자동차 전장 부품 및 기술 동향
글: 빌 차운(Bill Chown) / 시스템 레벨 엔지니어링 사업부, 마케팅 이사
멘토 그래픽스 코퍼레이션 / www.mentor.com
멘토 그래픽스의 SystemVision은 Simulink, LabVIEW 그리고 다른 툴과의 인터페이스를 제공한다. 더불어 모델링 기능, 네트워크의 물리적 검증 기능 등을 제공하며 기존의 하드웨어 및 소프트웨어 공동 검증 툴은 기타 모델링 툴과의 연계가 기능하다. 멘토 그래픽스의 모델 기반 개발 툴은 모델링, 통합, 시뮬레이션 및 차량 전기 전자 설계 검증을 위한 강력한 솔루션을 제공한다.
개발 위험 최소화를 위한 제안
차량 시스템 및 플랫폼의 개발과 관련하여 비용 초과, 일정 지연, 낮은 신뢰성, 심지어는 제품 동작 불량 에 이르는 많은 도전 과제가 존재한다. 개발 프로세스의 엄격한 관리를 통해 개발 위험을 줄이려는 노력에도 불구하고, 주요 문제점은 종종 개발 수명 주기 안에서 뚜렷이 나타나지 않는다. 오늘날 친환경 차량 개발에서 요구되는 일관된 품질과 비용 대비 효율성을 이루기기 위해서는 여러 가지 요소가 고려되어야 한다. 이는 개발 수명 주기에 걸쳐 특히 여러 시스템이 통합되는 시기에 집중된다.
차량 내의 시스템이 더욱 복잡해짐에 따라, 1차 협력업체는 시스템 통합 업체로의 역할이 강조된다. 1차 협력업체는 글로벌 네트워크를 통해 하도급 업체로부터 서브 시스템을 공급받는다. 이때 언어와 문화적 경계를 넘어선 의사소통이 필요하고, 이를 극복하지 못할 때에는 공급받는 제품에 불량, 오류 혹은 누락이 발생할 여지가 크다. 임베디드 소프트웨어, 전자 제어 유닛(ECUs), 전자-기계 서브 시스템(메카트로닉스) 등 간의 네트워크 통신을 위한 프레임 워크, 그리고 이들 간의 물리적 연결을 위한 배선 시스템과 같은 새로운 기술 옵션은 전체 차량 시스템 간 통합 작업을 더욱 복잡하게 한다.
시간 및 비용 효율 관점에서 현재 차량 설계에 요구되는 복잡도를 고려하면, 물리적 프로토타입을 이용한 개발, 검증, 시스템 및 구성 부품 테스트 능력은 한계를 넘어서고 있다. 따라서 OEM은 강력한 시스템 시뮬레이션 및 가상 프로토타입을 제공하는 솔루션을 필요로 한다. 이와 같은 솔루션을 통해 통합 시스템 레벨 모델링, 분석, 통합 관점 설계, 검증과 테스트 등이 가능하다. 모델 기반 설계(Model Driven Development) 프로세스의 도입을 통해 통합 설계 흐름의 기반은 보다 쉽게 이루어진다.
시스템 통합 과제
일반적인 차량 플랫폼은 시스템, 서브 시스템과 부품의 복잡한 계층 구조이다. 칩은 기타 부품과 함께 인쇄 회로 기판 기반의 기능 구현을 위해 개발된다. 소프트웨어는 독립적 전기 시스템 구현을 위해 이러한 기능들과 통합된다. 이러한 시스템들의 조합을 통해 전원 분배 및 제동 장치 등을 포함해 전기 체계를 제공하는 특정 플랫폼을 완성된다. 호환성, 통신, 통합된 동작 등은 이와 같이 시스템 간의 상호 통합을 통해 구축된다.
일반 차량 개발 과정은 개념 설계 및 개선 단계로부터 시작되고, 시스템 요구 사양 및 제약 조건을 정의하고 검토한다. 이후 시스템은 기능과 물리적 특성을 고려하여 서브 시스템 및 구성 부품으로 할당되며, 요구 사항은 이들 요소 간의 인터페이스에 할당된다. 각각의 서브 시스템 또는 부품의 초기 설계는 해당 접근방법의 유효성을 검증하기 위해 이루어진다. 다음으로 상세 설계가 진행되며 여기서 차량 서브 시스템과 구성 부픔은 성능 요구 사양을 충족시켜야 하며 제품 개발성도 충분히 고려되어야 한다.
이후 시점에서부터 시스템 통합 프로세스가 시작된다. 서브 시스템 및 구성 부품이 한 시스템 프로토타입으로 조립된 후 테스트 및 오류 수정 과정이 뒤따른다. 일단 프로토타입이 채택되고 나면, 생산 준비 프로그램이 시작된다.
