전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2024.1 Emerging Tech (p82-87)

덴소 등, 차량탑재 기기 설계에서 새 모델 개발
‘일렉메카’ 연성 해석이 500배 고속으로

덴소는 도쿄공업대학과 공동으로 차량탑재 액추에이터 시뮬레이션 모델의 새로운 작성 기술(모델링 기술)을 개발하고 있다. 솔레노이드 에어 밸브의 모델을 만들어 일렉메카(전기기계, 일렉트로닉스와 메카트로닉스의 합성어) 연성 시뮬레이션을 실행한 결과, 상세한 구조 정보가 필요한 3D 모델과 동등한 정확도를 확보하면서 500배 고속으로 처리할 수 있음을 확인했다. 앞으로 기술을 확장해 모터 모델도 만들 수 있도록 한다.

이번 모델링 기술 개발에 관여한 덴소 일렉트로닉스기술부의 이나바(稲葉) 계장은 지멘스 EDA 재팬의 프라이빗 이벤트 ‘PCB Systems Forum 2023 Japan’(23년 9월 8일, 도쿄)에 등단해 개발 의의와 기술적 포인트, 향후 전개에 대해 강연했다. 강연 제목은 '일렉메카 융합 1D 모델에 의한 고정밀 전류 검증'이다. 아나바 계장은 자동차기술회 학술강연회 2023년 춘계대회에서도 강연했었다. 그 타이틀은 ‘동적 액추에이터의 모델링에 의한 발열량 손실 산출 제안’이다.

강연에서 이나바 계장이 설명했듯이, 자동차의 개발 기간을 단축하기 위해서는 조기에 시뮬레이션을 실시해 시제품을 이용한 실험을 줄이는 것이 중요하다. 이른바 개발 시프트 레프트(혹은 프론트 로딩)이다.

개발 시프트 레프트를 실현하기 위해서는 고정밀 시뮬레이션을 단시간에 실행하는 것이 필수적이다. 그 열쇠를 쥐는 것은 개발 대상을 구성하는 부품 모델이라고 말할 수 있다. 일반적으로 상세한 모델을 사용하면 정확도는 올라가지만 처리시간은 증대한다. 반대로 간략화한 모델을 사용하면 처리시간은 짧지만 정확도는 떨어진다. 이 때문에 정확도와 처리시간 모두 최적화할 수 있는 균형 잡힌 모델 개발이 요구된다.

이미 덴소는 보닛 내 고온 환경에서 동작하는 ECU(Electronic Computing Unit)의 과도열 해석을 고정밀/고속으로 실행하기 위해 MOS FET 모델을 개발해 제품 개발에 적용해 왔다.

방정식(회로방정식이나 운동방정식 등) 기반의 이른바 1차원(1D) 모델이다. MOS FET의 특성을 측정해 모델의 파라미터에 반영함으로써 1차원 모델이면서 정확도가 높고, 그러면서도 처리시간이 짧은 시뮬레이션을 실행할 수 있도록 하였다. 덴소가 개발한 MOS FET 모델은 'DXRC 모델'이라는 명칭으로 JEITA(전자정보기술산업협회)가 규격화(ED-7804~7807)했다.

현재 덴소는 MOS FET의 모델링 기술과 비슷한 컨셉, 즉 측정을 통해 정확도를 높이는 1D 모델링 기술을, 차량탑재 액추에이터의 과도 해석용으로 도쿄공업대학과 개발 중이다. 액추에이터의 모델이 적절하지 않으면, 예를 들면 액추에이터를 동작시키는 MOS FET의 스위칭 횟수를 과도하게 추산하게 된다.

MOS FET는 스위칭할 때 발열하기 때문에 그 횟수에 맞는 열 대책이 필요하다. 시뮬레이션 결과, 실제 기기보다 많은 스위칭 횟수를 추산하게 되면 결과적으로 과도한 열 대책을 초래해 비용 상승을 불러온다.

