Ansys Twin Builder 기반 배터리 디지털 트윈과 구조·열·유동 해석
앞선 글에서는 드론 배터리 위협을 열 해석, 충격, 낙하, 진동, 냉각 부족 관점에서 살펴보고, 모아소프트의 구조·유동·열 해석 기술이 배터리 안전성 검증에 어떻게 활용될 수 있는지에 대해 알아보았습니다.
이번 후속편에서는 한 단계 더 나아가, Ansys Twin Builder 기반 배터리 가상검증과 구조·열·유동 해석을 결합해 드론·무인기 배터리 위험을 사전에 검토하는 방법을 소개합니다.
드론 배터리 사고는 단순한 품질 문제가 아닙니다. 앞선 글에서 소개한 DTaQ 미디어룸 기고문에서도 배터리 폭발·발화, 열 해석, 낙하 충격에 따른 폭발 사례를 소개하며, 드론 사고의 핵심 원인 중 하나로 배터리 안전성과 공급망 검증 문제를 지적하고 있습니다. 특히 배터리를 포함한 안전 부품은 침수, 충격, 과열, 단락 등 실제 사용 환경을 가정한 반복 시험으로 검증해야 한다고 설명합니다.
하지만 모든 조건을 실제 시험으로만 검증하는 것은 비용과 시간이 많이 듭니다. 그래서 필요한 것이 가상검증입니다. Ansys Twin Builder를 활용하면 배터리 셀, 모듈, 팩, 냉각계통, 전원계통, 센서 데이터를 하나의 시스템 모델로 연결하고, 구조·열·유동 해석 결과를 반영해 다양한 운용 조건을 가상으로 검토할 수 있습니다.
왜 배터리 가상검증이 필요한가?
드론 배터리 안전성은 셀 단품의 성능만으로 판단할 수 없습니다. 실제 운용 환경에서는 배터리와 주변 시스템이 동시에 영향을 주고받습니다.
배터리는 비행 중 출력 요구에 따라 발열량이 달라지고, 발열은 셀 온도와 내부 저항, 충·방전 성능에 영향을 줍니다. 냉각 구조가 부족하면 온도 편차가 커지고, 충격이나 진동은 셀 고정 구조와 배터리 하우징에 손상을 줄 수 있습니다. 이 과정에서 BMS, 냉각팬, 전원 케이블, 하우징, 체결부, 기체 내부 유동 구조가 모두 안전성에 영향을 미칩니다.
따라서 배터리 검증은 다음 질문에 답할 수 있어야 합니다.
| 검증 질문 | 필요한 기술 |
| 특정 비행 조건에서 배터리 온도는 얼마나 상승하는가 | 열 해석, 유동 해석 |
| 배터리 팩 내부 열이 어디에 집중되는가 | CFD, 열전달 해석 |
| 냉각팬 또는 유로 설계가 충분한가 | 유동 해석, 냉각 성능 분석 |
| 낙하·충격 시 셀과 하우징은 안전한가 | 구조 해석, 충격 해석 |
| 배터리 상태 변화가 전체 시스템 성능에 어떤 영향을 주는가 | Twin Builder 시스템 시뮬레이션 |
| 실제 센서 데이터를 활용해 운용 중 상태를 예측할 수 있는가 | 디지털 트윈, ROM, 예측 모델 |
배터리 사고를 줄이려면 시험 전에 위험 조건을 예측하고, 시험 중에는 결과를 비교하며, 운용 중에는 센서 데이터를 통해 상태를 추적해야 합니다. 이 흐름을 가능하게 하는 기술이 배터리 디지털 트윈 기반 가상검증입니다.
Ansys Twin Builder란 무엇인가?
Ansys Twin Builder는 시뮬레이션 기반 디지털 트윈 플랫폼입니다. Twin Builder가 다중 도메인 시스템 모델러, 0D 라이브러리, 3D 물리 솔버, ROM 기능을 결합해 시스템 모델을 빠르게 구성할 수 있도록 지원합니다.
여기서 핵심은 시스템 레벨 모델과 고정밀 3D 해석 모델을 연결할 수 있다는 점입니다.
