자동차가 전기-자율주행으로 이동하면서 전자파 적합성 문제가 크게 증대됐다. EMC 이슈는 차량을 조립하고 테스트를 실행할 때까지 기다리는 대신 개발 초기에 적합한 설계로 사전에 극복해야 한다. 4월, 앤시스코리아와 모라이가 공동 개최한 ‘KADF 2023’에서 EMA의 티모시 맥도날드 사장은 “우리는 여전히 EMC 테스트를 해야 하지만 합격할 것을 알고 자신감을 갖고 테스트에 임할 것입니다. 이것이 바로 디지털 엔지니어링을 지원해 자율주행차로의 전환을 가능토록 하는 앤시스의 핵심 연구 중 하나입니다”라고 말했다. 

글 | 한상민 기자_han@autoelectronics.co.kr











“자동차는 판매되기 전 각국 정부의 요구사항, 전자파 적합성(EMC)과 같은 규제조건을 충족해야 합니다. 자율주행 기능이 없는 내연기관에서는 크루즈 컨트롤과 같은 일부 기능, 전자 시스템만 세이프티 크리티컬한 부문으로 간주됐지만, 이마저도 EMC 달성이 어려웠습니다. 하지만 이제는 더 가혹한 조건에서도 EMC 테스트 수행을 위해 차가 준비될 때까지 기다릴 필요가 없어졌습니다. 디지털 엔지니어링을 이용해 미리 합격 확률이 높은 설계를 사용할 수 있습니다. 이것이 바로 디지털 엔지니어링의 목적입니다.” EMA(Electro Magnetic Applications)의 티모시 맥도날드(Timothy McDonald, SpaceX 초기 EMC/EMI 팀 리더) 사장이 말했다.



EMC의 중요성   

4월 ‘자율주행과 시뮬레이션 - 자율주행차 성능 평가와 검증을 위한 최적의 방안’을 주제로 앤시스코리아와 모라이(MORAI)가 공동 개최한 ‘KADF 2023(Korea Autonomous Developer Forum)’에서 앤시스는 전기-자율주행차의 EMC 중요성과 이를 위한 새로운 방법론을 강조하고자 협력사 EMA의 티모시 맥도날드 사장을 초청했다.

자율주행을 고려하면, 자동차는 세이프티 크리티컬한 전자 시스템 수가 종전 대비 수 배 이상 증가한다. 카메라 등 각종 센서와 컴퓨터, 제어기 등 모든 것이 세이프티 크리티컬 파트로 추가되고, 이 모든 것은 차량 레벨에서 EMC 테스트를 통과해야만 한다. 게다가 전기화 트렌드는 전기 드라이브와 충전의 더 높은 전류와 전압이란 새로운 전자파 원천을 추가해 더 많은 이슈를 불러온다. 

맥도날드 사장은 앤시스와 EMA의 ‘Ansys EMC Plus’, ‘Ansys Charge Plus’ 제품을 활용한 협업 사례를 소개했다. 이 제품들은 OEM과 티어 1을 위한 솔루션이다. 

“제품들은 차량과 컴포넌트를 설명하는 전자 설계 파일을 기반으로 합니다. 설계 파일에는 MCAD에서 가져온 차량 구조, 와이어 하네스용 케이블 세부 정보, 차량 내 전자 시스템용 ECAD 설계 파일이 포함됩니다. 그러니까 이것은 다중 물리학에 대한 것입니다.”

EMC의 해법은 항상 전자기적인 문제에만 있지 않다. EMC는 전기 유체 혹은 전기-기계적 문제일 수 있고, 따라서 차량의 디지털 설계 파일과 일치하고 다중 물리 솔루션에 대한 연결을 제공하는 솔루션이 요구된다. 즉, EMA의 툴은 서로 다른 앤시스의 플래그십 제품을 연결하는 것이다. 

