최근 현대차 전기차 아이오닉 6의 항력 계수 Cd값이 0.21을 기록했다고 합니다. 이는 역대 현대차 출시 모델 중 최저치이고 전 세계적으로도 출시된 전기차 중에서도 최상위권에 해당한다고 할 수 있습니다. 그렇다면 이 항력계수가 공기 역학적으로 의미하는 것이 무엇이고 왜 중요한지 알아보겠습니다.
1. 공기역학
움직이는 물체와 공기가 상호 작용할 때 발생하는 흐름에 의한 역학 관계를 다루는 학문입니다. 자동차는 운전 중에 공기와 항상 상호 작용하고 있고 그것에 따르는 힘의 영향을 받기 마련입니다. 이때 자동차 주위의 공기 유동으로부터 속도, 압력을 측정 또는 계산을 통하여 알 수 있습니다. 이렇게 구한 속도, 압력 값을 이용하면 자동차에 공기가 미치는 힘, 모멘트를 계산할 수 있습니다. 공기의 속도 및 압력은 풍동실험을 통해 측정할 수도 있고 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics)을 활용하여 수치해석으로도 구할 수 있습니다. 최근에는 컴퓨터 계산 속도 및 메모리 용량이 크게 증가하면서 점점 전산 유체 역학(CFD)을 이용한 수치 해석적 접근이 많아지는 추세입니다.
공기역학을 몇 가지 기준으로 분류하면 다음과 같이 나눌 수 있습니다.
유체가 흐르는 환경을 기준으로 한 분류
외부유동(External Flow)
주로 고체(Rigid Body)의 외부를 흐르는 공기의 흐름에 대해 관찰하고 영향을 연구합니다. 예를 들면 비행기나 로켓, 미사일 등의 양력(Lift force), 항력(Drag force)을 계산하여 형상을 최적화하는 연구를 한다든지 로켓의 노즈(nose)에 의해 형성되는 충격파(shock wave)의 특성을 연구하는 일에 해당하는 분야입니다.
내부유동(Intenal Flow)
주로 고체(Rigid Body)의 내부에 형성된 유로에 흐르는 유체, 공기의 흐름을 연구합니다. 예를 들면 비행기 제트엔진의 내부 공기 유동, 건물이나 자동차 환기용 덕트 내의 유동에 대한 공기 흐름에 대한 연구 분야입니다.
유체의 속도를 기준으로 한 분류
보통 유동의 속도와 음속(sound speed)의 비(ratio)로 정의하는 마하수(Mach No.)를 이용하여 분류할 수 있습니다.
마하수가 1보다 작은 경우에는 아음속(subsonic), 마하수가 1보다 큰 경우 초음속(supersonic), 마하수가 1을 기준으로 걸쳐있는 경우 천음속(transonic), 마하수가 1보다 아주 큰 경우 극초음속(hypersonic) 유동으로 분류할 수 있습니다.
유동의 점성(Viscosity) 유무에 따른 분류
유체의 흐름에는 유체의 물성 및 유동의 특성에 따라 점성(Viscosity) 효과가 영향을 미치는 경우가 있는 경우도 있고 없는 경우도 있습니다. 이러한 경우 점성의 영향을 받지 않는 경우 비점성 유동(Invisid flow)이라고 합니다. 그리고 반대로 점성의 영향을 많이 받는 경우 점성 유동이라고 합니다.
이렇게 유동의 종류를 분류하는 이유는 유동의 특성을 연구하고 계산할 때 접근 방법을 서로 다르게 하기 때문입니다.
2. 항력계수 (Drag Coefficient) 정의 및 의미
비행기 날개를 설계할 때 가장 중요하게 생각하는 힘이 공기가 날개 주위를 흐르면서 발생하는 양력(Lift Force)과 항력(Drag Force)입니다. 양력은 비행기를 뜨게 만드는 힘이고 항력은 비행기가 공기로부터 받는 저항의 힘입니다. 따라서 공기의 저항은 최소화하고 비행기를 위로 뜨게 하는 힘은 최대로 하는 것이 가장 설계 포인트라고 할 수 있습니다. 이렇게 중요한 공기에 의해 발생하는 힘인 양력과 항력을 대표하는 계수값을 양력계수, 항력계수라고 합니다.
자동차도 또한 공기 중을 움직이는 물체이므로 형상에 따라 양력과 항력이 각각 발생합니다. 다만 비행기와 다른 것은 자동차는 주행 중에 위로 뜨게 되면 주행 성능이 떨어지게 되고 항력이 증가하게 되면 공기 저항을 많이 받게 되어 이 또한 주행성능과 연비에 좋지 않은 영향을 끼치게 되기 때문에 양력도 줄이고 항력도 줄이는 방향으로 설계하는 것이 중요 목표가 됩니다.
양력계수(Lift Coefficient)는 Cl로 정의합니다. 양력은 비행기 날개나 자동차 형상에 의해 압력 차이가 발생하고 이것에 의해 공기 흐름에 수직 방향으로 발생하는 힘을 말한다. 따라서 풍동 실험이나 CFD 해석을 통하여 압력을 측정 또는 계산하고 그 값을 이용하여 힘을 구한다. 양력계수는 양력을 유체(공기)의 밀도 X 속도제곱 X 물체의면적 항으로 나눈 것이라고 풀어서 정의할 수 있습니다. 복잡한 수식을 굳이 알 필요는 없을 것 같고 양력계수 값이 높을수록 공기 흐름의 수직 방향으로 작용하는 힘이 큼을 의미한다는 물리적인 의미를 이해하면 충분할 것입니다.
항력계수(Drag Coefficient)는 Cd로 정의합니다. 항력은 양력과 마찬가지로 비행기나 자동차 형상에 의해 압력 차이가 발생하고 이것에 의해 공기 흐름 방향의 반대 방향으로 발생하는 힘, 즉 저항력입니다. 항력계수는 항력을 유체의 밀도 X 속도제곱 X 물체의면적 항으로 나눈 것으로 정의할 수 있습니다.
자동차의 항력계수, Cd값이 낮다는 것은 자동차가 주행 중일 때 공기로부터 받는 저항이 작다는 것을 의미합니다. 공기 저항이 작을수록 엔진이나 모터가 주행을 위해 만들어야 하는 에너지가 작기 때문에 훨씬 적은 연료나 전기를 사용하여 주행할 수 있다는 뜻이기 때문에 전기차의 경우 낮은 Cd값을 가진다는 것은 같은 배터리 용량으로 더 많은 주행거리를 운행할 수 있다는 것입니다.
따라서 아이오닉 6가 Cd 값 0.21을 가진다는 것은 아주 낮은 공기 저항을 받는 형상을 설계했고 동일한 배터리 용량으로 더 많은 주행거리를 운행할 수 있다는 기술적 우위를 설명할 수 있는 공기 역학적 특성을 내세우는 것이라 할 수 있습니다.
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