Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 소형 전기 SUV에 250마일의 주행거리 제공

주행거리에 대한 불안 만연

'주행거리 불안'은 배터리 충전이 부족하여 전기차 충전소에서 멀리 떨어진 위치에서 발이 묶이는 상황에 대한 두려움입니다. 새로운 용어이지만 새로운 개념은 아닙니다.

주행거리에 대한 불안은 1900년대 초 자동차가 등장할 때부터 존재했는데, 당시에는 주유소 네트워크가 없었고 운전자는 휘발유 통을 차에 싣고 다녔습니다. 오늘날에는 평균적으로 일간 40마일만 운전하지만 최근 Forbes 연구에 따르면 고속도로 주행으로 인해 잠재적인 전기차 소비자의 3분의 2가 한 번 충전으로 300마일 이상을 주행하기를 원합니다.

전기차가 주류로 자리잡으면서 주행거리 확대가 소비자에게 결정적인 요소가 될 것입니다. 최근 Tesla의 연구에 따르면 공기역학적 성능이 10% 향상되면 전기차의 주행거리가 5~8% 증가합니다. 고속도로 주행에서는 공기역학적 성능이 더 중요해집니다. 시속 130km(시속 78마일) 이상의 속도에서는 출력의 약 80%가 공기역학적 손실을 극복하는 데 사용됩니다. 공기역학적 성능이 강화될수록 주행거리가 길어짐이 분명합니다.

전기 파워트레인과 소수의 이동 컴포넌트로 인해 전기차는 이미 평평한 하부 구조와 그릴 없이 닫힌 전면 구조를 갖추고 있어 공기역학적 이점을 제공합니다. 대부분의 ICE(내연기관) 손실은 엔진 또는 구동계에서 발생하며 바람 저항은 전기차 성능 손실의 주요 원인입니다. 이로 인해 전기차에서 공기역학적 개선은 내연차보다 두 배 더 중요합니다.

따라서 공기역학적 성능과 효율성의 원동력인 전기차 Cd(Coefficient of drag, 공기저항계수)를 줄이려면 지속적인 공기역학적 혁신이 필요합니다. Tesla 모델 S, Mercedes CLA, BMW 5 시리즈, Audi A4 등 현재 판매 중인 가장 공기역학적인 자동차는 엔진 유형과 기능에 따라 Cd가 모두 0.22에서 0.24 사이입니다.

전기차 설계가 형태와 기능에 영향을 미치지 않고 0.2보다 낮은 Cd에 도달할 수 있을까요? 자동차 산업에 대한 설계, 테스트, 엔지니어링 및 승인 서비스 분야의 세계적인 리더인 Applus IDIADA는 Siemens의 Simcenter STAR-CCM+ ™ 소프트웨어를 사용하여 이를 실현했습니다.

Applus IDIADA의 유체 엔지니어링 제품 관리자인 Enric Aramburu는 "우리가 아는 한, 이 차량은 Cd가 0.2 미만인 시장 최초의 전기 SUV 컨셉카입니다."라고 말합니다.

Simcenter STAR-CCM+로 Cd 0.2 장벽 돌파

Applus IDIADA는 제네바국제모터쇼(GIMS) 2018에서 Cd 0.19의 소형 전기 SUV(Sport Utility Vehicle) 컨셉카인 CRONUZ 프로젝트를 공개했습니다.

이 설계는 Applus IDIADA의 설계자와 공기역학 전문가 간의 원활한 협력의 결과였습니다. 설계자들은 전기차 설계 감성에 맞춘 매력적인 초기 표면, 시각적 만족감을 주는 스타일, 미니멀한 공기역학적 설계 및 유선형 SUV 유형 차체를 제작했습니다.

그런 다음 공기역학 전문가는 Simcenter STAR-CCM+로 생성된 가상 풍동을 사용하여 수치 시뮬레이션을 통해 차량 공기역학 성능을 해석했습니다. Simcenter STAR-CCM+는 최고의 CFD(전산 유체 역학) 도구이며 Simcenter™ 포트폴리오의 일부입니다.

Applus IDIADA에서 15년 동안 근무하며 계속해서 소프트웨어를 사용해 온 Aramburu는 "Simcenter STAR-CCM+는 사용하기 쉽습니다."라고 말합니다. "강력하고 자동화에 적합합니다. 12년 전 Simcenter STAR-CCM+의 첫 번째 버전이 출시된 이후부터 지금까지 사용해 온 이유죠."

Applus IDIADA는 6개월 동안 600개 이상의 설계 제안을 시뮬레이션하여 각 설계에 항력 감소 개념을 점진적으로 통합했습니다. 이를 통해 기본 설계 개념을 유지하면서 차체 상부 설계를 간소화하고 최적화할 수 있었습니다. Simcenter STAR-CCM+ 시뮬레이션을 통해 최적화된 최종 설계는 풍동 모델링을 시도하지 않고 자유 대기에서 그리고 정상 상태 조건에서 0.17의 공기저항계수를 제공했습니다. 풍동 테스트의 최종 평가에서 Cd 0.19를 기록하여 시뮬레이션-혁신-테스트 접근 방식과 가장 공기역학적인 컨셉의 소형 전기 SUV로서의 CRONUZ의 입지를 확인했습니다.

비교를 위해 시뮬레이션을 기반으로 한 첫 번째 CONUZ 모델의 Cd는 0.27로, 개선이 필요한 영역을 파악할 수 있었습니다.

Aramburu는 "Simcenter STAR-CCM+를 통해 프로토타입을 제작하기 전에 기록적인 항력 값에 도달할 수 있음을 알고 있었습니다."라고 덧붙입니다.