덴소는 솔레노이드와 같은 직선 동작을 하는 차량탑재용 액추에이터의 모델링부터 시작해 이를 확립했다. 솔레노이드 에어 밸브 모델을 이 기술로 개발해, MOS FET 모델과 조합하여 일렉메카 연성 시뮬레이션을 실시한 결과, 유한요소법 기반의 상세한 3D 모델을 사용하는 경우에 버금가는 높은 정확도의 해석 결과를 500분의 1의 시간에 얻을 수 있었다고 한다. 앞으로는 피드백 제어하는 차량탑재 액추에이터의 모델링에 착수한다. 그 후, 회전 운동하는 모터의 모델링에 도전한다.

개발한 모델링 기술은 덴소 그룹뿐만 아니라 경쟁사를 포함한 자동차업계 전체에 공개해 나갈 계획이라고 한다. 자동차는 많은 부품업체의 다양한 부품을 조합해 만들어지기 때문에 “좁은 범위에서 기술이 확산돼도 그 효과는 한정적이다”(이나바 계장). 자동차기술회의 '국제표준기술에 따른 모델베이스 개발기술부문위원회'를 통해 널리 업계 내에 공개한다.

업계 전체에서 일렉메카 연성 시뮬레이션을 효율화할 기회가 찾아온다고 한다. 또한 덴소에서도 개발의 시프트 레프트를 진행하기 쉬워진다. 부품업체들이 부품과 함께 덴소의 기법에 따른 시뮬레이션 모델을 제공하게 될 것으로 기대되기 때문이다.

-- ID 모델을 확장 --
“액추에이터의 과도 해석 모델의 작성에서 주목해야 할 것은 플런저(Plunger, 가동부)다”(이나바 계장). 플런저가 움직이면서 전기 특성이 변하기 때문이다. 플런저의 움직임과 전기 특성의 관계를 나타내는 모델로는 유한요소법(FEM: Finite Element Method)을 사용하는 3D 모델과, 방정식을 사용하는 1D 모델이 잘 알려져 있다.

3D 모델은 정확도가 높은 반면에 처리시간이 길다. 또한 상세한 구조 정보가 필요하지만 그것은 액추에이터 사용자에게는 공개되지 않았기 때문에 실제로는 작성이 불가능한 경우가 많다. 반면 1D 모델은 3D 모델에 비해 처리 시간이 매우 짧다. 1D 모델은 액추에이터의 데이터 시트 정보로 작성할 수 있는 경우도 많아 이용하기 쉽다. 다만 정확도가 떨어진다는 약점이 있다.

덴소와 도쿄공업대학이 선택한 것은 1D 모델이다. 처리 시간이 짧기 때문에 다양한 가능성을 검토하는 개발 초기 단계에 적합하다. 다만 정확도가 떨어지면 시제기를 이용한 실험 횟수를 줄일 수 없다. 이에 양측은 액추에이터 실제기기를 측정해 파라미터로 받아들임으로써 정확도를 높이도록 기존 1D 모델을 확장했다. 이때 측정이 용이한 파라미터를 선택했다. 측정이 어려우면 '업계 전체에 보급하기' 어렵기 때문이다.

솔레노이드 에어 밸브의 확장 1D 모델을 사용한 시뮬레이션 결과와, 실제기기를 사용한 측정 결과를 비교했더니 전류 정확도는 5% 이내, 플런저의 동작도 거의 일치했다. ECU의 조기 설계 단계에서 사용하기에 실용적인 정확도라고 한다.

-- 측정하는 파라미터는 3개 --
이번 확장 1D 모델에서 측정할 파라미터로 선택한 것은 3가지다. 액추에이터에 대한 인가전압 v와 통전전류 i, 그리고 플런저 변위 x이다. 이것들을 인수로 한 3개의 함수를 개량했다. 또한 인가전압 v와 통전전류 i는 오실로스코프로 측정하고, 플런저 변위 x는 레이저 변위계로 측정한다. 둘 다 일반적인 측정기이다.