“우리는 시뮬레이션을 위한 디지털 엔지니어링 데이터를 준비하기 위해 MCAD 세부 정보를 사용할 수 있는 툴로 시작하고, 그 기계적 데이터를 ECAD, PCB, 차량의 안테나와 같은 전자장치의 전자기적 세부사항 설계를 제공하는 툴과 결합합니다. 또, 이 디지털 엔지니어링 솔루션은 사용하기 쉬워야 하며 환경의 복잡성은 합리적인 워크플로와 일치돼야 합니다.”

EMA와 앤시스가 함께 만든 앤시스 워크플로는 최종적인 해결책은 아니지만, 장치의 전자기 성능을 평가할 때 종종 차폐 효과, 즉 인클로저가 전자기장이 들어오거나 나가는 것을 얼마나 차단하는지를 결정하는 데 있어 사용자가 클릭 한 번으로 전자기 성능 시뮬레이션의 모든 세부사항을 완료할 수 있도록 한다. 모델을 설정하고 사용자가 세부 정보를 즉시 볼 수 있도록 결과를 준비한다.







차량 EMC 테스트를 위해서는 챔버로 차량 전체를 가져와야 한다. 따라서 차량 자체를 시뮬레이션하고 모든 데이터를 융합할 수 있는지 확인할 수 있어야 한다. EMA와 앤시스는 MCAD와 케이블 하네스의 세부사항을 융합한다. 여기서 고객은 고전압, 저전압 컨버터, 인버터, 멀티 소스 전기 시스템을 포함하고 표준 케이블 데이터베이스에서 케이블 정보를 얻는다. 또 케이블 하네스 디자인에 도움이 되는 다양한 유형의 소프트웨어를 사용할 수 있다. 

“머스탱과 관련해 포드의 짐 팔리 CEO가 말한 것처럼, 몇몇 OEM에게 이것은 중요한 도전이었습니다. 지금은 지능적인 케이블 시스템 설계를 지원하는 소프트웨어가 확산됐고, 이런 디지털 설계를 케이블에 사용해 EMC를 예측할 수 있습니다.” 맥도날드 사장이 설명했다.
 
MCAD를 사용해 케이블 데이터베이스의 케이블 설계와 결합하면 EMC 대응을 시작할 수 있는 모든 요소가 기본적으로 갖춰진다. 선을 기준으로 케이블을 정의하고, 단면은 케이블 내용을 보여준다. 이런 모든 프로세스를 자동화함으로써 전체 차량 분석이 수행된다. 여기서 EMA의 메시 기술은 효율성에 달성에 있어 또 다른 핵심으로, 기계적으로 파생된 복잡한 기하학에 마인크래프트나 레고와 같은 복셀 스타일의 메시를 적용해 시뮬레이션 준비에 시간을 소모하지 않도록 한다. 

“과거에는 차량 전체를 제작해 수백만 달러를 들인 EMC 챔버에 넣어 테스트를 수행했습니다. 만일 실패하면 조립라인에서 나오는 차에 조치를 해야 했습니다. 하지만 디지털 공학을 통해 우리는 이런 문제를 극복하고 처음부터 EMC 이슈를 극복하는 차량을 디자인할 수 있도록 하고 있습니다.” 맥도날드 사장이 말했다. 



MCAD를 사용해 케이블 데이터베이스의 케이블 설계와 결합하면 EMC를 검토하기 시작할 수 있는 모든 요소가 기본적으로 갖춰진다. 선을 기준으로 케이블을 정의하고, 단면은 케이블 내용을 보여준다. 이런 모든 프로세스를 자동화함으로써 전체 차량 분석을 수행할 수 있다. 여기서 EMA의 메시 기술은 효율성에 달성에 있어 또 다른 핵심으로, 기계적으로 파생된 복잡한 기하학에 마인크래프트나 레고와 같은 복셀 스타일의 메시를 적용해 시뮬레이션 준비에 시간을 소모하지 않도록 한다.



OEM과 티어 1 레벨 

맥도날드 사장은 티어 1에서 전체 차량 레벨로 이어지는 EMC 디지털 엔지니어링을 설명하기 위해 인텔과 에어버스 사례를 들려줬다. 
인텔은 파워, CPU와 마더보드, HDD, GPU, 쿨링 팬, 이더넷, 파워 인풋 등을 포함하는 전체 서버 시스템의 전자파 간섭(EMI) 문제를 조사하면서 제품을 이해하는 궁극적인 방법으로 전체 서버의 상호작용과 간섭을 동시에 시뮬레이션할 수 있는 방법을 찾고 있었다.

