HIL (Hardware-in-the-loop) 시뮬레이션을 통해 Subaru 하이브리드 차량 테스트 개선

오늘날 자동차에는 차량 내에서 확장 기능과 고급 컨트롤을 관리하기 위해 엄청나게 많은 수의 ECU가 장착되어 있습니다. 하이브리드 차량에서 모터 ECU는 전원 시스템과 함께 기존 엔진과 전기 모터 사이의 상호작용을 관리하기 때문에 한층 더 복잡한 역할을 담당합니다.

Subaru의 모회사인 Fuji Heavy Industries는 첫 번째 하이브리드 차량인 Subaru XV Crosstrek Hybrid 개발에 착수했습니다. 이는 일본 국내 및 북미 시장 둘 다를 대상으로 양산형 하이브리드 차량을 공급하기 위한 초기 시도였습니다. 저희 엔지니어가 초기 하이브리드 프로토타입을 위한 모터 ECU를 개발했지만, 해당 부품은 자동차를 출시하기 위한 엄격한 요구사항을 충족하지 못했습니다. 양산형 차량의 경우 ECU에는 다양한 작동 조건, 심지어 물리적 하드웨어에서는 테스트할 수 없거나 테스트하는 것이 비현실적인 시나리오에서 조차 차체의 손상을 방지하고 운전자와 승객의 안전을 보장하기 위해 다양한 제어 기능이 필요했습니다.

예를 들어, 꽁꽁 언 도로를 주행하는 조건에서는 휠의 견인력이 갑자기 손실될 수 있습니다. 가속 중에는 이로 인해 모터 속도가 급격히 증가할 수 있으므로 안전하게 처리되어야 합니다. 그러나 이러한 안전 거동은 다이나모미터에서 물리적으로 재현될 수 없으며, 시간이 많이 소모되고 테스트 트랙에서 재현하는 데 어려움이 있습니다. 이와 같은 특정 안전 조건에 대한 복잡한 컨트롤 알고리즘을 개발하고 검증해야 하므로 양산형 차량에 필요한 품질 레벨을 충족하기 위해서는 테스트에서 외부 작동 조건을 고려해야 합니다.

새로운 접근 방식

저희 엔지니어가 ECU를 리얼타임 전기 모터 시뮬레이션에 연결하여 기존의 기계식 테스트에서는 시스템이 파손될 수 있는 극단적인 특이점을 포함한 다양한 조건을 테스트하고 확인했습니다. 이들은 성공적인 테스트를 위한 다음 세 가지 기본 목표를 설정하고 이 소프트웨어 시뮬레이션 접근 방식을 충분히 확인하기 위한 메커니즘을 개발했습니다.

● 생성 또는 복제가 쉽지 않은 극단적인 환경을 포함하여 다양한 조건에서 ECU 기능 확인

● 테스트 케이스를 요구사항에 맵핑하여 완벽한 테스트 범위 보장

● 재귀 테스트를 쉽게 수행하여 설계 반복을 신속하게 검증

이러한 목표를 달성하기 위해 저희 엔지니어링 팀은 V 다이어그램 접근 방식을 사용하여 설계 및 검증 프로세스를 시작했습니다(다이어그램 1). 이 다이어그램은 각 단계의 테스트 포인트를 포함하여 임베디드 소프트웨어 설계 및 배포 검증을 위한 단계별 방법을 보여줍니다. 설계 프로세스의 여러 단계에서 실제 차량 모터를 정확하게 나타내는 실시간 모터 시뮬레이션을 기준으로 모터 ECU를 검증하는 HIL (Hardware-in-the-loop) 시스템이 필요했습니다. 또한 HIL 시스템을 사용하여 저희 엔지니어는 테스트 결과를 자동으로 기록하고 ECU 변경 시 회귀 테스트를 자동화하여 추적성 요구사항을 충족할 수 있었습니다.

시스템 성공

새 검증 시스템은 실제 모터 ECU와 모터 작동을 시뮬레이션하는 HIL 시스템으로 구성됩니다(다이어그램 2). HIL 시스템은 인덕턴스나 저항과 같은 물리적 파라미터를 설정하여 모터의 모든 작동 조건을 나타낼 수 있습니다. 또한 부하 토크와 원하는 회전 속도의 조합과 같은 결함 조건 또는 테스트 시나리오를 포함하여 전력 전자기기의 파라미터를 설정할 수 있습니다. HIL 시스템은 테스트 중간에 파라미터를 간단하게 변경함으로써 이전의 견인력 손실 또는 물리적 하드웨어를 파손할 수 있는 인버터의 전력 전자기기 결함과 같은 복잡한 테스트 시나리오를 쉽게 시뮬레이션할 수 있습니다. 작업자가 테스트 패턴을 요청하면 HIL 시스템은 실제 모터와 같은 방식으로 응답하며, 전체 시스템 응답은 컨트롤러가 테스트 케이스를 안전하게 처리하는지 검증할 것이라는 기대를 가지고 상호 참조할 수 있습니다.

