전기차의 CD는 왜 중요한가?(FEAT. EV9)
차량의 설계에서 공기저항계수(Coefficient of Drag, 이하 CD)는 차량 성능과 에너지 효율을 좌우하는 핵심 지표입니다.
CD는 차량이 주행 중 공기와 상호작용할 때 발생하는 저항력을 나타내며, 이는 에너지 소비, 주행거리, 주행 안정성 등에 영향을 미치는데 이중 사람들이 중요하게 생각하는 연비와 전비에 가장 주요하게 영향을 미치는 지표죠. 사실 내연기관 차량에서도 중요한 지표였지만, 전기차에서는 CD의 중요성이 더욱 강조되었습니다.
전기차의 마케팅 트렌드가 주행거리로 집중되어 있고, 서로 우리는 400km네 500km네 경쟁을 하고 있죠, 배터리 기술의 한계로 인해 주행거리 연장이 전기차 성능의 중요한 평가 척도로 자리 잡는 한 당분간은 계속해서 경쟁할 영역이기는 합니다.
앞서 설명한 대로 CD는 일반적으로 0.30~0.40 수준의 값을 가지는 내연기관 차량에 비해, 최첨단 전기차 모델에서는 0.2대의 CD를 달성하며 공기역학적 설계의 새로운 기준을 제시하고 있습니다.
대표적으로 Mercedes-Benz EQS는 0.20이라는 업계 최저 수준의 CD를 기록했다고 홍보하며, 자기네 에너지 효율이 좋다고 마케팅포인트를 삼았죠 사실 공학적 설계에 치중을 한 나머지 외부에서 보이는 디자인이 이쁜지는 모르겠지만요
중요한 부분은 CD를 낮추는 것은 단순히 차량 외형의 디자인 문제를 넘어선 공기역학적 기술의 집약해야 가능하다는 점입니다. 차량 전면 형상, 하부 설계, 휠과 타이어 디자인, 루프 라인, 후방 스포일러 등 차량 전반에 걸친 세밀한 설계가 동시에 적용되어야 가능한 거니까요.
더불어 전기차 특유의 구조적 특징, 예컨대 내연기관 엔진룸의 부재로 가능해진 평평한 하부 디자인과 배터리 팩 배치의 최적화까지 기술적으로 녹아야 그게 가능해요, 심지어 제작 시에도 액티브 에어로다이내믹스, 고성능 풍동 실험, 컴퓨터 시뮬레이션(CFD) 등의 최신 기술이 적용되어, 공기저항을 감소시키는 동시에 제조 비용과 생산성을 고려하는 균형 잡힌 접근을 해야햐죠 낮추려면 당장 더 낮출 순 있지만 양산이 안된다면 그게 무슨 의미가 있습니까.
CD만이 중요하다면 죄다 F1차량을 만드는 게 맞겠고 결국 어디까지 타협할 거냐가 가장 중요한 지표입니다 소위말하는 디자이너와 엔지니어의 싸움이라 할까요
오늘은 이 CD와 EV9 이야기를 좀 풀어봅시다.
지금 보시고 계신 녀석은 아이오닉 6으로 자기네들 CD가 2.1 임을 마케팅 포인트로 삼은 녀석입니다.
실제로 공기저항 계수라는 이 녀석은 형상에 따라 달라지는데 실제 형상에 따라 다음과 같은 차이가 나타나죠
그렇다면 실제로 어떤 방식으로 산정할까요?
이론자체는 단순합니다.
FD 공기 저항력 (Drag Force) [N],
ρ 공기의 밀도 [kg/m³],
V 상대 유속 (Velocity) [m/s],
A 차량의 정면 투영 면적 (Frontal Area) [m²]
이라는 변수를 고려해 계산하는 것이죠 계수인 CD는 물체의 형상, 표면 상태, 유체의 흐름 특성(층류와 난류 등)에 영향을 받으며, 단순히 크기나 속도에 의존하지 않는다는 점을 주지하시면 됩니다.