“인텔은 디지털 엔지니어링에서 올바른 기술의 융합이 불가능해 보이던 것을 어떻게 가능하게 했는지 보여준 훌륭한 예입니다. 그들은 전체 컴퓨터 시스템에 대한 EMC 달성이 불가능하다고 봤지만 우리는 증명했습니다.” 

앤시스와 EMA는 2년간 인텔의 엔지니어와 협력해 EMA3D 소프트웨어를 수정하고 단계별로 인텔의 검증을 받았다. 유한 요소법에서 사용하는 기존 사면체(tetrahedra) 대신 복셀 그리드 메시로 대체해 메시 속도를 개선해 이전보다 훨씬 빠르게 완료할 수 있도록 했다. PCB를 연결하는 케이블 모델링을 위해 EMA3D는 복셀 그리드 메시를 사용하는 3D 구조용 솔버와 케이블에 대한 다중 도체 전송선 이론을 기반으로 하는 솔버의 두 가지 솔버를 결합했다. 이 조합은 케이블 배치를 보여주는 1차원 선과 그 1차원 선 안에 무엇이 있는지 나타내는 2D 단면을 생성한다. 그 결과 카드별로 시뮬레이션해야 했던 것이 모든 카드, 전체 서버 차원에서 시뮬레이션할 수 있게 됐고, EMA3D 케이블을 사용해 케이블링과 얇은 배선을 시뮬레이션한 다음 두 솔루션을 함께 통합해 전자부품에서 주파수 종속 재료의 EMI 효과 시뮬레이션을 할 수 있게 됐다. 

“이 사례는 OEM이 티어 1과 계약을 체결하고, 그들의 모든 컴포넌트가 차량 차원에서 EMC 요구사항을 준수하는지 확인돼야 한다는 점에서 중요합니다. 티어 1 장치의 케이블, MCAD, ECAD, PCB를 포함한 모든 하위 요소를 결합하면 현장을 예측해 전자보드를 제작하거나 조립 전에 규제 요구사항을 충족하는지 여부를 확인할 수 있습니다.”







에어버스의 e항공기 프로젝트는 OEM 차원이다. 앤시스와 EMA는 모든 기계적 구조물, 주요 케이블 하네스, 그리고 그 케이블 하네스에 연결된 전자장치들을 포함한 e항공기 콕핏 모형을 만들었다. 그런 다음 항공기 외부에 안테나를 배치하고 저주파에서 고주파로 항공기를 조명했다. 이 결과를 항공기 전체의 기계적, 케이블적, 전자적 카피인 디지털 트윈과 비교하고 시뮬레이션했다. 

“우리는 시뮬레이션과 실제 실험 사이의 격차를 비교할 수 있었고, 결과적으로 디지털 시뮬레이션 작업이 역할을 제대로 수행하고 있음을 확인할 수 있었습니다. 과거에는 케이블 하네스가 도면 형태로만 존재했고, 전자기 시뮬레이션을 수행하기 위해 하나의 마스터 모델로 케이블 하네스를 만드는 좋은 방법이 없었지만, 지금은 대부분 케이블 데이터베이스 소프트웨어를 사용해 배선 시스템과 차량 연결을 설계합니다. 이런 데이터 소스의 디지털화를 통해 모든 것을 함께 연결하고 전체 차량을 시뮬레이션할 수 있습니다.”



RFD와 ESD  

앤시스와 EMA가 고려하는 또 다른 중요 환경에는 RFD(Radio Frequency Disturance)가 있다. 전자파 영향으로 RF 시스템이 작동하지 않을 수 있기 때문이다. 
예를 들어, 신호가 없어 스마트폰이 작동하지 않거나, 와이파이가 될 정도로 가까이 있어도 연결되지 않는 등 RFD 문제는 일상생활에서도 쉽게 겪는 문제다. 동일 주파수 대역에서 간섭이 안테나를 방해하고 연결을 차단하기 때문이다. 특히 이것은 자율주행에서 RF 시스템에 의존하는 V2X 통신 시스템에서 큰 이슈다. 

