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모델 기반 설계 환경에서의 배터리 관리 시스템 개발

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발표/홍혁기 부장, 매스웍스코리아 

정리/심정현, Allison+Partners Korea

전기 배터리는 자동차, 항공/우주항공, 소비자 전자기기, 에너지 등 다양한 부문에 도입됐으며, 이러한 산업의 엔지니어들은 배터리 개발 시 중요 고려사항으로 ‘주행거리’, ‘충전시간, ‘배터리 수명’을 꼽는다. 이러한 고려사항만큼이나 중요한 것이 바로 ‘배터리 관리 시스템(BMS)’이다.

그러나 실제 산업 분야 현업의 엔지니어들은 BMS 개발 시 다음과 같은 주요 도전과제를 해결해야 한다.

• 협업 측면: 멀티-도메인을 구현하고 통합해야 하므로, 각 도메인 담당 엔지니어들 간의 용이한 협업을 지원하는 ‘멀티-도메인 모델링 환경’이 필요하다.

• 개발 사이클의 반복과 개발 소요 시간: 각 개발 사이클에 소요되는 시간을 단축시킬 것이 요구되고 있다.

• 안전이 중요한 시스템: 업계에서 제시하는 기능안전성 인증표준을 충족하는 제품을 만들어야 하는 어려운 과제가 있다.

매스웍스는 멀티-도메인 모델링 환경에서 상이한 여러 도메인의 모델링 및 다양한 형태의 시뮬레이션, 설계로부터의 코드 생성, 모델 재사용성 및 검증을 지원하므로 여러 전문 엔지니어들 간의 협업을 보다 용이하게 만들고 개발 시간 단축을 지원할 수 있다.

또한, 단일한 워크플로우로 BMS 시스템 요구사항 정의, 하부 구성요소를 포함한 시스템 구현, 시뮬레이션 및 테스트 결과 공유 및 추적성 유지를 지원한다. 시스템 설계 이후 요구되는 다양한 SW 검증을 자동화할 수 있다. 

BMS 아키텍처 개발

전기차 관점에서 BMS는 마이크로컨트롤러(MCU), 차량제어기(VCU), 차체제어모듈(BCM) 등 다양한 요소들로 구성된 전체 전기차 아키텍처의 일부다. BMS는 배터리 셀의 직병렬 형태의 모음인 배터리 팩 물리량 정보를 획득, 전달하는 전자적 하드웨어, 그리고 이러한 정보를 이용해서 다양한 제어값을 생성하는 소프트웨어로 구성된다. 소프트웨어는 제어 알고리즘으로 구성돼 있으며, 하드웨어의 셀 측정, 진단, 밸런싱 정보를 바탕으로 관리감독, 배터리 충전율(SOC) 측정, 이상 탐지, 온도 관리, 전류 전력 제어 등의 필수 기능을 수행한다.

자동차 전기전자(EE) 아키텍처는 명확한 뷰와 분석 가능한 간소화된 아키텍처를 기반으로 배터리 셀의 동작특성을 정의하고 그에 따른 제어기의 성능을 검증하며, 표준, 시스템 및 기능 등 각종 요구사항 만족여부 검증을 지원한다. 자동차의 각종 기능 및 첨단 시스템 구동을 위한 다양한 네트워크 통신을 지원하는 게이트웨이의 경우, 자동차 기능 구현을 위한 수십 및 수백가지의 이슈들이 도메인 컨트롤러 형태로 결합돼 대폭 간소화 및 기능 통합을 지원한다. 점차 복잡화되는 자동차 시스템을 위해 최근 자동차 EE 아키텍처는 도메인 컨트롤러 아키텍처에서 클라우드 기반 서비스 지향 아키텍처로 진화하고 있다.

매스웍스의 시뮬링크(Simulink)는 아키텍처의 요구사항과 설계 간 추적성 및 동기화를 지원하며, 시스템 컴포저(System Composer)를 통한 직관적인 아키텍처 설계·분석을 통해 복잡성을 최소화시킨다. 이러한 시스템 컴포저와 매트랩(MATLAB)은 서로 결합 사용되어 보다 유연한 시스템 분석이 가능하다.

물리적 모델링 및 시뮬레이션을 통한 배터리 모델 설계

매스웍스는 배터리 자체에 대한 물리적 모델링, 그리고 테스트 및 시뮬레이션을 통해 정상상태, 충방전 저항, 성능, 소스 전환 요소가 온도, 전류, 배터리 충전율(SOC) 조건에서 실제와 같이 작동하는 배터리 모델을 개발하도록 한다.