배터리 검증에서는 다음과 같은 방식으로 활용할 수 있습니다.
- Twin Builder에서 배터리 셀·모듈·팩의 시스템 모델 구성
- Fluent / Icepak으로 배터리 열·유동 해석 수행
- Mechanical / LS-DYNA로 구조·충격·진동 검토
- 3D 해석 결과를 ROM, Reduced Order Model로 축소
- Twin Builder에서 ROM과 회로·제어·BMS 모델을 연결
- 다양한 충·방전, 냉각, 온도, 운용 조건을 가상 검증
Twin Builder는 외부 시뮬레이션 소프트웨어에서 생성된 모델을 ROM 형태로 연결하거나, 원래 제품과의 과도해석 기반 코시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 또한 Mechanical, Icepak, Fluent, FMU 등 다양한 컴포넌트와의 연결을 지원합니다.
배터리 모델링에서 Twin Builder가 중요한 이유
배터리는 대표적인 다물리 시스템입니다. 전기, 열, 유동, 구조, 제어, 센서 데이터가 동시에 연결됩니다.
시스템 시뮬레이션 기반 디지털 트윈 구축 예시에서 배터리 모델을 다음과 같은 흐름으로 설명할 수 있습니다. 먼저 셀의 전류·전압 관계를 표현하는 ECM, Equivalent Circuit Model을 만들고, CFD로 배터리 열 특성을 시뮬레이션한 뒤, CFD 결과에서 ROM을 추출합니다. 이후 Twin Builder에서 ROM과 ECM을 결합해 양방향 다물리 시스템 시뮬레이션을 구성하고, 모듈을 연결해 전체 배터리 팩을 시뮬레이션할 수 있습니다.
또한 Twin Builder에는 Battery Wizard가 제공되어 배터리 셀 구성 파일을 만들고, 직렬·병렬로 연결된 배터리 모듈을 구성할 수 있습니다. 이 과정에서 단일 셀의 Modelica 및 FMU 모델도 생성할 수 있습니다.
즉, Twin Builder는 배터리 셀 단위의 전기적 특성부터 모듈·팩 단위의 시스템 동작까지 연결하는 기반이 됩니다.
구조·열·유동 해석과 Twin Builder의 연결
배터리 가상검증에서 Twin Builder만 사용하는 것은 충분하지 않습니다. Twin Builder가 시스템 거동을 빠르게 계산한다면, 구조·열·유동 해석은 물리적 위험을 정밀하게 파악하는 역할을 합니다.
모아소프트는 Ansys Mechanical, Fluent, Icepak을 활용해 열-구조, 유동-구조, 전자기-열 연성 해석을 수행하고, Ansys Mechanical, LS-DYNA, Fluent, Icepak 기반으로 진동·충격·열전달·유동·구조 안전성을 사전 검증하는 역량을 보유하고 있습니다. 또한 Sherlock, nCode DesignLife, Granta 등을 활용해 전자부품·PCB의 열, 진동, 피로 수명과 고장 위험을 예측하는 체계도 제시하고 있습니다.
배터리 검증에서는 이 해석들이 다음과 같이 연결됩니다.
| 해석 영역 | 주요 검토 내용 | Twin Builder와의 연결 |
| 열 해석 | 셀·모듈·팩 온도 분포, 열 집중부, 방열 경로 | 열 ROM 생성 후 시스템 모델에 반영 |
| 유동 해석 | 냉각 공기 흐름, 팬 성능, 덕트·유로 설계 | 냉각 조건별 온도 응답 예측 |
| 구조 해석 | 하우징 강도, 체결부 응력, 셀 압착 가능성 | 충격 조건별 위험 시나리오 도출 |
| 충격·낙하 해석 | 낙하, 충돌, 착륙 충격, 변형 | 시험 조건 및 보호 구조 설계 |
| 신뢰성·수명 분석 | 열·진동·피로에 따른 고장 위험 | 운용 조건별 수명 예측 모델 연계 |
| 시스템 시뮬레이션 | BMS, SOC, 냉각계통, 운용 조건 | 배터리 디지털 트윈 구성 |
이 구조의 장점은 명확합니다. 고정밀 3D 해석으로 위험을 정확히 파악하고, Twin Builder로 시스템 레벨의 다양한 운용 조건을 빠르게 반복 검토할 수 있습니다.
