자동차 공기 저항, 전기차에서 더 중요하다!

저번 포스트에서 공기 저항의 중요성에 대해 살펴보았습니다.

전기차에서는 공기 저항이 더욱 중요하다고 했는데요, 왜 그런지에 대해서 알아보겠습니다.

 

이전 포스트를 먼저 읽고 오시면 좋습니다.

자동차 공기 저항이 얼마나 중요할까?

 

 

전기차의 공기 저항

우리는 자동차를 주행할 때 고속도로만 주행하지 않습니다. 시내주행을 하며 신호에 걸리며 정차 출발을 하기도 합니다.

정차, 출발을 반복할 때 관성을 이기기 위한 저항이 있는데요, 이게 또 만만치가 않습니다.

 

무거운 차를 움직이기 위해 엔진이 열심히 일해 겨우 속도를 높여 놨는데, 정차를 위해 브레이크를 밟아 에너지를 날려버립니다. 시내 주행에서는 이런 일이 반복됩니다. 고속도로가 시내주행보다 연비가 잘 나오는 게 이 이유입니다.

그러나 최근의 전기차는 회생제동을 통하여 에너지를 다시 회수합니다. 이를 통해 관성에 의한 에너지 소모를 줄일 수 있게 되었고, 주행 성능에는 공기 저항의 비중이 커지게 됩니다.

내연기관 효율

 

NEDC에서 SLK 350의 에너지 흐름[1]

 

위 그림은 내연기관 자동차의 에너지 흐름을 보여줍니다.

예시로 가져온 이 그림은 6기통 가솔린 엔진을 가진 SLK 350의 에너지 흐름(NEDC)입니다.

 

총에너지에서 73%는 열로 낭비되고, 미션과 같은 여러 장치를 거치며 21.8%만이 바퀴에 전달됩니다.

생각보다 자동차 효율이 좋지가 않습니다.

 

그러나 전기차에서는 얘기가 달라집니다.

전기차 효율

 

 

NEDC에서의 전기차 에너지 흐름[2]

 

엔진에서 73%를 까먹고 27%로 시작하는 내연기관차와 달리, 모터의 효율은 굉장히 높아서 바퀴까지 도달하는 에너지는 무려 75.5%가량 됩니다.

 

내연기관차 21.8% vs 전기차 75.5%

 

그런데 여기서 끝이 아닙니다. 전기차는 감속할 때 회생제동을 통해 에너지를 회수합니다.

내연기관차랑은 에너지 효율 측면에서 비교가 안됩니다.

(물론 전기차를 위한 전기 생산 효율도 따져봐야겠지만, 우리는 자동차의 효율 관점에서만 바라봅시다.)

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자동차를 만드는 입장에서는?

여기서 우리가 자동차를 만든다고 생각해 봅시다.

 

1. 내연기관차 만들기

내연기관차를 만든다면, 효율을 가장 까먹는 요소가 뭘까요?

바로 73%를 까먹는 엔진입니다. 따라서 엔진 효율을 높이는 게 연비 향상에 가장 효과가 좋겠습니다.

공기 저항이요? 공기 저항은 7% 밖에 안까먹습니다.

(물론 이 7%도 크기 때문에 최근의 내연기관차들은 공력 설계를 필수적으로 수행합니다.)

 

2. 전기 자동차 만들기

전기자동차에서 효율을 가장 까먹는 요소는 뭘까요?

정확하게 비교를 해봐야 알겠지만, 공기 저항이 20%를 넘게 까먹습니다.

모터를 포함한 파워트레인에서는 에너지 소모가 16.3%밖에 발생되지 않습니다.

 

물론 전기차가 공기저항을 더 많이 받는 것은 아닙니다. 오히려 공기 저항 계수는 내연기관차보다 작지요.

내연기관차와 전기차의 공기 저항은 크게 차이 나진 않을 것입니다. 그러나 공기 저항을 제외한 다른 부분에서 에너지 효율이 굉장히 개선되었기 때문에, 상대적으로 공기 저항의 에너지 손실이 크게 느껴지는 것입니다.

 

즉, 나머지 효율이 좋아졌으니 가만히 있던 공기저항의 에너지 손실 비중이 커집니다.

 

그러니 우리가 전기 자동차를 만든다면, 공기 저항 개선이 중요하겠습니다. 전체 효율이 눈에 띄게 상승하면 전비, 주행 거리가 증가하겠죠?

 

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연비 인증에서의 공기 저항

 

Aerodynamic proportion of total road load using NEDC (left), WLTC (middle) and WLTC and 50 % recuperation (right) for three vehicle types[3]

앞서 계속 등장한 NEDC(New European Driving Cycle)는 유럽의 연비, 배출가스 측정 방식입니다. 최근에 이것이 WLTP(Worldwide Harmonized Light Vehile Test Procedure)로 바뀌면서 공기 저항을 최소화시키게 더 중요해졌습니다.

 

BMW에서 발표한 위의 그림을 보면 NEDC에서 WLTP로 바뀌며 구동 에너지 중 공기 저항이 차지하는 비중이 커졌고, 50%의 에너지 회복(회생 제동)을 할 경우 공기 저항의 비중이 더 커진 것을 볼 수 있습니다.

 

이렇듯 전기차에서는 공기 저항이 차지하는 에너지 소모 비율이 상당히 커졌고, 많은 소비자들이 전비와 주행 거리에 신경 쓰는 만큼 자동차 회사들도 공기 저항을 낮추기 위한 공력 설계에 힘을 쓰고 있습니다.

 

 

출처:

[1] Schommers, J., Scheib, H., Hartweg, M., & Bosler, A. (2013). Minimising Friction in Combustion Engines. MTZ Worldwide, 74(7-8), 28–35. doi:10.1007/s38313-013-0072-x 

[2] https://www.sankey-diagrams.com/electric-vehicle-with-energy-recuperation/

[3] Schütz, T. (2016). WLTP – On the increased importance of aerodynamics and impact on development procedures. 16. Internationales Stuttgarter Symposium, 1–17. doi:10.1007/978-3-658-13255-2_1