▲ CAE 컨퍼런스 2022 전경


경험·실물 검증 → 데이터 기반 디지털 트윈 이동
지멘스, 차량 구성 시스템 단위 디지털 트윈 구축
 

디지털 트윈이 전기차 구동계 부품 개발부터 통합 개발까지 모든 영역에 걸쳐 중요한 요소로 자리 잡고 있다는 전문가의 발표와 함께 사례가 소개됐다.

건국대학교 기계설계학과 4단계 BK21은 지난 18일 수원컨벤션센터에서 '디지털 트윈과 DX 그리고 미래 모빌리티'를 주제로 'CAE 컨퍼런스 2022'를 개최했다.

발표자로 나선 신성원 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어 전무는 지멘스의 시뮬레이션 솔루션인 심센터를 이용한 전기자동차의 구동 부품 개발에서부터 차량으로 통합 개발하는 방안을 소개했다.

CAE는 Computer-Aided Engineering의 약자로 제품 설계를 개선하거나 광범위한 업계의 엔지니어링 문제를 해결하는 과정을 보조하기 위해 성능을 시뮬레이션할 수 있는 컴퓨터 소프트웨어를 사용하는 것을 의미한다.

CAE는 국내 제조업체의 R&D에서 중요한 부분을 차지하고 있고, 제품 개발 과정에서 빼놓을 수 없는 필수 요소로 자리잡았다.

신 전무는 “설계 시간과 비용을 확실하게 줄일 수 있는 디지털 트윈을 통한 개발 체계가 자리잡고 있다”며 “현대자동차 등 많은 자동차 제조 업체들도 경험 기반, 실물 검증 기반의 개발 체계를 데이터 기반 디지털 트윈을 이용한 개발 체계로 바꾸기 위해 노력하고 있다”고 전했다.   

지멘스가 바라보는 디지털 트윈은 물리적 제품이나 프로세스를 Virtual 환경에서 정확하게 표현하는 것이다.

그는 디지털 트윈의 장점으로 실물과 가상의 표현 사이에 양방향 연결성을 제공하고, 제품 및 생산을 최적화할 수 있다는 점을 꼽았다.

지멘스는 Comprehensive Digital Twin(포괄적 디지털 트윈)이라는 목적 아래 제품만을 구현하는 것이 아닌 생산 공정까지도 디지털 트윈으로 구축하려 노력하고 있다.

디지털 트윈 프로덕션을 통해 제조 및 생산 계획에 대해 미리 검증, 시뮬레이션하고 개선을 통해 실제 제품으로 만들어지는 데까지 디지털 트윈을 이용한다는 의미다.

이어 실제 운행되면서 생겨나는 데이터들까지 합쳐 제품을 계속 개선해 나갈 수 있도록 하여 Closed Loop를 이루며 지속적으로 개발이 될 수 있도록 구축했다.

위의 방법을 통해 지멘스는 차량 구성 시스템 단위로 성능 개발이 이루어질 수 있도록 디지털 트윈을 구축한다.

신 전무는 지멘스의 Simcenter가 전기차의 구동과 직접적으로 연결되는 모터와 배터리 설계에 적용되는 사례를 소개했다.

Simcenter는 개념 설계부터 상세설계 및 검증까지 디지털 트윈을 기반으로 제품 개발을 할 수 있도록 하는 통합 솔루션이다.

이를 이용하면 시제품 개발 전에 문제점 조기 발견과 개선을 통해 개발기간을 단축하고 품질 개선으로 개발비를 절감할 수 있다.
 
모터 개념 설계에서는 형상, 재질, Winding 등의 설계변수를 변경해 효율, 발열 등의 모터 성능을 검토하고 최적화할 수 있으며, 상세 설계 단계에서는 지멘스의 Star CCM+를 더해3D CAD를 이용해 전자기 성능, 구조, 열유동, 소음 및 진동 성능을 예측하고 개선할 수 있다.

전기차 배터리 개발 단계에서는 마이크로스트럭처 단위의 전기화학 검토는 Simcenter의 starCCM+을 이용해 수행한다.

전극 형태가 배터리의 전기화학적인 성능에 미치는 영향을 3D로 나타낼 수 있고, 배터리 구성 물질의 이동 등도 시뮬레이션할 수 있다.

셀 단위 디자인에서는 전극, 배터리의 설계변수를 이용해 성능을 빠르게 검토하며, 셀의 형상 모델과 성능 모델을 결합해 셀의 디지털 트윈을 구축한다.

배터리 팩 단위에서의 디자인에서는 starCCM+로 검토하며 모듈, 팩의 구조, 냉각 성능까지 검토할 수 있으며 열폭주에 대한 검토와 개선이 이루어질 수 이도록 한다.

신 전무는 “전기차의 소음과 진동 문제 해결을 해결하는 데도 디지털 트윈이 효과적으로 이용된다”며 “이러한 개발 방법이 전기차의 개발을 가속화시키고 친환경 시대도 앞당길 수 있을 것”이라고 전했다.