시뮬레이션으로 공기역학적 혁신 주도

CRONUZ의 두 가지 혁신적인 기능은 능동 시스템과 최적화된 휠하우스 및 차체 하부 설계라는 두 가지 혁신적인 기능이 항력을 줄이는 데 핵심입니다.

자동차의 공기역학적 성능은 공기역학 전문가와 설계자가 성능과 시각적 요소를 두고 실랑이를 벌이는 전형적인 주제입니다. 능동 공기역학 시스템은 작동 중에 움직이는 차량 부품이 차량 주변의 공기 흐름에 긍정적인 영향을 미치는 것을 말합니다. Formula 1™ 레이싱에서 DRS(Rrag Reduction System, 항력 감소 시스템)로 도입되었다가 빠르게 금지되었으며 현재 재등장한 능동 공기역학은 자동차 산업에서 연료 효율성, 항력 감소 및 다운포스 증가를 달성하는 차세대 혁신 기능입니다. 이러한 시스템은 설계자의 설계 감성과 스타일 요구사항을 유지하면서 이코노미 모드에서 낮은 항력, 스포츠 모드에서 높은 다운포스 등 모든 주행 상황에 대해 최적의 공기역학을 보장합니다.

CRONUZ는 프론트 페어링을 위한 능동 시스템과 저속에서 주차하는 동안 숨겨지는 능동 로커를 갖추고 있습니다. 고속 또는 필요 시 능동 시스템이 배치되어 자동차 주변의 공기 흐름과 실제로 자동차의 모양을 바꾸어 앞에서 뒤로 부착된 상태를 유지하는 동시에 주요 항력 요인 중 하나인 휠 주위의 난류를 최소화합니다.

공기역학적 손실의 40%는 휠하우스와 차체 하부 영역에서 발생하므로 상당한 최적화 여지가 있습니다. 최적화된 림 설계, 낮은 차대(80MPH 이후 배치) 및 아래에서 거의 완전히 닫힌 휠하우스는 휠하우스 난류를 최소화하고 전방에서 후방으로 연결된 흐름을 보장하며 이는 항력 감소의 주요 요인입니다.

Simcenter STAR-CCM+의 정상 상태 시뮬레이션에서는 능동 시스템의 항력이 20카운드(1 항력 카운트는 Cd 0.001과 동일)만큼 감소한 것으로 나타났습니다. 시뮬레이션에 포함되지 않은 풍동 마운트와 불안정성을 고려하더라도 이를 통해 능동 시스템의 항력이 크게 감소했음을 알 수 있습니다. 풍동 테스트에서는 결국 항력이 14카운트 감소한 것으로 나타났습니다.

이러한 혁신은 Simcenter STAR-CCM+의 능동 시스템, 림 및 차체 하부 휠하우스 커버에 대한 다양한 설계를 반복하여 최상의 성능 조합을 찾음으로써 가능했습니다. 이러한 설계 개선으로 유일한 프로토타입을 제작하기 전에 항력을 55카운트 줄였습니다.

가장 공기역학적 컨셉의 전기차

전기 SUV는 해치백 모양과 세단 및 쿠페에 비해 높이가 더 높은 시그니처 디자인이 특징이므로 항력이 높아져 공기역학을 최적화하기가 어렵습니다. 무려 9종의 전기 SUV가 출시될 예정인 가운데 2019년은 전기 SUV의 해가 될 수도 있습니다. 이 분야의 공기역학적 혁신은 매우 중요하며 CRONUZ는 이 시장에서 항력을 줄이는 획기적인 공기역학적 솔루션에 대한 증가하는 요구를 충족하는 해답을 제시합니다.

이 차량은 중국과 스페인에 있는 회사 팀 간의 협력을 통해 백지 상태에서 개발되어 18개월 만에 동급 최고의 공기역학적 가치를 실현했습니다. 또한 이 컨셉카는 Applus IDIADA에 플랫폼을 통해 최고급 수준의 기록적인 공기역학적 설계를 제공합니다. 200리터의 배터리 팩과 1,500kg의 무게로 설계된 4인승 C클래스 SUV는 2개의 전기 모터로 작동하며 400km(250마일)의 주행거리를 제공하도록 설계되었습니다.

컨셉카의 경우 CRONUZ는 양산 차량과 매우 흡사합니다. 여기에는 이유가 있습니다. Applus IDIADA는 양산형 전기 SUV에서 실현 가능한 혁신적인 항력 감소 공기역학적 기능을 제공하기 시작했습니다. 유선형의 매력적인 설계와 차량 기능은 CRONUZ의 핵심 요구사항이었습니다.

시뮬레이션을 사용하여 설계를 최적화하는 것은 설계와 공기역학 간의 완벽한 조화를 이루는 열쇠입니다.

엔지니어들은 풍동 결과와 정확하게 일치하는 정상 상태 시뮬레이션만으로도 0.2 Cd 장벽을 허물 수 있는 설계를 신속하게 파악했습니다.

Aramburu는 "Simcenter STAR-CCM+ 없이 이와 같은 프로젝트를 수행하는 것은 상상할 수 없습니다."라고 말합니다. "디지털 트윈을 구축함으로써 프로세스 초기에 시뮬레이션을 통해 다양한 설계 가능성을 시험해 볼 수 있었습니다. 시뮬레이션은 설계 혁신의 핵심입니다."

CRONUZ의 공기역학적 혁신으로 주요 OEM(Original Equipment Manufacturer)과 전기차 스타트업 모두 항력을 줄이고 주행거리를 늘릴 수 있을 것입니다. 지난 10년 동안 두각을 나타낸 능동 시스템을 갖춘 이러한 변형 컨셉카는 자동차 공기역학의 미래가 될 것입니다.