설계자는 종종 자신의 업무에 가장 적합한 툴을 사용해서 해당 업무에만 집중한다. 그러나 한 시스템이 정상적으로 동작하기 위해서는 각각의 시스템 구성 요소들이 효율적으로 한 시스템으로 통합 되어야 한다. 불행히도, 시스템 통합 단계에서는 흔히 병목 현상을 일어난다. 차량 서브 시스템 및 구성 부품을 단일 시스템으로 통합하는 작업 중에는 다양한 문제점이 발생할 수 있어 결과 예측이 어렵다. 이 과정 중에 예기치 못한 문제가 발견된다면 서브 시스템과 구성 부품을 재설계해야만 할 수도 있고, 심지어는 해당 시스템의 요구 사양 (그림 1)을 변경해야만 할 수도 있다. 이는 프로젝트의 개발 시간을 심각하게 지연시키는 원인이 된다. 즉, 물리적 시스템 통합 과정에서 발견된 문제를 해결하기 위해서는 기간 및 노력을 포함한 상당한 추가 비용이 요구된다.
차량 개발 과정이 진행됨에 따라, 차량 시스템 요구 사항은 점진적으로 서브 시스템과 구성 부품에 대한 보다 작은 기능 사양으로 분할된다. 기능 사양을 가진 서브 시스템 및 구성 부품에 대한 설계가 개별적으로 완료된 후, 프로토타입이 제작되고 다시 한 시스템으로 합쳐지는 과정을 각 시스템마다 반복하여 결국 통합된 하나의 완전한 플랫폼이 구현된다.
그림 1 일반적인 개발 수명 주기
일반적으로 엄격한 테스트 및 검증은 전체 차량 개발 주기에서 중반 이후에 실시된다. 서브 시스템과 구성 부품이 먼저 개별적으로 테스트된 후 한 시스템으로 통합되고 나면, 비로소 아키텍처, 기능, 요구 사항에 대한 검증이 실시된다. 즉, 시스템 통합 및 검증을 위해서는 서브 시스템이 물리적으로 생산 및 조립되어 준비가 될 때까지 기다려야 한다. 또한 시스템 통합 과정에서 문제가 발생하여 재 작업이 필요하다면 이로 인한 비용 위험은 상당히 증가한다.
이상적으로 시스템 레벨 검증은 차량 개발 과정의 주요 시점에서 시행되어야 한다. 보다 빠른 검증을 위해서는 실제 프로토타입 대신 가상 프로토타입을 이용해야 한다. 모델을 이용한 가상 프로토타입은 기능. 아키텍처, 실제 구현 단계 혹은 이들이 혼합된 개발 단계에서 디자인의 동작을 보여주는 수단을 제공한다.
차량 모델 계층의 기능 단계에서, 시스템 엔지니어는 기능 사양에 대응하는 측정 가능한 동작을 통해 실행 기능을 정의한다. 이 단계에서는 이론적 동작이 모델링 될 뿐, 모델 내 기능이 하드웨어로 혹은 소프트웨어로 구현될 지 여부에는 무관하다. 또한 어떤 특정 부품이 사용될 지 여부에도 무관하게 작성된다.
아키텍처 단계에서, 차량 시스템 설계자는 시스템 아키텍처를 구현하기 위해 다양한 경우의 수를 분석하고자 시뮬레이션 모델을 사용한다. 이후 어떤 기능이 임베디드 소프트웨어로 구현될지, 어떤 하드웨어 내에 구현될 지, 그리고 어떤 물리적 규칙을 사용할지에 대한 결정을 내린다.
구현 단계에서, 시스템 엔지니어는 디자인이 완전히 구현되기 전에 디자인 내 서로 다른 부분 사이의 인터페이스를 가상적으로 테스트한다. 이를 통해 에러를 최소화하는 한편 통합 작업 시 발생할 수 있는 문제점을 조기에 발견하고 대응하게 된다.
이 프로세스의 각 단계에서, 측정 가능한 속성을 통해 원래 차량 시스템 요구 사항과 진행되고 있는 디자인 사이의 부합 여부를 검증해야 한다.
그림 2 가상 시스템 통합 사용한 시스템 조기 검증
가상 프로토타입을 이용한 모델 기반 개발(MDD) 프로세스 통해 시스템 레벨에서 디자인 동작을 예측할 수 있다. MDD는 복잡한 차량 개발 과정을 다루는 기반을 제공한다. 이는 개발 과정 내에서 각 해당 업무 관계자가 자신의 업무에 적절한 추상화(Abstraction) 단계에서 개발에 참여하도록 한다는 것을 의미한다. 다시 말해 시스템 설계자, 시스템 엔지니어, 부품 엔지니어 등과 같은 개발 관계자 간의 의사 교환을 위한 구조 및 기반을 제공하고, 각 개발 관계자는 자신의 추상화 단계에서 선택 가능한 요소를 고려해 최선의 선택이 무엇인지를 결정할 수 있다.
