미래에는 트럭, 버스, 중장비에 어떤 방식으로 동력이 공급될까요? 하이존모터스의 대답은 명확합니다. 바로 수소 연료 전지입니다. 이를 위해 다양한 핵심 기술을 개발하고 있을 뿐만 아니라 청정 수소 공급 인프라를 구축하는 데도 적극적으로 참여하고 있습니다. 하이존은 ECU 검증을 위해 dSPACE 기술을 사용합니다.
연료 전지는 CO2나 오염 물질을 배출하지 않고 전기 에너지를 공급하기 때문에 에너지 및 자동차 업계에서 기후 친화적인 에너지 공급원으로 점점 더 주목받고 있습니다. 특별한 주행 거리 요건과 효율성 기준을 고려할 때 이는 모빌리티 부문, 특히 상용차 부문에서 흥미로운 옵션입니다. 수소와 산소의 반응으로 방출되는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 수소는 자연계에서 예를 들어 물 속의 산소와 함께 화합물 형태로만 존재하기 때문에 먼저 전기분해를 통해 분리해야 합니다. 전기 분해에 사용되는 전기가 배출가스 없이 생성될 때만 진정한 기후 중립적 기술이라고 할 수 있습니다.
깨끗하고 저렴하며 어디서나 사용 가능
미국 뉴욕주 로체스터에 본사를 둔 하이존모터스는 이러한 목표를 위해 노력하고 있으며, 유연하고 견고한 청정 수소 공급 인프라를 구축하는 데 적극적으로 참여하고 있습니다. 비전: 어디서나 사용할 수 있고 바이오가스나 메탄, 태양, 바람, 폐기물 등 재생 가능한 자원으로만 생산되는 저렴한 수소. 하이존은 운송 비용을 최소화하기 위해 다양한 파트너와 함께 현지 수소 생산에 주력하고 있습니다.
하이존은 배출가스 없는 양성자 교환막(PEM) 연료전지 시스템을 개발 및 생산하여 트럭과 같은 상용차에 탑재하는 것을 핵심 사업으로 하고 있습니다. 하이존은 대형 상용차에 동력을 공급하는 데 사용되는 수소 연료 전지 파워트레인 기술을 보유한 세계 최초의 OEM 중 하나입니다.
FCU 없는 연료 전지 시스템은 없습니다
모든 연료 전지 시스템의 두뇌는 연료 전지 제어 장치(FCU)입니다. 다양한 제어 알고리즘을 사용하여 수소 주입, 밸브, 펌프, 압축기 등 다양한 구성 요소로 구성된 전체 시스템을 제어합니다. 하이존모터스에서 소프트웨어 테스트 매니저로서 제어기 소프트웨어 개발을 공동으로 담당하는 다니엘 강(Daniel Kang)은 “필요한 FCU 소프트웨어를 최대한 효율적으로 개발하기 위해 실제 연료 전지 시스템이 출시되기 훨씬 전인 초기 단계부터 테스트와 최적화를 반복할 수 있기를 원했습니다."라고 설명합니다.
따라서 하이존은 연료전지 시스템의 작동과 관련된 FCU의 모든 기능을 테스트하는 데 사용할 수 있고, FCU 환경을 시뮬레이션하기 위한 연료전지 모델을 포함하는 시스템이 필요했습니다. 하이존이 찾고 있던 테스트 솔루션은 새로운 소프트웨어 릴리스마다 실행되는 자동화된 회귀 테스트 카탈로그를 생성하는 등 개발팀의 다른 작업을 지원하는 데도 필요했습니다.
FCU의 첫 번째 소프트웨어 릴리스는 HIL 시스템에서 수많은 사전 테스트를 수행한 덕분에 매우 빠르게 작동했습니다. 모든 기본 I/O뿐만 아니라 폐쇄 루프 제어 루프도 검사하여 실제 시스템에 적용하기 전에 소프트웨어가 작동하는지 확인할 수 있었습니다.
FCU 소프트웨어를 위한 확장 가능한 테스트 솔루션
하이존은 HIL(hardware-in-the-loop) 테스트에 적합한 플랫폼과 연료 전지 시스템을 위한 실시간 지원 플랜트 모델을 모두 제공할 수 있는 공급업체를 찾기 시작했습니다. 다니엘 강은 “dSPACE는 이 두 가지 제품을 하나의 통합 솔루션으로 제공할 수 있는 몇 안 되는 벤더 중 하나였다”라고 말합니다. 하이존은 FCU 연결을 위한 모든 관련 인터페이스를 갖추고 강력한 실시간 시뮬레이션 하드웨어를 장착한, 유연하게 확장 가능한 dSPACE의 HIL 테스트 솔루션을 선택했습니다. 소프트웨어 측면에서는 연료전지 시스템 모델뿐만 아니라 파워트레인, 전기 모터, 배터리 및 주행 저항에 대한 모델이 포함된 dSPACE ASM Fuel Cell 모델 라이브러리로 솔루션이 완성됩니다. 이 솔루션을 사용하면 연료전지 시스템의 실시간 시뮬레이션과 FCU에 대한 현실적인 테스트 환경을 구축할 수 있습니다. HIL 시스템과 적합한 플랜트 모델의 조합을 통해 개발자들은 곧 실제 시스템에 설치하지 않고도 FCU 소프트웨어를 효율적으로 테스트하고 초기 보정을 수행할 수 있었습니다.