ROM 기반 배터리 열관리 검증
배터리 열해석은 정확도가 중요하지만, 모든 조건을 고정밀 CFD로 반복 계산하면 시간이 오래 걸립니다. 특히 드론 배터리는 비행 프로파일, 외기온도, 냉각 조건, 충·방전 조건이 계속 달라지기 때문에 모든 경우를 3D CFD로 계산하기 어렵습니다.
이때 활용되는 것이 ROM, Reduced Order Model입니다. ROM은 고정밀 3D 해석 결과의 핵심 거동을 축소 모델로 변환해 시스템 시뮬레이션에서 빠르게 사용할 수 있도록 하는 방식입니다.
Ansys의 Battery Thermal Reduced Order Models 과정에서는 배터리 CHT, Conjugate Heat Transfer 시뮬레이션에서 과도 열원을 사용하는 경우 계산 자원이 많이 필요할 수 있으며, 특정 조건에서는 ROM을 통해 계산 속도를 수 배 이상 높일 수 있다고 설명합니다. 또한 Fluent로 학습 데이터를 만들고, Twin Builder 안에서 배터리 모듈의 thermal LTI ROM과 SVD ROM을 생성하는 과정을 다룹니다.
Ansys의 배터리 시스템 사례에서도 Fluent 기반 CFD 모델에서 ROM을 생성하고 Twin Builder에서 시스템 모델과 결합해 배터리 저장 시스템을 테스트·검증하는 방법이 소개됩니다. 해당 사례에서는 CFD 모델의 정확성과 계산 속도 사이의 문제를 해결하기 위해 ROM을 생성했고, Twin Builder의 ROM 기술로 시뮬레이션 시간을 하루에서 10분으로 단축한 사례가 제시되어 있습니다.
드론 배터리 검증에 적용하면 다음과 같은 흐름이 가능합니다.
- Fluent / Icepak으로 배터리 팩 열·유동 해석 수행
- 다양한 충·방전 조건, 냉각 조건, 외기온도 조건으로 데이터 생성
- 열 응답 데이터를 기반으로 ROM 생성
- Twin Builder에서 BMS, SOC, 냉각팬, 운용 프로파일과 ROM 연결
- 비행 시나리오별 온도 상승, 냉각 성능, 위험 조건 가상검증
드론 배터리 가상검증 프로세스
1단계. 배터리 셀·모듈·팩 정의
먼저 배터리의 기본 구조를 정의합니다. 셀 형상, 직렬·병렬 구성, 모듈 구조, 팩 하우징, BMS, 냉각 방식, 장착 위치를 정리합니다.
검토 항목
- 셀 타입 및 용량
- 직렬·병렬 구성
- 셀 간 간격
- 모듈·팩 구조
- BMS 및 센서 위치
- 냉각 방식
- 드론 내부 장착 위치
2단계. 열·유동 해석
배터리 팩의 온도 분포와 냉각 성능을 검토합니다. 비행 중 출력 변화, 고출력 임무장비 운용, 외기온도, 냉각팬 성능, 공기 흐름을 반영해 열 위험을 확인합니다.
검토 항목
- 최고 온도 발생 위치
- 셀 간 온도 편차
- 냉각 유로 성능
- 팬 작동 조건
- 외기온도 영향
- 고출력 비행 조건
- 열 해석 전이 가능성
3단계. 구조·충격 해석
배터리 팩이 충격과 진동 환경에서 안전한지 검토합니다. 드론은 착륙 충격, 운반 중 충격, 추락, 반복 진동에 노출될 수 있으므로 배터리 하우징과 체결부의 구조 안전성이 중요합니다.
검토 항목
- 하우징 응력 및 변형
- 셀 압착 가능성
- 체결부 파손 위험
- 낙하·충격 조건
- 진동 피로
- 장착 브래킷 강도
- 케이블 및 접점 손상 가능성
4단계. ROM 생성 및 시스템 모델 연결
고정밀 3D 해석 결과를 ROM으로 축소해 Twin Builder 시스템 모델에 연결합니다. 이 단계에서 배터리 전기 모델, 열 모델, 냉각 모델, BMS 제어 로직이 하나의 시스템으로 연결됩니다.
