[편집자주]지난 8월 서울을 비롯한 중부 지방에서는 80년 만의 기록적인 폭우로 도심 곳곳에서 정전이 일어났다. 한국전력공사의 발표에 따르면 2022년 8월 기준 1만2,000여 가구가 정전으로 인한 피해를 겪은 것으로 나타났다. 이렇게 이상기후로 인한 국내 전력 불안정성이 높아지면서, 가정, 병원, 데이터센터, 산업 플랜트 등에서 갑작스러운 전력 단절 상황으로 인한 업무 중단 및 데이터 손실 등을 예방하기 위해 비상전원을 확보해야 한다는 목소리가 높아지며, 정전 시에도 일정 시간 전력을 계속 공급하는 장치로 UPS(무정전 전원공급장치, Uninterruptible Power Supply)에 대한 수요가 증가하고 있다. UPS 수요가 증가하며 UPS의 상태를 최적으로 관리해 주는 BMS 개발이 중요해 졌다. 과거 BMS 개발에는 임베디드 하드웨어에서 직접 테스트를 진행하는 방식으로 이뤄져 개발 시간이 많이 걸렸으나 최근 소프트웨어 시뮬레이션을 이용한 개발을 통해 개발시간 단축 및 비용절감 효과를 보고 있다. 이에 매스웍스 MATLABⓡ 및 Simulinkⓡ를 이용해 BMS 개발에 활용한 프랑스의 배터리 업체 사프트(Saft)의 사례를 통해 BMS 개발기간을 단축하고, 설계 오류는 사전에 예방할 수 있는 방안에 대해 살펴봤다.
■ 佛 사프트(Saft), 매스웍스 매트랩·시뮬링크로 BMS 개선

프랑스 최대 정유회사인 토탈에너지(TotalEnergies)의 자회사이자 배터리 업체인 사프트는(Saft)는 무정전 전원공급장치인 Flex’ion Gen2의 BMS(배터리관리시스템) 개발 과정에서 전통적인 접근법을 탈피하고 매스웍스의 MATLABⓡ 및 Simulinkⓡ를 기반으로 한 모델 기반 설계를 도입했다.

사프트(Saft)의 기존의 개발 접근법은 C언어로 직접 소프트웨어를 코딩해서 컴파일한 다음 임베디드 하드웨어에서 직접 테스트를 실행하는 방식이었다.

이러한 테스트 방식은 오류가 소프트웨어에 있는지 이전에 테스트되지 않은 하드웨어에 있는지 구분할 수 없어 디버그하기 어렵다는 단점이 있었다.

또한 하드웨어가 준비될 때까지 테스트를 진행하기 어렵기 때문에 엔지니어들은 프로젝트 기한이 임박해서 요구사항 관련 문제를 발견하는 경우가 많았다.

이렇게 늦게 발견되는 에러는 프로젝트 비용을 가중시켰고, 수정도 더 어려워 제품 출시가 지연되는 등의 위험을 야기했다.

사프트(Saft)는 이러한 문제를 해결하기 위해 매스웍스의 매트랩(MATLAB)과 시뮬링크(Simulink)를 도입했고, 이를 통해 하드웨어 테스트 전에 설계 모델을 조기 검증해 개발 및 인증 시간을 단축하고, UL(Underwriters Laboratories Inc.) 1998 및 기타 기능 안전 표준을 충족하는 모델을 구현하는 등의 쾌거를 이룬 것으로 나타났다.

■ 모델링·시뮬레이션 기능 활용 소프트웨어 개발시간 단축·품질 개선

사프트(Saft)는 시뮬링크를 활용해 DC-DC 컨버터, 회로 차단기, 인버터, 센서 등을 포함하는 하드웨어의 플랜트 모델을 개발했다.

이들은 배터리 셀 모델을 만들고 배터리 시스템 내 224개 셀 각각에 대해 이 모델을 복제하여 여러가지 변형모델(Variant)을 제작했다.

이후 응용 프로그램 소프트웨어 모델의 검증을 위해 시뮬레이션 기능을 활용했다.

이러한 시뮬레이션 과정에서 테스트되지 않은 모델 요소를 식별했고, 시뮬레이션 자동화를 통해 1,500개 이상의 테스트 케이스가 포함된 테스트 스위트를 개발해 시뮬레이션 시간을 단축하는 데에 성공했다.

모델 기반 설계 덕분에 BMS 소프트웨어의 개발과 인증에 필요한 시간이 50% 이상 단축된 것으로 나타났다.

또한 사프트(Saft)는 시뮬링크 코더(Simulink Coder)를 사용해 플랜트 모델로부터 C 코드를 생성한 후 HIL(Hardware-in-the-Loop)테스트를 진행했다.

HIL(Hardware-in-the-Loop) 테스트는 시스템 하드웨어 없이 임베디드 코드에 대한 테스트를 시작할 수 있는 실시간 시뮬레이션으로, 개발 중인 코드가 사양 내에서 작동하지 않을 경우에 하드웨어를 손상시킬 수 있는 비정상 및 고장 상태를 예측할 수 있다.

기존의 개발 방식대로라면 소프트웨어 테스트에 있어 제한된 수의 테스트 케이스만 진행할 수 있었지만, 매스웍스의 모델 기반 설계를 활용하면 수백 번의 데스크탑 시뮬레이션과 HIL 테스트 케이스를 반복해서 실행할 수 있게 된다.

이로 인해 이전에는 찾기 어려웠을 문제를 더 일찍 감지하고 식별하여 보다 정교한 소프트웨어 모델을 구현할 수 있다.

■ 한 차원 개선된 품질·업계 인증 표준 갖춘 배터리, 매트랩·시뮬링크로 가능

사프트(Saft)는 응용 프로그램 소프트웨어와 플랜트를 모두 시뮬링크에서 모델링했기 때문에 설계 모델의 오류를 빠르게 파악할 수 있었다. 이로 인해 제품의 질을 개선했을 뿐 아니라 UL 1998 안전 인증을 획득했다.

다양한 기업, 관공서, 산업 플랜트 등에서 비상전원을 확보하고자 하는 움직임이 활발한 가운데, 많은 배터리 업체들이 보다 우수한 성능을 자랑하는 배터리를 장착한 UPS(무정전 전원장치) 개발에 박차를 가하고 있다.

이에 따라 모델링 및 시뮬레이션 기능을 제공하는 매스웍스의 시뮬링크 및 매트랩 등 컴퓨팅 플랫폼에 대한 수요도 증가할 것으로 보인다.

매스웍스 관계자는 “BMS(배터리 관리 시스템) 개발 시 주요 도전과제는 각 개발 사이클에 소요되는 시간을 단축시키고 업계에서 제시하는 기능안전성 인증 표준을 충족하는 제품을 구성하는 것”이라며 “매스웍스의 모델 기반 설계 환경인 시뮬링크는 설계 초기 단계에서 이슈를 발견 및 해결해서 시스템의 고신뢰도를 확보할 수 있고, 설계에서의 오류를 사전에 예방하고, 이로써 전체 검증 시간 및 비용을 단축시킬 수 있다는 이점이 있다”고 강조했다.