하이존은 dSPACE의 통합 솔루션을 사용하여 실제 시스템에 설치하지 않고도 FCU를 효율적으로 테스트할 수 있습니다. 이 테스트 솔루션은 강력한 실시간 시뮬레이션 하드웨어와 연료전지 시스템을 위한 실시간 지원 플랜트 모델을 결합합니다.
FCU 개발에 HIL 테스트 통합
오늘날 하이존은 모든 새로운 FCU 소프트웨어 버전에 대해 HIL 테스트를 수행하고 있으며, 특히 컴포넌트 수준에서 소프트웨어 기능을 테스트합니다. 또한 개발팀은 dSPACE HIL 시스템의 새로운 제어 전략을 먼저 테스트하여 예상대로 작동하는지 확인하거나 잠재적인 문제를 조기에 수정합니다. 소프트웨어의 조기 보정 가능성은 특히 효율적인 것으로 입증되었습니다. 나중에 실제 시스템에서 성능 테스트를 수행할 때 FCU 소프트웨어는 이미 이전 테스트보다 훨씬 더 완성도가 높아졌습니다. 한편, 개발자들은 실제 연료전지 시스템에서 발생한 문제를 재현하고 수정하기 위해 dSPACE HIL 시스템을 사용하기도 합니다.
I/O에서 폐쇄 루프(Closed Loop)까지
하이존이 dSPACE 솔루션으로 수행하는 HIL 테스트는 FCU의 모든 입력 및 출력(디지털, 아날로그, CAN)이 올바르게 작동하는지 확인하는 기본 I/O 테스트부터 제어 루프의 폐쇄 루프 테스트에 이르기까지 다양합니다. 개발팀은 폐쇄 루프 테스트의 일환으로 예를 들어 모든 설정값이 사전 정의된 정착 시간 후에 실제 값과 일치하는지, 따라서 모든 폐쇄 제어 루프가 안정적인지 확인합니다. ASM Fuel Cell 시뮬레이션 모델을 사용하면 특히 다음과 같은 변수를 자세히 검토할 수 있습니다.
- 양극 출구 압력
- 음극 공기 흐름
- 압축기 속도 및 출구 압력
- 스택 냉각수 입구 및 출구 온도
제 생각에 dSPACE는 시장에서 최고의 HIL 하드웨어와 소프트웨어를 제공합니다. 전반적으로 저는 HIL 시스템과 이 시스템이 소프트웨어 테스트 기능 향상에 도움이 된 점에 매우 만족합니다.”
dSPACE 솔루션의 첫 번째 성공 사례
다니엘 강은 “개발팀이 HIL 시스템으로 수행한 수많은 사전 테스트 덕분에 FCU의 첫 번째 소프트웨어 릴리스는 실제 시스템에 설치되기도 전에 매우 빠르게 작동했다”라고 말합니다. 개발자들이 실제 시스템에 소프트웨어를 배포할 수 있었을 때 비교적 짧은 시간 내에 성공적으로 가동하고 실행할 수 있었습니다. 그들은 이러한 성공의 비결을 HIL 시스템에 대한 광범위한 테스트 덕분이라고 생각했습니다.
HIL 시스템은 또한 잠재적으로 중요한 테스트 시나리오를 재현하는 데 있어서도 판도를 바꿀 수 있음을 증명합니다: 이제 실제 연료전지 시스템의 손상을 우려할 필요 없이 정상 작동 범위를 벗어난 셀 전류, 온도 및 압력의 작동 범위도 테스트에 쉽게 포함할 수 있습니다. 단 몇 번의 클릭만으로 연료전지 시스템의 기능을 신속하게 업데이트하고 확장할 수 있으므로 개발팀은 다양한 시스템과 시스템 버전에서 새로운 제어 소프트웨어를 빠르고 유연하게 테스트할 수 있습니다.
결론 및 전망
다니엘 강은 dSPACE 테스트 솔루션 사용 경험에 매우 긍정적인 피드백을 제공합니다. “다른 HIL 시스템을 사용해 본 경험이 있는데, 제 생각에 dSPACE는 시장에서 최고의 HIL 하드웨어와 소프트웨어를 제공합니다. 테스트 시스템의 높은 확장성이 돋보입니다. 새로운 구성에 쉽게 적용할 수 있도록 설계되었습니다. 전반적으로 저는 HIL 시스템과 이 시스템이 소프트웨어 테스트 기능 향상에 도움이 된 점에 매우 만족합니다.”
현재 하이존은 이미 차세대 FCU를 개발하기 위해 성공적으로 HIL 시스템을 사용하고 있습니다. 또한 하이존은 연료전지의 모든 핵심 부품 전반에 대한 기술 발전을 위해 지속적으로 노력하고 있습니다. 따라서 앞으로 수소 부문에서 흥미로운 혁신과 제품 상용화를 기대할 수 있습니다.
Hyzon Motors Inc. 제공
dSPACE 매거진, 2023년 7월 발행