개량한 3가지 함수의 개요는 다음과 같다. L(x, i)은 인덕턴스의 함수라고 부른다. 이나바 계장에 의하면, 데이터 시트에 실려 있는 정보에서는 정현파를 입력했을 경우의 인덕턴스 밖에 구할 수 없지만 측정한 파라미터를 사용하면 실제기기와 같이 방형파를 입력했을 경우의 인덕턴스를 구할 수 있다.

fm(x, i)는 전자(電磁) 흡인력의 함수라고 부른다. 일반적인 데이터 시트에서는 전자 흡인력은 구할 수 없다고 한다. 기존 모델에서는 간단한 선형함수로 비슷했지만 덴소와 도쿄공업대학은 다항식 근사로 정확도를 향상시켰다.

ff(x, i)는 마찰력의 함수라고 부른다. 이 함수에 관해서는 2개를 확장했다. 구체적으로는 정지 마찰력 모델의 동작 방향 의존성과 수직 항력의 통전전류 의존성을 고려한 것이다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei Electronics] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.

Hot News
• 소니, 전화소에 동시 노광, 풀 사이즈 촬상 소자
‘α9 III’에 탑재, 노하우를 활용해 민생 용도의 요구 실현
• 도시바가 산화동(CuO) 태양전지에서 목표인 10% 달성, 탠덤형은 약 30%
2025년의 실용화를 위해 착실히 전진
• 도레이가 양자점 대항의 형광체 개발, 유기로 유해물질 포함하지 않아
하이엔드의 액정 디스플레이와 액정 TV가 타깃
• ’라피다스는 양산에 도달할 수 있을까?’ imec 재팬 이벤트 리포트
라피다스의 고이케 사장과 니시무라 경제산업대신 강연
• 인텔의 FPGA 사업, 인수 전의 Altera로 돌아가
강한 엔비디아에 못 이겨, IPO로 별도 회사화
• 인텔이 UCIe 준거의 시제 칩 선보여, 유리기판으로 접속밀도 기존대비 10배로
개발자용 이벤트 'Intel Innovation 2023'에서 제시된 3가지 포인트
• TSMC이 일본 최초의 개발자 이벤트 개최, ‘2nm 프로세스 추진, 칩렛은 필수
‘범프의 품질', '평탄도' '배선 형성 기술'이 기판의 경쟁 영역으로
• 마이크로 LED를 헤드램프로, 니치아화학(一亞化学) 등이 배광 동적 제어 기술
교세라는 GaN의 수평 성장으로 고품질 및 박리를 용이하게
• LFP계에서 큰 폭의 성장을 노리는 LG에너지, 우선 북미에서 에너지저장시스템용으로
에너지 저장을 EV용 배터리 매출의 30% 정도로
• SBI와 대만의 PSMC의 미야기현 반도체 공장, 28~55nm세대 월 생산 4만장 수탁
SBI홀딩스의 기타오 회장, “파운드리의 생태계를 만들겠다”
• 애플이 독자적인 반도체 'M3' 발표, 업계에서 선도적으로 3nm 프로세스 채택
GPU 아키텍처 등 쇄신, 'MacBook Pro'에 탑재
• 라피더스가 이종칩 집적에 포석, 칩렛 조합 설계 기반 마련
고이케 사장이 ‘ITF Japan 2023’에서 구상 제시, 신속한 설계·제조를 가능하게
Breakthrough 特集1
일렉트로닉 기술로 수소를 -- 차세대 수전해는 재료 경쟁으로
• 제1부 : 동향 -- 세계가 그린수소에 진심, 생산 계획은 2년 만에 100배가 넘는 규모로
• 제2부 : 제조업체 -- 수전해 버전의 기가 팩토리 급증, 장치 가격 크게 떨어져
• 제3부: 기술 -- 핵심 부재는 과점 상태, 파나소닉과 도레이가 패권 잡을 가능성도
Emerging Tech＆Biz
• 반도체 -- 인텔이 칩렛 채택 CPU를 본격 전개, 후공정에 약 1조엔 투입해 선두 탈환 노려
• 시뮬레이션 -- 덴소 등이 차량탑재기기 설계로 새로운 모델, 일렉트로 메커니컬 머신의 연성 해석이 500배 고속으로
• ‘파워 일렉트로닉스 어워즈 2023’ -- 대학의 파워 일렉트로닉스 연구 모델, 최우수상은 시즈오카대학의 가변계자기술
‘파워 일렉트로닉스 어워드 2023’ 심사회
Products' Trends
• 무라타제작소의 ‘세계 최소’ 차량용 MLCC, 더 얇고 가볍게
Readers' Voice
• 일렉트로닉스 산업 동향에 관심