위에서 언급한 다양한 요소들이 결합된 배터리 셀을 테스트한 결과 얻은 실험값을 배터리 셀 모델에 입력하여 시뮬레이션을 수행하고, 해당 시뮬레이션 결과값을 실험값과 비교하여 서로 같아질 때까지 파라미터 튜닝 및 시뮬레이션을 반복할 수 있다.

배터리 셀뿐만 아니라 팩 수준의 시뮬레이션도 가능하다. 다양한 형태를 조합한 아키텍처를 구현하고, 이에 대한 멀티-도메인 시뮬레이션을 수행할 수 있으며, 검증 워크플로우까지 구현할 수 있다.

BMS 알고리즘 설계, 검증 및 배포

배터리 모델링 완료 이후는 BMS 알고리즘 설계 후 배터리 모델에 통합시켜 통합 시뮬레이션을 수행하고, 시스템 분석 및 사양 업데이트를 하는 단계다. 매스웍스의 시뮬링크 스테이트플로우(Stateflow)가 각 전압의 전류 한계, 온도, 상태별 BMS 제어모듈, 배터리 충전율(SOC), 셀 밸런싱(셀별 전압 충전도) 알고리즘을 구현하는 데 많이 사용돼 BMS 구체화 역할을 하고 있다. 

구체화된 BMS 모델과 플랜트 모델을 기반으로 통합 시뮬레이션을 통해 BMS 알고리즘이 사전 정의된 시스템 요구사항을 충족시키며 작동하는 지 확인하는 작업을 거친다. 배터리 충전율(SOC), 배터리 잔존수명(SOH), 셀 밸런싱, 결함 주입을 통한 진단 등 다양한 시나리오별 전체 시스템의 통합 시뮬레이션을 수행하게 된다.

그 결과, 성능 분석을 통해 충방전시 셀 전압·온도·충전율(SOC) 등의 시스템 동작을 확인할 수 있다. 이를 통해 개발 대상 BMS 시스템에 어떤 특성이 적합한 지 확인할 수 있다.

또한, 실제 배터리와 ECU를 사용해 테스트를 하기 전, 시뮬레이션을 통해 먼저 시스템의 특성을 확인해야 한다. 그 이유는 긴 배터리 라이프사이클 테스트, 개발자가 원하는 시점에서의 이슈 재현, 안전을 포함한 발생 가능한 모든 유형의 고장 야기 및 유지, 자동화의 현실적인 어려움 때문이다.

BMS 시스템 시뮬레이션 및 사양 업데이트 후 이뤄지는 배포 시에는 해당 시스템의 버그 유무와 함께 신뢰도를 검증해야 한다. BMS 시스템은 안전이 매우 중요한 시스템으로, 기능안전 표준 준수 권고를 충족할 것이 요구되므로 오류 방지가 핵심이다. 

매스웍스는 자동화된 워크플로우 기반의 시뮬레이션을 통해 조기 이슈 해결을 돕는다. 모델에 대한 요구사항 기반의 동적 검증, 모델 정적 검증, 모델의 테스트 케이스(입력, 판단 로직 등 테스트 환경 정의)에 대해 자동 생성된 코드의 정적 검증을 실행할 수 있다. 

동적 검증의 핵심 솔루션, 시뮬링크 테스트(Simulink Test)는 테스트 케이스 관리·운영·리포트 등 테스트 과정의 전반을 자동화를 지원하며, 동기화된 시뮬레이션 테스트 환경, 하네스(Harness, 테스트 환경 모델) 추가, 테스트 인풋·기대 아웃풋·톨러런스(tolerance) 값 설정, 복잡한 테스트 시퀀스 구성을 지원한다.

검증된 BMS 알고리즘은 매스웍스의 임베디드 코드를 통해 설계로부터 고품질 양산 코드를 자동 생성한 후, 다양한 벤더사의 타깃 하드웨어로 배포 가능하다. 

또한, 하드웨어-인-룹 테스트(HIL, Hardware-In-Loop) 테스트를 위해 고성능 하드웨어로 배포한 후 IO 보드와 연결해 HIL 테스트를 수행할 수 있다. 이를 통해 BMS를 매우 효율적으로 실시간 테스트할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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