그림 2는 MDD를 통해 차량 설계의 복잡성을 관리하는 구조를 예시한다. 그림에서와 같이 진행되고 있는 설계 데이터는 모든 단계에서 원래의 요구 사항 및 기능 사양에 직접 연결되는 것이 가능하므로 단계별 검증을 통해 보다 빠르고 정확한 개발 과정을 제공한다.
모델 기반 플랫폼 개발 지원
모델 기반 개발 프로세스를 통해 모델을 선택하고, 선택된 모델을 이용해 시스템 성능을 분석한다.
MDD는 차량 플랫폼에 계층적 방식으로 적용할 수 있다. 이는 실행 함수 정의 및 기능 모델 정의를 포함하는 시스템 요구 사항 정의에서 시작된다. 다음 단계에서 시스템을 기능적 요소들로 나누고, 이를 시스템 아키텍처에 할당한다. 다음으로 요구 사항이 기능 요소에 할당되고 기능 요소에 상응하는 실행 기능 모델이 만들어 진다. 여기까지 작업을 통해 MDD 프로세스를 위한 시점을 구성한다.
모델 기반 개발은 차량 시스템 설계에 많은 장점을 제공한다. 차량 플랫폼 레벨에서 시스템을 거쳐 서브시스템 HW/SW 통합에 이르기까지 순차적 모델링 작업이 진행된다. 플랫폼 레벨에서 다양한 경우의 수를 분석하고 이를 통해 차량의 성능 대비 비용의 균형을 맞출 수 있다. 그리고 이후 단계에서 진행되는 일련의 검증을 통해 조기에 문제점을 발견하고 이를 해결하게 된다.
플랫폼에 독립적인 모델링은 특정 도메인에 적용되는 기술을 위해 최적화되고, 해당 도메인에서 필요로 하는 수준으로 정보를 제공한다. 플랫폼에 독립적이고, 도메인 특성에 적합한 모델링을 통해 엔지니어링 도메인이 분리된다. 하지만 모델 추상화 개념을 통해 필요한 도메인 간 협업 혹은 의사소통이 가능해 진다. 이는 각기 다른 전문성, 언어, 지리적 위치, 개발 주기 등을 극복할 수 있는 수단이다.
차량 설계자는 툴이 가지는 시스템을 통합 능력과 모델을 변환 시키는 능력을 통해 필요한 시스템을 조정하고 통합할 수 있다. 이는 설계자에게 익숙하지 않은 즉, 자신의 외부 도메인에 존재하는 모델에도 적용된다. 초기 모델은 예측된 성능에 기반하여 생성되지만, 설계가 진행됨에 따라 변경된다. 따라서 궁극적으로 제조 허용 공차 정도에 이르는 정확도까지 개선된다.
모델 호환성은 초기 개념 분석에서 최종 하드웨어 및 소프트웨어 검증에 이르는 차량 설계 프로세스의 모든 단계에 걸쳐 유지된다. 설계가 진행됨에 따라 시행되는 개념과 부품에 대한 지속적인 검증을 통해 조기에 문제점을 찾아 해결할 수 있는 확률은 높아진다.
여러 차량 설계 도메인의 모델을 통합하기 위해서는 유연성 있는 환경이 필수적이다. 하드웨어, 소프트웨어는 물론 제어 알고리즘, 물리적 도메인을 위한 모델에 이르기까지, 이들은 합리적이고 의미 있는 방식으로 상호 작용할 수 있어야 한다. 또한 모델은 설계 및 분석 환경과 상호 작용을 할 수 있어야 한다. 따라서 모델링 도메인에서는 다음과 같은 다양한 언어나 형식을 사용할 수 있어야 한다.
·UML, SysML 등과 같은 상위 레벨 언어
·Verilog, VHDL, SystemC, SystemVerilog 등과 같은 디지털 하드웨어 설계 언어
·Simulink와 같은 제어 시스템 언어
·SPICE 등과 같은 아날로그 전자 언어
·C 등과 같은 소프트웨어 언어
·VHDL-AMS 등과 같은 메카트로닉스 언어
모델 기반 개발을 위한 시스템 레벨의 가상 프로토타입 환경
시스템 레벨 가상 프로토타입 생성을 위해 여러 차량 설계 도메인으로부터 모델을 통합하기 위해서는 아래와 같은 기능을 갖춘 시뮬레이션 툴과 이를 관리하는 환경이 필요하다.
