전기자동차 스타트업 회사의 HILS 테스트 장비 설계

다음 상황을 가정해 보겠습니다. 여러분은 전기자동차(EV) 스타트업 회사에서 HILS(Hardware-in-the-Loop Simulation) 테스트 시스템을 설계하는 업무를 담당하고 있습니다. 하드웨어, 소프트웨어, 개발 도구, 테스터 및 테스트 코드 등 모든 것이 새롭습니다. 그러나, 운영 환경을 올바르게 시뮬레이션하려면 시스템이 가능한 한 정확해야 합니다. 또한, EV 배터리를 장착한 전자 제어 장치(ECU) 설계 업무도 담당하고 있습니다. 철저하게 테스트하려면 정상적인 작동 범위를 넘는 상황을 시뮬레이션해야 합니다. 테스트 환경은 매우 위험 할 수 있기 때문에 폭발로 인한 사고로부터 안전한 장소가 필요합니다.

요약하면, 시뮬레이션은 높은 수준의 위험을 가진 매우 역동적인 상황입니다. 또한, 스타트업 상황이기 때문에 확정된 제품 로드맵 없이 매우 바쁜 일정만 있어서, 앞으로 2년 내지 3 년 동안의 테스트 시스템 요구 사항을 대비하고 계획해야 합니다. 여러분은 아마 여섯 달 정도의 가시적인 계획은 있을 것입니다. 따라서, 매우 유연하고 확장 가능한 테스트 시스템이 필요합니다.

자동차 전자제어장치를 위한 하드웨어-인-더-루프 시뮬레이션

전자 제어 장치(ECU)는 시스템의 핵심 요소입니다. ECU를 개발하는 과정에서 HILS는 ECU가 작동하는 실제 상황과 유사한 또는 그 이상의 열악한 상황을 시뮬레이션한 상황에서 ECU의 작동을 테스트하는데 대표적으로 사용되는 방법입니다. 계측시험기기는 ECU의 센서 입력을 시뮬레이션하고 ECU 제어 출력을 측정 및 검증하는 데 사용됩니다. 안전과 관련된 제어 장치는 일반적으로 인증이 필요한데, 단락 및 개방 회로를 포함한 오류를 시뮬레이션하고, 제어 장치가 그러한 오류에 대해 적절히 반응, 대처하는지를 확인하는 것입니다.  무엇보다도, 시뮬레이션 및 확인은 안전한 방법으로 해야 합니다. 자동화된 오류 삽입(Fault Insertion) 시스템은 검증 테스트를 반복적이고 효율적으로 실행할 수 있도록 합니다.

하드웨어-인-더-루프 시뮬레이션 예

자동차 사용 환경은 종종 매우 열악할 수 있으며, 특히 센서의 경우, 일반적으로 예견되는 온도 범위보다 더  광범위한 범위에서 사용될 수 있습니다. 고장은 부식, 노화, 손상 또는 잘못된 설치로 인해 발생할 수 있습니다. 자동차에서 사용할 수 있는 모든 기능과 옵션, 특히 ADAS 시스템(궁극적으로 자율 주행), 인포테인먼트, 차량 내 AI 및 보안을 위해 더 많은 전자 제어 장치가 도입됨에 따라 ECU는 매우 복잡해지고 있으므로 성공적인 출시를 위해서는 HILS의 정확성이 필수적입니다.

EV에는 새로운 도전 과제가 있습니다. 기존 차량에서 배터리는 매우 간단합니다. 그러나, EV에서는 배터리가 지배적이므로 배터리를 관리하는 ECU는 매우 정확하고 효율적이며 신뢰성이 보장되어서 안전한 작동을 보장해야 합니다.

스타트업 회사에서의 배터리 ECU 소프트웨어 테스트

피커링 인터페이스는 고성능 전자 테스트 및 검증 시스템의 설계, 배포 및 유지를 쉽게 하는 제품과 서비스를 제공하므로, 한 EV 스타트업 회사의 배터리 ECU용 소프트웨어 테스트 시스템을 설계하는 팀이 당사에 제품 문의를 해왔습니다. 그 팀은 HIL 테스트 시스템과 벤치탑 테스터가 모두 필요하다고 했습니다.

소프트웨어 테스트 팀은 세 가지 도전에 직면했습니다. 첫째, 그들은 매우 역동적이고 변화하는 상황에 처해 있음을 발견했습니다. 새로운 시장에 진입하는 신생 기업으로서, 제품 범위는 새로운 요구 사항이 발생함에 따라 여전히 진화하고 있었습니다. 이것은 일반적인 테스트 요소를 가진 장기 테스트 전략을 계획하고 구현하기가 어렵다는 것을 의미했습니다. 둘째, 모든 것이 새롭다는 것입니다. ECU 소프트웨어, 하드웨어 및 센서 등 모든 것이 새로웠습니다. 하드웨어와 소프트웨어 모두 디버깅이 필요했으며, 때로는 문제가 하드웨어에 의한 것인지 또는 소프트웨어로 인한 것인지 명확하지 않았습니다. 배터리 구성도 새로웠습니다. 테스트 팀 자체는 경험이 풍부한 인력으로 구성되어 있지만 실제로는 새로운 팀이었습니다. 마지막으로, 테스트 환경은 잠재적인 위험을 가지고 있었습니다. 작동 중 안전을 보장하기 위해 배터리는 지정된 등급보다 훨씬 높은 수준의 테스트를 거쳐야 합니다. 최대 50A의 고전류와 고전압이 사용되는 상황을 테스트해야 합니다. 따라서 많은 이중화 처리가 필요했습니다.

