전기차(EV) 엔지니어링 혁신

CDOS(Comprehensive Design and Optimization Simulation)

CDOS(Comprehensive Design and Optimization Simulation) 개념은 단순한 기술적 변화가 아니라 차량 엔지니어링에 대한 새로운 생각의 전환이다. 

EV가 점점 더 복잡해지고 소프트웨어 기반으로 시스템 전체 최적화에 의존됨에 따라, 

CDOS는 빠르고 효율적인 혁신을 추구하는 자동차 제조기업에 없어서는 안 될 필수 요소가 될 것이다.

글로벌 EV 시장이 성장함에 따라 설계 및 엔지니어링 분야에서도 새로운 과제가 대두되고 있다. 

콤포넌트를 독립적으로 개발하여 나중에 결합할 수 있는 내연기관(ICE) 차량과 달리 전기차(EV)는 보다 전체적인 접근을 필요로 한다. 

주행 거리, 승차감 및 성능과 같은 요소를 최적화하기 위해 자동차 제조업체와 벤더는 모든 컴퍼넌트와 하위 시스템의 원활한 결합을 보장하는 시스템 전반의 방법론인 CDOS(Comprehensive Design and Optimization Simulation)접근 방식을 고려해야 한다.

RTInsights가 지멘스의 자동차 산업 솔루션 디렉터 그리고 자동차 및 운송 솔루션 디렉터와 독점으로 인터뷰를 진행하였다. 

CDOS가 EV 개발을 어떻게 변화시키고 있는지, CAD 및 디지털 트윈 기술 같은 기존 방법에 비해 CDOS의 장점, 

그리고 이러한 혁신을 주도하는 지멘스의 역할을 아래에 소개한다.

CDOS(Comprehensive Design and Optimization Simulation)는 무엇인가?

CDOS가 수행할 수 있는 능력을 알아보기 위해서는 CDOS가 무엇이고 어떤 역할을 하는지 제대로 이해하는 것이 중요하다.

CDOS는 차량 설계에 대한 총체적인 접근 방식으로, 차량 레벨에서 개별 구성부품에 이르기까지 모든 콤포넌트가 함께 작동하도록 하는 최적화 시뮬레이션 시스템이다. 

기존의 시뮬레이션 기법은 개별 콤포넌트에 초점을 맞추는 경우가 많지만, CDOS는 모든 하위 시스템이 효율적으로 통합되어 성능, 

효율 및 내구성 사이에 최적의 균형을 추구한다.

이러한 생각을 바탕으로, CDOS는 주행 거리, 편안함, 성능 등 EV에 필요한 세 가지 주요 요소의 균형을 차량 수준에서 콤포넌트 수준에 이르기까지

전체적인 설계의 관점에서 살펴본다고 전문가는 말한다.

예를 들어, EV의 열 관리는 전기 구동 장치 냉각뿐 아니라 배터리와 탑승 공간의 온도가 효율적으로 조절되도록 설계한다.

냉각 시스템이 어느 한 콤포넌트에 개별적으로 최적화되면 배터리의 열 관리 또는 탑승 공간의 실내 온도 조절 장치 같은 다른 콤포넌트에 의도치 않게 부정적인 영향을 줄 수 있다. CDOS는 엔지니어에게 개발의 모든 단계에서 전체 차량 시스템 관점에서 평가할 수 있도록 개발 초기 단계부터 차량 전체 시스템을 종합적으로 고려해 설계할 수 있도록 도와준다.

예를 들어, 내연기관 차량의 경우 전체 에너지 흐름을 분석하면 특정 조건에서 발전기가 잘 작동할 수 있다는 결론이 나올 수 있다. 

하지만 CDOS와 같은 종합적인 접근을 하지 않으면, 자동차 제조사는 단순히 최고의 성능을 가진 발전기, 예를 들어 최대 효율이 95%인 제품을 선택할 수 있다. 

그러나 실제 차량에 장착해 운전해 보면 평균적으로는 80% 효율밖에 나오지 않을 수 있다. 

반대로, 최대 효율은 낮으나 실제 주행 조건에서는 더 잘 작동하며, 보다 저렴한 발전기가 전체적으로는 더 나은 성능을 낼 수도 있다.

이처럼 CDOS의 강점은 전기차를 포함한 모든 차량에서, 개별 부품이 아닌 차량 전체를 통합적으로 고려해 설계할 수 있다는 점이 장점이다. 

전통적으로 개별적으로 따로 설계하고 최적화했던 부품들을, 이제는 서로 어떤 영향을 주고받는지를 함께 고려하면서 설계할 수 있게 된 것이다.