PCB와 간단한 인쇄형 안테나를 기반으로 하는 일반적인 안테나가 있으면, 안테나의 성능 특성을 자체적으로 일치시켜 안테나를 적절하게 시뮬레이션하고 확인한다. 그런 다음 앤시스를 사용해 케이블 하네스와 일치하도록 차량 내부에 안테나를 장착한다. 그러면 케이블 하네스가 작동할 때 안테나를 방해하고 차량 안전에 영향을 줄 수 있는 에너지 방출을 확인할 수 있다. 

“앤시스를 통해 전파 시뮬레이션을 수행하고 포괄적인 RF 설계 문제를 검토해 안테나에서 케이블로 연결되거나 그 반대의 경우 어떻게 연결되는지 확인할 수 있습니다.”








안전 및 전자기 효과의 많은 측면이 특정 유형의 물리학에만 의존하지 않고 함께 발생하는 여러 요인에 기인하기 때문에 이들의 또 다른 핵심 관심사는 다중 물리학이다. 예를 들어, 앤시스와 EMA는 OEM과 협력해 ‘정전 방전(ESD)’에 대응하고 있다. 

“도어 핸들이 정전 방전 건에 부딪혔을 때 거의 1 m 떨어진 곳에서 2차 아크가 발생하고 있었습니다. 이것을 모델링하는 유일한 방법은 전기, 유체 및 공기 파괴 효과를 충실하게 모델링해 다중 물리학 문제를 만드는 것인데, 과거에는 디지털 시뮬레이션으로 이 작업을 수행하기 어려웠지만, 저희는 한계를 극복했습니다. 2차 아크는 차량 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문에 문제 발견 전에 해결하는 것이 중요합니다.” 맥도날드 사장이 말했다.

이런 이슈는 구조와 케이블 이상을 포함한다. 따라서 전자장치 자체를 살펴볼 필요가 있다. 그리고 이는 앤시스의 핵심 강점 중 하나다. 앤시스는 MCAD 뿐 아니라 모델링하는 보드를 위한 ECAD를 끌어낼 수 있고 회로를 모델링할 수 있다. 

“데이터를 ECAD에서 자동으로 가져와 차량의 나머지 부분에 대한 MCAD와 결합해 가상 디지털 시뮬레이션으로 안전에 중요한 기능 상실 여부를 결정할 수 있습니다. 이것이 어떤 것인지에 대한 아이디어를 내기 위해, 우리는 모든 PCB 비아와 흔적들이 자극할 때 켜지는 것을 볼 수 있었습니다. 전체 차량에서 했던 것처럼 PCB를 검토해 시스템 장애 발생 여부를 예측할 수 있습니다.”





4월 ‘자율주행과 시뮬레이션 - 자율주행차 성능 평가와 검증을 위한 최적의 방안’을 주제로 앤시스코리아와 모라이(MORAI)가 공동 개최한 ‘KADF 2023(Korea Autonomous Developer Forum)’에서 앤시스는 전기-자율주행차의 EMC 중요성과 이를 위한 새로운 방법론을 강조하고자 협력사 EMA의 티모시 맥도날드- 사장을 초청했다.



전기-자율주행의 EMC 문제는 매우 중요하다. 따라서 세이프티 크리티컬한 시스템을 비롯해 전체 차량이 EMC 테스트를 통과하기 위해서는 디지털 엔지니어링으로 개발 초기부터 적합한 설계를 사용하는 것이 중요하다. 

“우리는 여전히 테스트해야 하지만, 합격할 것을 알고 자신감을 갖고 테스트에 들어갈 것입니다. 이것이 바로 디지털 엔지니어링을 지원해 자율주행차로의 전환을 가능토록 하는 앤시스의 핵심 연구 중 하나입니다.” 맥도날드 사장이 말했다. 

AEM_Automotive Electronics Magazine