이러한 상황에 대응하여, 팀은 테스트 시스템이 기능적으로 안전하고 정확하며, 반복된  조건의 재사용이  가능하고, 변화가 많은 하드웨어 및 소프트웨어 개발 상황에서도 유연하게 대응할 수 있는 방안을 강구하고 있었습니다.  그들은 "그것은 바쁜 일정을 지속하면서 모든 아이디어를 동시에 짜내는 기념비적인 도전이었습니다"라고 말했습니다.

따라서, 소프트웨어 테스트 플랫폼은 확장 가능하고 매우 유연해야 했습니다. 업계 표준 PXI 및 LXI 포맷을 기반으로 한 계측기를 사용하기로 한 결정은 분명했습니다. 그럼에도 불구하고, 팀은 소프트웨어 테스트 전략에서 완전한 기능을 갖춘 HILS 시스템과 유연한 벤치탑 시험 장비를 모두 사용하기로 결정했습니다.

HILS 시스템은 테스트 중인 ECU가 작동할 환경을 시뮬레이션해야 합니다. 이것은 모델링을 사용하거나 물리적 수단을 사용하여 달성 할 수 있습니다. 정확성과 반복성은 매우 중요합니다. 모델링은 공간 및 비용 효율적일 수 있지만 정확도가 떨어질 수 있습니다. 배터리의 경우 열 폭주를 방지하기 위해 온도를 제어하는 것이 중요합니다. EV용 배터리는 100개 이상의 서미스터를 사용할 수 있습니다. EV 테스트 개발 팀은 프로그래밍 가능한 저항기를 서미스터 시뮬레이터로 사용하는 것을 선호했는데, 그 이유는 저항기의 작동이 서미스터(물론, 저항기의 한 유형)의 작동과 매우 유사하기 때문입니다. 프로그래밍 가능한 저항기는 또한 EV 회사가 '열 동위원소'라고 묘사한 온도에 따른 변화를 포함하여 실제 센서의 모든 특성을 제공합니다. 그러나, 시뮬레이션할 센서가 100개 이상인 경우 대형 테스트 시스템을 만들지 않으려면 가능한 한 많은 채널을 가진 프로그래밍 가능 저항기 카드를 선택해야 합니다. 팀은 "테스트 시스템이 가능한 모든 상황을 시뮬레이션하고 테스트 할 수 있도록 하려면 실제 시스템보다 더 복잡하다"고 말하기도 했습니다.

오류 삽입은 또 다른 고려 사항입니다. 예를 들어, 끊어진 배선을 어떻게 복제하고 상황에 대처할까요? 최악의 경우, 대형 계전기를 구동하는 경우 50A의 높은 전류가 흐를 수 있으므로 모든 회로망이 50A를 처리하고 특정 시간에 응답하며 효과적으로 차단할 수 있어야 합니다.

피커링 솔루션

HIL 테스트 시스템 팀 리더는 이전 직장에서부터 피커링 제품을 오랫동안 사용해 왔습니다. 팀의 기존 HILS 시스템은 새로운 테스트 범위와 기능에 대한 요구를 충족할 만큼 유연하지 않았기 때문에, 한계를 극복하기 위해 피커링 제품을 사용하기로 결정했습니다. 피커링은 팀과 협력하여 요구 사항에 더 적합한 HILS 시스템에 대한 구성을 개발했습니다. .

개발된 구성은 다음과 같습니다:

• PXI 배터리 셀 시뮬레이터 (모델 41-752)
• PXI 프로그램 가변 저항기 모듈 (40-295의 사용자 맞춤형 모델)
• PXI 오류 삽입 모듈 (모델 40-190B) 
• PXI 고밀도 멀티플렉서 (모델 40-614C & 40-615A) 
  
• PXI 14-슬롯 섀시 (모델 40-914)

HILS 시스템은 완전 자동화를 위해 설계되었으며, 24 시간 무인 상태에서 테스트를 수행합니다. 보다 구체적이고 세부적인 테스트를 위해 EV 회사는 피커링 2슬롯 LXI/USB 섀시(모델 60-104-001)에 장착된 제품을 기반으로 벤치탑 시스템을 또한 구성하기도 했습니다. 벤치탑 시스템은 확장성 및 유연성과 함께 작은 크기가 주요 장점이었습니다.

EV 테스트 시스템 개발 팀은 "이러한 이점 외에도, 사용 뿐만 아니라 프로그래밍하기도 쉬운 고품질 제품을 제공해온 피커링의 오랜 역사가 피커링 제품을 선택하게 된 중요한 이유이며, 우리가 다루고 있는 모든 변수로 인한 걱정을 할 필요가 없는 장비를 갖고 있다는 것이 좋았습니다."라고 말했습니다.