·여러 엔지니어링 도메인에서 요구하는 다양한 수준의 추상화 단계를 지원해야 한다. 이는 기계, 전기, 열, 유압 등으로 구성된 시스템 조합에 위한 아날로그, 디지털 및 혼합 신호 회로를 해당 개발 단계에서 적절하게 표현하고 이를 분석할 수 있어야 하는 필요성 때문이다.
·수학적 기반의 동작에서 실제 물리적 구현에 이르는 모든 개발 단계에서 디자인을 쉽고 빠르게 생성하고 분석할 수 있어야 한다.
·파형 측정 및 계산을 통해 엔지니어가 문제를 정확히 파악할 수 있도록 하는 수치 해석 능력이 필요하다.
·설계자가 신속하게 설계 "Trade-Off" 효과를 분석할 수 있도록 상위 동작 모델과 하위 장치 그리고 하위 장치를 표현하는 모델을 효과적으로 결합할 수 있도록 해야 한다.
· 정확한 혼합 신호 시뮬레이션 결과를 제공하는 시뮬레이션 기능이 필요하다. 시뮬레이터는 다중 모델링 언어 및 다양한 형태의 회로 표현을 지원해야 하고 일반화된 형태의 회로 파형을 생성할 수 있어야 한다. 회로표현의 경우, 설계자는 블록 다이어그램 및 전달 함수 블록을 통해 상위 개념 검증을 할 수 있다. 또한 전기 / 메카트로닉스 시스템 검증을 위해서는 계층 구조 회로도 표현이 지원되어야 한다.
·미래 설계를 위해서는 시스템 혹은 부품 모델을 변경 및 재사용할 수 있어야 한다.
·표준에 근거한 공개 라이브러리 액세스가 가능해야 한다. 예를 들면, IEEE 표준 VHDL-AMS, SPICE, C 언어 등에 기반한 모델 등을 지원해야 한다.
그림 3 가상 시스템 통합 위한 다양한 모델링 언어와의 상호 운용
차량 레벨 시스템 시뮬레이션은 차량 개발 주기 안에서 엄청난 비용 절감 효과를 가져 올 수 있다. 멘토 그래픽스는 시스템 레벨의 시뮬레이션을 위해 포괄적인 모델 기반 개발 환경을 제공하고자 전략적으로 투자를 하고 있다. 이러한 환경의 중심에서 SystemVision은 대화형 다중 도메인 시뮬레이션 플랫폼을 제공한다. 설계자는 SystemVision을 통해 복잡한 시스템의 최종 결과에 영향을 미칠 수 있는 작은 변화도 대화형 GUI를 통해 확인 및 검증할 수 있다.
개념, 기능, 아키텍처, 부품 단계의 시스템 모델링 및 분석 과정에서 System Vision은 설계자로 하여금 차량 시스템 설계의 복잡성을 극복할 수 있는 수단을 제공한다. SystemVision을 사용하여, 설계자는 요구 사항과 설계 사양을 정의하고 시스템 기능을 분석한 후 시스템 분할에 대한 결정을 내린다. SystemVision은 정교한 시뮬레이션 알고리즘을 사용하여 시간 및 주파수 도메인에서 모델의 동작을 분석하고 테스트한다. 이를 통해 사실상 의도하지 않은 동작에 의거한 위험을 크게 줄일 수 있다.
멘토 그래픽스는 강력한 차량 EE 설계 솔루션을 제공
차량 시스템 설계 기술의 미학은 설계 과정의 어떤 합리적인 시점에서 시뮬레이션 모델을 물리적 프로토타입으로 전환할 수 있다는 점이다.
시스템 모델을 이용하면 "What-if" 분석이 가능하다. 예를 들면 성능은 하나의 부품 공차 함수로 다루어져 최적 값 결정이 가능하다. 그리고 그 밖의 다양한 해석을 수행할 수 있다. 이는 모델 개발이란 노력의 대가이다. 시스템 모델을 통해 실제 하드웨어가 만들어지기 전에 현재 시점에서 검증하고 발생할 수 있는 설계 문제점을 사전에 해결할 수 있다.
멘토 그래픽스의 SystemVision은 Simulink, LabVIEW 그리고 다른 툴과의 인터페이스를 제공한다. 더불어 모델링 기능, 네트워크의 물리적 검증 기능 등을 제공하며 기존의 하드웨어 및 소프트웨어 공동 검증 툴은 기타 모델링 툴과의 연계가 기능하다. 멘토 그래픽스의 모델 기반 개발 툴은 모델링, 통합, 시뮬레이션 및 차량 전기 전자 설계 검증을 위한 강력한 솔루션을 제공한다.
멘토 그래픽스의 웹 페이지 www.mentor.com/systemmodeling 을 참조하면 MDD 솔루션에 대한 보다 자세한 정보를 얻을 수 있다.
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