CDOS가 CAD나 디지털 트윈 같은 기존 툴과 다른 점

전기차(EV)는 설계와 부품 사용에 있어서, 각 요소가 차량의 다른 모든 요소들과 어떻게 상호작용하고 통합되는지를 반드시 고려해야 하는 새로운 과제를 안고 있다. 

따라서 디자이너와 엔지니어는 콤포넌트보다는 시스템 전체를 조망할 수 있는 툴이 필요하며, 이러한 요구로 인해 CDOS에 대한 관심이 높아지고 있다. 

이것은 전통적인 방식과는 분명히 다른 접근방식이다. 자동차 제조사들은 일반적으로 CAD, 디지털 트윈 같은 기술을 활용해 차량을 개발해 왔다.

CAD는 주로 개별 부품을 다루며, 구조적/기하학적 통찰력을 지원한다.

디지털트윈은 실제 제품을 가상 환경에서 재현하려 하지만, CDOS가 제공하는 다학제적(multi-disciplinary) 통합 기능은 부족하다.

기존 엔지니어링이 해결해야 하는 핵심 과제 중 하나는 데이터 추적성, 협업, 모델 재사용이다. CDOS는 이러한 문제를 해결하기 위해 Siemens에서 개발한 플랫폼으로, 

설계부터 제조까지 업무 관련자들이 통합된 환경에서 작업할 수 있도록 함으로써, EV 개발 과정에서의 비효율성을 줄이고 원활한 의사결정이 가능하도록 지원한다.

CDOS는 기계, 전기, 소프트웨어 콤포넌트를 단일 시스템 안에서 통합하여 데이터를 추적하고 협업할 수 있게 해주는 시스템으로, 

모든 요소가 차량 전체 성능에 효율적으로 기능하도록 지원한다.

특히, CDOS는 EV 제조사들이 다음 두 가지 측면에 집중하고 해결할 수 있도록 돕는다.

첫 번째는 무엇을 하고 있는지뿐 아니라 왜 그렇게 하고 있는지, 그리고 어떤 데이터에 근거해서 그렇게 하고 있는지를 명확히 알 수 있도록 데이터 추적성을 확보한다. 

두 번째 측면은 EV 설계 및 엔지니어링 과정에서 더 높은 수준의 협업 필요성을 해결해 준다. 

여러 분야의 다양한 사람들이 관여하기 때문에, 각 이해 관계자들은 다른 이들의 결정이 EV의 구성 요소에 어떤 영향을 주는지를 이해할 필요가 있다.

“이제는 다학제적(multi-disciplinary) 다양한 사람 최적화 접근 방식이 필요하다는 것이 분명해졌으며, 각 구성 요소 수준의 분석도 이제 시스템 통합 관점에서 주도되어야 한다.”고 전문가는 말한다.

중요한 것은 CDOS는 전기차(EV) 엔지니어링에 매우 중요

전기차(EV)는 차량의 설계 및 엔지니어링에 대하여 근본적으로 새로운 생각이 요구되고 있다. 

기존의 내연기관(ICE) 차량은 전륜구동, 후륜구동 등 표준화된 아키텍처를 따른다. 그러나 EV는 배터리를 차량 구조에 통합하거나, 전력 전자 장치, 

소프트웨어 기반 제어 등 설계 패러다임이 내연기관과 다르다.

EV는 종합적인 최적화 설계가 필요하다. 단순히 기계적인 측면만이 아니라, 전기, 전자공학, 그리고 칩 수준까지의 최적화가 요구된다. 오늘날 차량의 많은 부분이 

소프트웨어로 구동되기 때문이다.

예를 들어, 프로세싱 유닛을 선택할 때는 실시간 처리 성능을 충족시켜야 하는 동시에 칩의 전력 소비도 고려되어야 한다.

CDOS는 설계자나 엔지니어가 이러한 문제들을 포함해 설계 요소를 다양하게 검토하는 데 도움을 준다. 

특히 다음과 같은 분야에서 유용하다.

• 배터리 열 관리: 과열이나 화재로 이어질 수 있는 열 폭주를 방지. 안전성과 브랜드 평판에 매우 중요.

• 소프트웨어-하드웨어 공동 설계: 프로세싱 유닛, 전자 장치, 소프트웨어가 균형을 이루어 실시간 성능과 에너지 소비 최적화.

• 멀티 도메인 최적화: 파워트레인, 공기역학, 에너지 소비 등 각각 개별 문제가 아닌 상호작용하는 요소로 고려.

이러한 요소들을 고려하는 것은 단순히 완성차 업체만의 문제가 아니라, 시스템 전체를 바라보는 관점이 필요하므로, 완성차 업체와 공급업체 간의 협업 방식도 변화하고 있다.

예를 들어, EV의 전기 구동 시스템은 대부분 공급업체가 개발한다. 