검토 항목
- ECM 기반 배터리 전기 모델
- 열 ROM
- 냉각계통 모델
- BMS 로직
- SOC / SOH 계산
- 센서 입력
- 고장 시나리오
5단계. 가상 운용 시나리오 검증
마지막으로 다양한 운용 시나리오를 가상으로 반복 검증합니다. 실제 시험 전에 위험 조건을 찾고, 시험 조건과 계측 위치를 합리적으로 설계할 수 있습니다.
검토 항목
- 장시간 체공
- 급상승·급기동
- 고출력 임무장비 운용
- 고온·저온 환경
- 냉각팬 고장
- 일부 셀 성능 저하
- 충격 이후 재사용 조건
- 비정상 충·방전 조건
Twin Builder 기반 배터리 가상검증의 장점
1. 실제 시험 전 위험 조건을 먼저 찾을 수 있습니다.
배터리 시험은 위험합니다. 과열, 충격, 단락, 과충전 조건은 화재나 폭발로 이어질 수 있습니다. Twin Builder 기반 가상검증은 시험 전에 고위험 조건을 선별하고, 실제 시험의 범위와 순서를 정하는 데 도움을 줍니다.
2. 고정밀 해석과 빠른 반복 검토를 동시에 활용할 수 있습니다.
3D CFD와 구조 해석은 정밀하지만 계산 시간이 오래 걸립니다. Twin Builder와 ROM을 활용하면 고정밀 해석 결과를 시스템 모델에 반영하면서도 다양한 조건을 빠르게 반복 검토할 수 있습니다.
3. 배터리와 주변 시스템을 함께 검증할 수 있습니다.
배터리만 따로 검증하는 것이 아니라 BMS, 냉각계통, 센서, 전원계통, 드론 운용 조건을 하나의 시스템으로 연결해 검토할 수 있습니다. Ansys는 시스템 시뮬레이션이 제품의 각 부분이 함께 어떻게 작동하는지 예측하고, 제품 검증과 디지털 트윈 구축의 기반이 될 수 있다고 설명합니다.
4. 운용 중 데이터 기반 예측으로 확장할 수 있습니다.
디지털 트윈은 설계 단계에서 끝나지 않습니다. Ansys는 시스템 시뮬레이션이 제품 수명주기 전반에서 활용될 수 있으며, IIoT 센서 데이터를 디지털 트윈에 연결해 성능을 확인하고, 예측정비와 최적화에 활용할 수 있다고 설명합니다.
드론 배터리에도 같은 개념을 적용할 수 있습니다. 배터리 온도, 전류, 전압, SOC, SOH, 냉각팬 상태, 비행시간 데이터를 축적하면 운용 중 배터리 상태 예측과 정비 의사결정으로 확장할 수 있습니다.
모아소프트의 기술 제안
모아소프트는 배터리 가상검증을 단순 해석 업무가 아니라 설계-해석-시험-운용 데이터가 연결되는 디지털 엔지니어링 프로세스로 제안할 수 있습니다.
제안 가능한 기술 범위
| 구분 | 주요 내용 |
| 배터리 열·유동 해석 | Fluent / Icepak 기반 온도 분포, 냉각 성능, 열 집중부 검토 |
| 구조·충격 해석 | Mechanical / LS-DYNA 기반 낙하, 충격, 하우징 변형, 체결부 검토 |
| 다물리 연성 해석 | 열-구조, 유동-구조, 전자기-열 연성 해석 |
| 배터리 시스템 모델링 | Twin Builder 기반 배터리 셀·모듈·팩 시스템 모델 구성 |
| ROM 기반 가상검증 | 3D 해석 결과를 ROM으로 변환해 다양한 운용 조건 반복 검토 |
| 시험 연계 | 시험 조건, 계측 위치, 위험 시나리오 도출 |
| 운용 데이터 확장 | 센서 데이터 기반 상태 예측, 예지정비, PHM 연계 |
드론·무인기 개발 기업에 필요한 검증 전략
드론 배터리 검증은 단품 시험에서 끝나면 안 됩니다. 실제 운용 환경과 시스템 연동성을 반영해야 합니다.