조금 더 직관적으로 말하면 결국 바람의 저항을 얼마나 받느냐 정도의 지표예요
물론 세세하게 들어가면 압력구배와 점성도 베르누이 법칙을 이야기해야 하지만 우선 이런 게 있다 그리고 세세한 이론은 복잡하다 정도로 이론파트는 넘어가죠
CD의 실제측정
그럼 이론적으로 저렇게 뽑으면 끝이냐, 그건 아닙니다. CD는 실험적 방법과 시뮬레이션을 통해 산출해야 하죠
컴퓨터 유체 역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD)
CFD는 차량 설계 과정에서 공기역학적 특성을 시뮬레이션하는 디지털 방법입니다. 이 녀석은 차량 주변 공기 흐름을 정밀하게 계산하며, 난류 모델링, 경계층 해석 등을 포함하여 차량의 CD 값을 예측합니다.
CFD는 설계 초기 단계에서 시간과 비용을 절약하는 도구로 활용되며, 풍동 실험을 보완하거나 대체하기도 합니다. 문제는 이걸 어떤 방식으로 산정하고 경계를 어떤 방식으로 지정할 거냐 인데 이런 건 전문가가 알아서 하겠죠(실제로 이거 상당히 어렵습니다)
심지어 시물레이션의 결과가 반드시 일치한 다곤 할 수 없으니 실제 데이터를 뽑아봐야겠죠?
풍동 실험
풍동 실험(Wind Tunnel Testing)은 실제 차량의 축소 모델이나 실차를 사용하여 공기 흐름과 저항력을 측정하는 물리적 실험 방법입니다. 차량 주변 공기 흐름을 시각화하기 위해 연기, 염료 또는 유체 입자를 활용하며, 이를 통해 공기역학적 설계의 결함을 파악하는 거죠 실제 시뮬레이션에서 안 나타나는 단점이 발견되기도 합니다. 물론 나타나면 미쳐버리지만요
실제로 현대에서 한 실험과정을 찍어놓은 영상이 있으니 한 번쯤 참고하시죠
이런 식으로 하는데 실구조를 보면 아래와 같이 설계하여 측정을 진행한다고 하더군요
Das neue Energie- und umwelttechnische Versuchszentrum - Querschnitt Höhenprüfstand결국 자동차에 형상에 따라 가장 효율적이면서 이쁜 걸 만들어야 한다는 건데 그럼 어떤 형식으로 결정이 될까요?
최근 나온 EV9의 차량형태입니다 솔직히 SUV가 0.28대라는 건 외계인을 잡아다 고문한 수준입니다.
중요한 기술로 바닥을 평평하게 만들지 않고 오목, 볼록한 형상으로 만들어 공기 흐름에 도움을 주는 효과를 내는 언더커버 기술을 도입했다고 하는데
세부적으로 깎아놓은은 자료를 보시면 그냥 진짜 극한까지 깎아놓은은 예술의 영역에 도달했죠 BMW 0.2를 보고 XX 놈들이라고 말했는데 이걸 현대차를 보면서 외칠 줄은 몰랐습니다.
아래쪽을 최대한 개방해 에어커튼은 디자인 측면에서 공기 흐름이 최대한 차량 측면에 붙어 흐르게 함으로써 에너지 손실을 최소화하고 공력 성능에 도움을 줄 수 있도록 개발되면서 외관이 멀쩡 하다니 사실상 공기 역학의 정수에 가까운 녀석인 거죠
현대자동차 찬가가 아니냐라고 말씀하신다면 SUV를 잘 만든 건 맞으니 칭찬할 건 칭찬해야 하니 여기까지 다루도록 하겠습니다.
참고문헌
[1]The Kia EV9이 1회 충전으로 501km를 주행할 수 있는 비결은?
[2]세미나 투데이-전산유체역학(CFD)이 없는 자동차 개발은 상상하기 어렵다