이는 전통적인 완성차 업체의 핵심 개발 영역이 아니었기 때문에 발생하는 변화이다.

이러한 변화는 사람과 조직이 협력하는 방식을 변화시키고 있다. 

전기 구동 시스템과 열 관리 시스템을 예로 들면, 전기 구동 장치는 공급업체 A사가, HVAC 시스템은 공급업체 B사가, 배터리는 공급업체 C사가 개발하는데, 

이것들이 모두 최적화되어 함께 작동해야 한다.

완성차 업체는 파트너 생태계가 변화하고 있음을 실감하고 있다. 관련 파트너들이 통합된 방식으로 협력해야 한다. 

CDOS의 전체론적 접근 방식은 이러한 협업을 가능하게 할 뿐 아니라, 개발 시간을 단축하고, 비용이 많이 드는 설계 오류를 사전 방지하며, EV의 안전성과 효율성을 높인다.

CDOS 기술 파트너 Siemens

Siemens는 강력한 Siemens Xcelerator 포트폴리오를 활용하여 자동차 제조업체가 CDOS를 구현할 수 있도록 지원하는 데 중추적인 역할을 하고 있다. 

이 포괄적인 도구 제품군은 멀티 도메인 공동 설계가 가능하여 기계, 전기 및 소프트웨어 엔지니어 간의 원활한 협업을 가능하게 한다.

Siemens의 CDOS 특징

EV 차량 개발 주기 경쟁 환경에서 54개월에서 18개월로 대폭 단축되고 있다. 

Siemens의 CDOS 솔루션으로 경쟁력 유지에 필요한 민첩성과 혁신 속도 가속.

• 컴퓨팅 시간을 일 단위에서 분 단위로 단축, 설계 사이클을 혁신하는 AI 기반 시뮬레이션

• 하드웨어 및 소프트웨어 개발, 통합 차량 제어 시스템과 전기 전자 장치 작동 최적화

• 개방성과 상호 운용성 원활, 고객은 워크플로우를 중단하지 않고 Siemens 솔루션과 타사 도구 통합

• 가상 제조 시뮬레이션, 물리적으로 구현하기 전에 생산라인의 효율성 테스트

고려해야 할 또 다른 사항은 솔루션의 개방성이다.

위에서 언급했듯이 EV 개발은 자동차 제조업체와 주요 공급업체 간의 협업이 점점 더 중요해지고 있다. 

Siemens는 개방성을 통해 다른 솔루션 공급업체의 도구와 통합할 수 있다. 따라서 효율적인 협업이 가능하다.

실제 어플리케이션: Siemens CDOS로 문제 해결 사례

여러 주요 EV 제조업체 및 공급업체는 설계 및 제조 프로세스를 최적화하기 위해 Siemens의 CDOS 방법론을 채택하고 있다.

• Energica Motors 및 eMotors: EV 설계에서 다중 속성 균형 최적화를 위해 Siemens Xcelerator 활용.

• Mercedes-Benz 및 Hyundai: Siemens의 시뮬레이션 도구를 활용하여 EV 성능 및 제조 가능성 최적화.

• Denso: EV 하위 시스템의 원활한 통합을 위해 Siemens의 CDOS을 사용하는 핵심 공급업체.

또 하나 주목할 만한 중요한 과제는 공급업체와의 협업과 관련이 있는 비밀 유지이다. 

예를 들면, HVAC 시스템과 EV 배터리를 구성하는 컴포넌트는 서로 경쟁업체일 수도 있고, 또 다른 공급업체에서 제공할 수도 있다.

Siemens의 CDOS는 업체의 독점적 데이터를 노출하지 않고 컴포넌트를 통합할 수 있으므로 회사 간 원활하고 안전한 협업을 보장할 수 있다.

또한 가상 공장 시뮬레이션을 통해 물리적으로 구현하기 전에 생산 병목 현상을 파악하여 운영 비용을 절감할 수 있다.

CDOS를 통한 전기차(EV) 엔지니어링의 미래

CDOS는 시장 출시 시간 단축과 효율성 개선, 장기 신뢰성 보장 등 자동차 제조회사에게 미래를 밝히는 솔루션이다.

CDOS는 단순한 기술적 변화가 아니라 차량 엔지니어링에 대한 개념의 새로운 변화이다.

EV의 구조가 점점 더 복잡해지고 소프트웨어 중심으로 시스템 전체를 최적화하는 데 있어서 CDOS는 빠르고 효율적인 혁신을 추구하는 

자동차 제조기업에 없어서는 안 될 필수 요소가 될 것이다.

참고 | https://www.rtinsights.com/how-comprehensive-design-and-optimization-simulation-cdos-is-revolutionizing-electric-vehicle-engineering/​