전기 자동차 성능 최적화 및 그 특성 정의

"keep it simple" 는 것이 디자인과 제품 개발에서 좋은 조언이긴 하지만, 기술의 발전은 종종 복잡성을 증가시킵니다. 특히 에너지 효율성과 환경 친화성이 향상되는 과정에서 그렇습니다. 제품이 외부에서는 간단해 보일지라도(예: 애플 아이폰) 실제로는 복잡한 기술 뒤에서 우리에게 좋은 경험과 성능을 제공합니다.

이제 전기차 개발에 대해 이야기 해보겠습니다. 시장 기대치를 충족시키고 환경 친화적이며 생산 및 유지보수 비용이 저렴한 전기 자동차를 개발하기 위해서는 복잡한 기술뿐만 아니라 상충되는 목표도 균형을 이루고 이해해야 합니다. 수십 년 동안 많은 방법과 도구가 소개되고 개선되어 차량을 산업 규모로 생산하고 개발하는 데 사용되어 왔습니다. 그러나 제품 기술과 복잡성의 변화, 엄격하고 지속적으로 발전하는 환경 및 안전 기준에 빠르게 적응해야 하는 필요성은 새로운 방법과 도구의 필요성을 제기했습니다. 동시에 컴퓨터 기술의 발전은 새로운 가능성을 열어주고 있습니다.

1. 주행 성능: 주행 성능은 차가 움직이는 데 직접적으로 관련된 특성들을 포함합니다. 예를 들어, 가속, 최고 속도, 주행 거리 등이 이에 해당합니다. 그러나 높은 가속과 최고 속도를 원하는 경우, 주행 거리가 줄어드는 등의 상충되는 목표가 발생할 수 있습니다.

2. 승객 편의성: 차량 내부의 온도 조절(난방 및 냉방)은 많은 에너지를 소비합니다. 이로 인해 주행 거리가 줄어들 수 있습니다. 또한, 프리미엄 세그먼트의 경우 조용한 주행 경험을 원하는데, 이는 소음을 줄이기 위해 차량에 무게를 추가하고 비용을 증가시킬 수 있습니다.

3. 비용: 고성능 재료를 사용하면 차량의 무게를 줄일 수 있지만, 이는 추가 비용이 발생합니다. 또한, 고용량 및 고밀도 배터리는 일반적으로 더 비싸기 때문에, 이를 사용하면 차량 비용이 증가할 수 있습니다.

이렇게 보면, 주행 성능과 승객 편의성을 향상시키면서 비용을 줄이는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 하지만 이 삼각형을 최적화하는 것은 가능합니다.

차량 특성을 최적화하는 다양한 방법을 더 잘 이해하기 위해, 우리의 세 가지 그룹인 주행 성능, 승객 편의성, 그리고 비용에 대한 '지역' 및 '전역' 최적화 가능성을 자세히 살펴보겠습니다. 이를 통해 각 그룹에서 어떤 지역적 최적화와 전역적 최적화가 가능한지 이해할 수 있습니다.

전형적으로, 가속도와 속도를 높이면 주행 거리가 줄어드는 경향이 있습니다. 그러나 전동 파워트레인의 효율성을 높이면 과거 세대의 차량보다 높은 가속도, 최고 속도 및 더 긴 주행 거리를 동시에 달성할 수 있습니다. 현대의 시뮬레이션 기술과 컴퓨팅 파워는 이러한 목표를 달성하는 데 큰 역할을 합니다.

주행 성능에 중점을 둔 전동 파워트레인 | 고정밀 유한 요소 분석은 파워트레인 부품의 기하학을 개선하는 데 크게 기여합니다. 이로써 이동 질량의 무게와 마찰 손실을 줄일 수 있습니다. 또한 새로운 생산 방법과 재료를 가상으로 효율적으로 테스트할 수 있습니다. 시스템 시뮬레이션​​​​​​ (System simulation)은 모든 부품과 구성 요소가 어떻게 상호 작용하는지 조사하는 데 사용됩니다. 이를 통해 의존성을 이해하고 최적화할 수 있습니다. 이러한 방법들은 파워트레인의 효율성을 크게 향상시킵니다..

승객 편의성 | 내연기관 차량에서는 엔진의 열이 낭비됩니다. 전기 자동차에서는 난방 시스템이 배터리에 저장된 에너지를 사용합니다. 전기 자동차의 최대 주행 거리를 얻는 가장 좋은 방법은 HVAC 시스템을 사용하지 않는 것입니다. 그러나 열적 편안함과 주행 거리를 동시에 원하기 때문에 이를 극복해야 합니다. 이를 위해 차가운 공기와 뜨거운 공기를 생성하고 이동시킬 때 발생하는 에너지 손실을 줄이는 방법이 있습니다. 또 다른 방법은 캐빈 내부의 온도 분포를 최적화하는 것입니다. 이렇게 하면 열적 편안 영역이 승객에게 집중되어 냉각 또는 난방을 최소화할 수 있습니다.

음향적 편안함의 경우, 소음 전달 경로를 이해하고 소음 원인을 최소화하면 디자인 개선이 가능합니다. 전용 음향 시뮬레이션

(vibration simulations)은 이러한 평가에 매우 효율적이며 진동 시뮬레이션과 결합할 수 있습니다.

비용 | 고성능 재료를 사용한 경량 제품은 비용이 비싸는 경향이 있습니다. 그러나 똑똑한 디자인과 최적화된 기하학은 경량 솔루션을 합리적인 비용으로 실현시킵니다. 재료 혼합 사용​​​​​​ (mix of materials) 은 경량 디자인을 통해 고성능을 달성하는 효과적인 방법입니다. 유한 요소 분석은 고성능 재료가 경량화 목표에 기여하는 위치를 신뢰할 수 있게 제공합니다.

모든 요소를 고려하여 전반적인 성능과 차량의 특성을 균형 있게 유지하는 것이 중요합니다. 특히 전기차의 경우 경쟁력 있는 제품을 개발하기 위해 다양한 목표 간의 최적 균형을 찾아야 합니다. 이를 위해 개념 및 명세 단계에서는 차량의 구조와 각 구성 요소의 크기를 정의해야 합니다. 이후에는 각 부품과 하위 시스템을 개발한 후, 전체 차량에서 이들의 기능을 테스트합니다. 전체 차량을 고려할 때, 운영 전략과 제어 시스템은 모든 부품과 하위 시스템 간의 상호 작용 및 따라서 차량의 성능과 특성에 큰 영향을 미치는데, 이러한 요소는 운영 중에도 변경될 수 있습니다. 이 복잡한 상호 작용을 최적화하기 위해 시스템 시뮬레이션이 사용됩니다.

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Last update: September 21, 2023