권장 검증 흐름
1.배터리 요구조건 정의
비행시간, 출력, 충전 조건, 온도 범위, 충격·진동 조건 정의
2. 3D 구조·열·유동 해석
배터리 팩 온도, 냉각, 하우징 강도, 충격 응답 검토
3. Twin Builder 시스템 모델 구성
ECM, BMS, 냉각계통, 운용 프로파일 연결
4. ROM 기반 가상검증
CFD·구조 해석 결과를 축소 모델로 반영해 반복 검토
5. 시험 조건 설계
위험 조건, 계측 위치, 시험 항목, 합격 기준 도출
6. 운용 데이터 기반 고도화
센서 데이터와 해석 모델을 연결해 예측정비와 수명관리로 확장
결론: 배터리 안전성 검증은 실제 시험 전에 가상환경에서 시작되어야 한다.
드론 배터리 위협은 단순한 부품 품질 문제가 아닙니다. 셀, 모듈, 팩, BMS, 냉각계통, 장착 구조, 충격 환경, 운용 조건이 모두 연결된 시스템 안전성 문제입니다.
따라서 배터리 안전성을 확보하기 위해서는 실제 시험만이 아니라, 시험 전에 위험을 예측하는 가상검증 체계가 필요합니다. Ansys Twin Builder는 배터리 시스템 모델과 3D 해석 기반 ROM을 연결해 배터리의 전기·열·냉각·운용 조건을 시스템 레벨에서 검토할 수 있는 기반을 제공합니다. 여기에 Fluent, Icepak, Mechanical, LS-DYNA 기반 구조·열·유동 해석을 결합하면 배터리의 발열, 냉각, 충격, 진동, 장착 구조 리스크를 더 정밀하게 검토할 수 있습니다.
모아소프트는 Ansys Twin Builder 기반 배터리 가상검증과 구조·열·유동 해석을 결합해 드론·무인기 배터리의 설계 리스크를 사전에 식별하고, 실제 시험과 운용 단계까지 연결되는 디지털 엔지니어링 검증 체계를 제공합니다.
FAQ
Q. Ansys Twin Builder는 배터리 검증에서 어떤 역할을 하나요?
Ansys Twin Builder는 배터리 셀, 모듈, 팩, BMS, 냉각계통, 운용 프로파일을 시스템 모델로 연결해 다양한 조건에서 배터리 거동을 가상으로 검토할 수 있도록 지원합니다.
Q. ROM은 왜 배터리 가상검증에 필요한가요?
고정밀 3D CFD나 구조 해석은 정확하지만 계산 시간이 오래 걸립니다. ROM은 3D 해석 결과의 핵심 거동을 축소 모델로 변환해 Twin Builder에서 빠르게 반복 검토할 수 있도록 지원합니다.
Q. Twin Builder만으로 배터리 안전성 검증이 가능한가요?
Twin Builder는 시스템 레벨 검증에 강점이 있습니다. 하지만 실제 배터리의 열 집중, 냉각 성능, 구조 변형, 충격 응답을 정밀하게 검토하려면 Fluent, Icepak, Mechanical, LS-DYNA와 같은 구조·열·유동 해석과 함께 사용하는 것이 효과적입니다.
Q. 드론 배터리 검증에는 어떤 해석이 필요한가요?
배터리 온도 분포와 냉각 성능을 보는 열·유동 해석, 낙하·충격·진동 조건을 보는 구조 해석, 그리고 시스템 운용 조건을 연결하는 Twin Builder 기반 가상검증이 필요합니다.
Q. 모아소프트는 어떤 부분을 지원할 수 있나요?
모아소프트는 배터리 팩 열·유동 해석, 구조·충격 해석, ROM 기반 시스템 모델링, Twin Builder 기반 가상검증, 시험 조건 도출, 운용 데이터 기반 예측정비 연계까지 지원할 수 있습니다.
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