모터 사이의 거리를 줄이면 전체 패키지 크기, 케이블 무게 및 하네스 측면에서 이점을 얻을 수 있습니다. 그러나 인버터가 더욱 제한적인 방식으로 발전함에 따라 새로운 열적, 기계적 문제가 발생합니다.”
열 냉각과 관련된 다른 과제에는 열을 발생하는 품목 패키지 내의 중요한 요구 사항이 포함됩니다. e-드라이브의 각 구성 요소에 대해 별도의 냉각 시스템을 고려하는 것은 가장 효율적인 접근 방식이 아닙니다. 모든 구성 요소에 냉각 시스템을 통합하면 배관, 펌프 및 열 교환기 배열이 필요 없어 구성이 단순화됩니다. 하지만 이는 더욱 복잡한 엔지니어링 작업을 수행하기도 합니다. 여기에 배터리와 승객은 효과적인 열 관리를 위해 경쟁하게 되며, 적절한 냉각도 제공되어야 합니다.
또한 e-드라이브의 작동 목표를 달성하는 것과 차량에 앉아 있는 사람들이 소음과 진동을 어떻게 인식하는지 예측하는 것 사이에는 복잡한 역동성이 존재합니다. 상업적인 관점에서 볼 때, 승객의 편안함은 제조업체, 특히 고가 브랜드의 경우 필수적입니다.
전력 전자 설계, 시스템 통합 및 신뢰성 문제 해결
토폴로지 설계는 전기 드라이브 전자 장치 개발의 초기 단계 중 하나입니다. 효율성, 비용, 허용 오차, EMI 억제 등 최고의 토폴로지를 정의하려면 주요 지표를 이해해야 합니다. 토폴로지가 차량에 어떤 영향을 미치는지 평가한 다음 해당 결과를 기반으로 최적화하는 데 많은 엔지니어링 시간이 소요될 수 있습니다. 그러나 해당 프로세스가 끝날 때에만 열적 영향이 발견되면 노력이 낭비될 수 있습니다. 이상적으로는 열 설계 및 시뮬레이션이 토폴로지 설계 및 평가와 완전히 동기화됩니다.
반도체 기술의 선택도 중요하다. 그러나 반도체의 특성을 식별하고 사용 가능한 옵션을 비교하는 방법을 모른다면 최선의 결정을 내릴 수 없습니다. Benoit는 “접합 온도를 이해하는 능력이 신뢰성을 결정하는 핵심입니다.”라고 말합니다. “공급업체의 성능 등급이나 특정 테스트 결과에만 의존할 수는 없습니다.”
PCB(인쇄 회로 기판) 및 부스바 설계를 포괄하는 철저하고 정확한 전자 설계 탐색에는 기계 CAD와 전자기, 열 및 구조 분석의 통합이 필요합니다. 솔루션은 모든 엔지니어가 다른 학문 영역에 쉽게 접근하고 전문가가 서로 상호 작용할 수 있는 단일 환경 내에서 개발이 이루어지도록 하는 것입니다.
ATZ 국제 웨비나는 설계, 시뮬레이션 및 테스트를 통합하여 전력 전자 장치를 최적화하고 EMI/EMC 규정 준수 및 성능을 보장하는 안정적이고 컴팩트한 패키지에 필요한 전력 밀도를 제공하는 Simcenter 워크플로를 구축하는 방법을 설명합니다.
초기 전기 모터 크기 조정부터 성능 검증까지
한 가지 기본 요구 사항은 모터의 수명이 차량 보증 및 차량 수명보다 확실히 길어야 한다는 것입니다. 열 설계는 수명과 성능을 향상시키는 주요 방법 중 하나입니다.
Benoit는 “늘 그렇듯이 성공은 디자인 단계부터 시작됩니다.”라고 말합니다. “전기 모터 요구 사항은 EV 성능 목표에서 계단식으로 내려갑니다. 빠르고 정확한 모터 크기 조정 및 구성을 얻는 가장 좋은 방법은 아키텍처 단계에 있는 동안 전자기 효율성, 열 및 열, 진동 음향 성능에 대해 여러 설계 유형 및 토폴로지를 신속하게 평가하는 것입니다.”
Simcenter 포트폴리오는 이러한 모든 영역 간의 연결을 제공하여 모터 크기 및 설계가 전체 차량에 어떤 영향을 미치는지 평가할 수 있습니다. 설계가 일련의 운영 요구 사항으로만 존재하는 초기 단계에서 Simcenter는 광범위한 모터 템플릿 라이브러리와 200개 이상의 재료를 제공합니다. 이는 목표를 달성하고 최고의 열 냉각 시스템을 생성할 완전히 새로운 모터 아키텍처를 식별할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 모든 가상 모델은 Simcenter Amesim으로 내보내기만 하면 테스트하고 검증할 수 있습니다.
전기 구동 변속기 효율 극대화
작동 관점에서 볼 때 과제는 변속기 시스템 효율성을 최대화하는 동시에 무게를 최소화하고 이를 포장 제한 내에서 드라이브의 나머지 부분과 결합하는 것입니다. 기어박스 내 회전 기어에서 발생하는 소음과 진동을 정확하게 예측하려면 기어 접촉 응력, 베어링 힘, 샤프트 유연성을 평가하는 것이 필수적입니다. 이는 내구성과 윤활용 오일 공급을 포함한 다양한 특성에 맞춰 설계하는 것을 의미합니다.
제조업체는 더 가벼운 차량을 만들고 싶어하며 새로운 재료 사용을 고려할 수도 있지만 항상 완벽하게 입증된 것은 아니기 때문에 특정 문제가 발생합니다.
또 다른 요인은 예산이다. 단일 기어의 프로토타입 제작 비용은 최대 미화 200,000달러에 달할 수 있습니다. 따라서 성과를 철저히 평가해야 하며, 자본 투자를 하기 전에 실패나 약점을 즉시 해결해야 합니다.
전기 구동 시스템, 전자기, 열, 기계 및 음향 엔지니어를 위한 에코시스템
제조업체가 최고의 통계와 가장 호의적인 리뷰를 위해 경쟁함에 따라 고객 요구를 충족하는 것은 상업적 성공에 필수적이며 전기 드라이브의 특성은 상당한 기여를 할 수 있습니다. 전체 차량 내 다양한 구성 요소와 시스템의 의미를 명확하게 이해해야 합니다.
차량 비용과 개발 시간을 줄이는 입증된 방법 중 하나는 조직이 엔지니어링 설계, 분석 및 테스트의 모든 측면이 동시에 진행되는 단일 공동 작업 환경에서 작업하는 것입니다. Simcenter 포트폴리오는 이러한 모든 영역 간의 연결을 제공하므로 주기의 각 단계의 출력을 다음 단계의 논리적 입력으로 사용하고 이전 단계로 피드백하여 궁극적으로 차량 수준에서 검증을 제공할 수 있습니다.
무리를 이루는 새들은 리더를 따르기 때문이 아니라 다음에 무엇을 할지 예상 함으로써 빠르게 방향을 바꿀 수 있습니다 . 이것이 바로 협력적이고 유연한 생태계의 장점입니다. 이는 여러분의 조직이 조화롭게 움직이는 데에도 도움이 됩니다.
모든 조직 내의 변화는 어려울 수 있으며, 시뮬레이션 사용의 증가는 더 높은 충실도와 자신감으로 이어져야 합니다. 새로운 워크플로는 조직 전체에 광범위한 영향을 미치므로 올바르게 구축해야 합니다.
[출처] https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/electric-drive-systems-engineering/
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