이 프로세스에 필요한 계산 성능이 매우 높았기 때문에 저희는 National Instruments가 이러한 요구 사항을 충족할 수 있는 유일한 공급업체라고 생각했습니다. 저희는 FPGA 칩이 탑재된 PXI 기반 컨트롤러인 NI FlexRIO FPGA 모듈을 기반으로 한 코어 시스템 하드웨어를 선택했습니다. 모듈은 시뮬레이션 모터의 작동을 나타내는 모델을 실행하며, 모든 프로그램은 NI LabVIEW 시스템 설계 소프트웨어를 사용하여 배포되어 있습니다.

저희는 각 테스트 패턴의 순차적 실행을 위한 테스트 시나리오를 Excel 스프레드시트로 생성했습니다. 실행 단계의 시간을 1 ms로 설정하고 토크 및 회전 속도를 포함한 테스트 조건을 Excel 스프레드시트에서 시간 순서대로 기입했습니다. 이러한 조건에 따라 모터 ECU가 작동하여 펄스 폭 변조 신호와 같은 신호를 HIL 시스템에 보냅니다. HIL 시스템은 이러한 신호를 수신하여 실제 모터의 작동을 시뮬레이션합니다. 보다 구체적으로, 계산 프로세스가 수행되고 결과는 실제 모터와 같은 속도로 출력됩니다. 토크와 3상 전류를 나타내는 결과 신호가 모터 ECU로 반환됩니다.

테스트 시나리오에 대한 Excel 스프레드시트를 읽고 실행한 다음 얻은 결과는 테스트 리포트를 작성하기 위해 Excel 스프레드시트에 자동으로 기록되도록 LabVIEW를 사용하여 검증 프로세스를 자동했습니다. 이 과정에서 팀은 Excel의 Visual Basic for Applications를 사용했습니다.

NI 플랫폼 선택의 이점

HIL 시스템에서 시뮬레이션의 시간 분해능과 마찬가지로 시뮬레이션 루프 속도는 중요한 요인이었습니다. 모터 ECU의 경우 시뮬레이터가 작동하려면 루프 속도가 1.2 μs 이하가 되어야 합니다. 다른 공급업체에서 제공하는 대부분의 시뮬레이션 플랫폼은 계산에 CPU를 사용하므로 루프 속도의 범위가 5 μs~50 μs였습니다.

NI FlexRIO는 제어 및 계산에 FPGA를 사용하여 처리 요구사항을 충족했는데, 이는 계산 처리 성능 측면에서도 상당한 이점을 제공했습니다. 1.2 μs에서 필요한 시뮬레이션 속도를 달성하는 능력은 이 시스템에 NI FlexRIO 플랫폼을 채택하는 데 결정적인 요인이었습니다. 또한 NI FlexRIO에는 고용량 DRAM (Dynamic Random Access Memory)이 내장되어 있어 JSOL Corp.의 JMAG 소프트웨어 도구 체인에서 제공하는 JMAG-RT 모델을 사용할 수 있었습니다. 덕분에 실제 모터와 더욱 유사하게 비선형적인 특성을 표현할 수 있었습니다.

게다가 저희 엔지니어는 NI LabVIEW FPGA Module을 사용하여 NI FlexRIO 디바이스의 FPGA를 그래픽으로 프로그래밍할 수 있었습니다. 이를 통해 하드웨어 기술 언어와 같은 텍스트 기반 언어를 사용하지 않고도 FPGA 기술을 갖춘 시스템을 단기간에 개발할 수 있었습니다.

개발된 모든 테스트 패턴은 불과 118시간 만에 자동으로 실행할 수 있습니다. 모든 테스트를 직접 수행하려면 2,300시간이 걸릴 것으로 예상됩니다. 자동화된 테스트를 사용하면 수동 테스트에서 발생할 수 있는 사람의 실수와 관련된 위험과 시간을 줄일 수 있습니다. HIL 시스템은 모터 벤치 및 테스트 차량 준비와 같은 설정 절차의 수를 크게 줄이는 것을 포함해 시간을 단축하는 이점을 추가로 제공하며, 고전압 장비를 다룰 자격을 갖춘 테스트 인력이 필요 없습니다.

팀에서는 각 테스트 시나리오별로 시뮬레이션된 토크 및 3상 전류 값을 1 ms의 시간 간격으로 저장하여 테스트 결과를 미리 보고하는 Excel 스프레드시트를 준비했습니다. HIL 테스트에서 얻은 값은 순차적으로 Excel 스프레드시트에 기록된 후 대응하는 예상 값과 비교하여 테스트 결과를 결정하였습니다.

저자 정보:

Tomohiro Morita 님
FUJI Heavy Industries, Ltd.
일본