'태풍·혹서·혹한' 주행 기술 산실…현대차그룹 남양연구소 가보니

“몸에 걸친 물건들은 날아갈 수 있습니다. 조심하세요.”

안내를 받고 시험 차량 뒤편에 선 뒤 수 초가 지나자 살짝 휘청일 만큼의 거센 바람이 정면에서 들이닥쳤다. 안내처럼 안경 같은 작은 물건들은 충분히 날아갈 정도의 풍속으로 정면을 가만히 쳐다보기도 어려울 정도였다. 비바람 속 길을 헤쳐 걸어가는 상황이 겹쳐보였다.

순환 구조로 설치된 공시험동 내부엔 건물 3층 높이 직경의 거대한 송풍기가 바람을 만들어내고, 이 바람은 통로를 지나 시험 차량과 서 있는 사람들을 거쳐 뒤쪽 통로로 흘러들어가 송풍기에 다시 전달된다.

주행 중 자동차의 공기저항을 측정하는 것이 이 시설의 목적이다. 안전 상 이유로 체험한 풍속은 60kph에 그쳤지만, 태풍 등 조건을 고려해 최대 140kph의 속력까지 시험할 수 있도록 시설이 구현됐다.

지난 23일 방문한 현대차그룹의 국내 최대 연구개발 거점 남양기술연구소에선 각종 극한 조건에서 자동차 주행 시 성능을 살펴보는 시설들을 둘러볼 수 있었다.

▲자동차 풍동 시험을 진행하는 공력시험동 ▲다양한 기후 조건으로 차량의 열관리 성능을 연구하는 환경시험동 ▲차량의 핸들링 및 승차감 성능을 개발하는 R&H성능개발동 ▲소음과 진동을 해석하고 차량의 감성 품질을 구현하는 NVH동이다.

공력시험동 “공기 저항, 주행거리 직결"…설계만 바꿔도 배터리 200만원 절약

공력시험동은 내연기관 차량과 전기차 및 수소차 등 친환경 차량의 공력 성능을 정밀하게 평가하고 개발하기 위해 특수 설계된 연구 시설이다. 총 면적 약 6천㎡ 규모로 축구장 크기와 맞먹는다. 대형 송풍기, 지면 재현 장치 등 실제 주행 환경을 정교하게 구현할 수 있는 다양한 설비들이 집약돼 있다.

공력 성능 평가에서는 차량 주행 방향과 반대로 미는 ‘항력’과 차체를 위로 띄우는 ‘양력’, 바람 등 요인에 따라 옆으로 차량이 흔들리는 ‘횡력’을 측정한다. 바닥에 설치된 저울은 동전 하나의 차이도 감지할 정도로 정교한 측정이 가능하다.

이 중 항력은 전비와 가속 성능, 양력은 주행 안정성과 밀접하게 연관돼 전기차 공력 성능의 핵심 요인이다. 공기저항계수를 최대한 줄여 이 성능을 개선하기 위한 다양한 아이디어들이 이 시설에서 테스트된다.

남양연구소 공력시험동에서 아이오닉 6 차량으로 유동 가시화 시험을 하는 모습

자동차 앞유리와 보닛이 만나는 ‘카울’에 있는 약간의 단차를 해소해주는 ‘액티브카울커버’, 차량 후면 상단에 날개 형상 구조물을 붙이는 ‘액티브리어스포일러’, 차량 후면에 내장된 40cm 가량의 블레이드 패널을 꺼내는 ‘액티브사이드블레이드’, 차량 후면에 공기 흐름을 제어하는 부채꼴 형상 부품 ‘액티브리어디퓨저’ 등이 고안됐다.

이 기술들은 당장 양산에 적용되지 않지만, 향후 고도화 및 검증 과정을 거쳐 요소 기술로 활용될 전망이다.

박상현 현대차그룹 남양연구소 공력개발팀 팀장은 “공기저항을 0.01Cd 낮추면 전기차 1회 충전 주행거리가 평균 6.4km 정도 늘어나는데 배터리를 더 실어 주행거리를 이 만큼 늘리려면 비용 25만원이 더 든다”며 “시뮬레이션 소프트웨어로 자동차의 공기저항계수를 예측한 뒤 모델 수정을 거쳐 실제 생산까지 하게 되는데 이 과정에서 0.25~0.27Cd였던 공기저항을 0.19Cd까지 낮춘 사례가 있다”고 설명했다.

보안 상 이유로 사진 촬영은 제한됐지만, 공기저항계수 0.144Cd를 달성한 ‘에어로 챌린지 카’도 볼 수 있었다. 글로벌 완성차 업체들이 내놓은 초저항력 콘셉트카의 Cd값은 0.19에서 0.17 수준임을 고려해 세계 최저 수준 달성을 목표로 하고 있다.

0.2Cd 수준인 아이오닉6 기준 공기저항계수를 이 수준으로 낮춘다면 주행거리 64km를 더 확보할 수 있다. 배터리 200만원 어치가 추가 투입돼야 가능한 성능 개선이라는 설명이다.

영하 30도 폭설·50도 고온서 전기차 담금질 ‘환경시험동’

환경시험동은 50℃에 달하는 사막 기후, 영하 30도 기온의 설원 같은 극단적인 기후 조건에서 차량 성능을 검증한다. 온도뿐 아니라 습도, 풍속, 밝기 등 조건도 조정할 수 있다. 이날 시험동에서 각각의 조건을 테스트하기 위한 고온 풍동, 강설 풍동 내부 환경을 체험해볼 수 있었다.

고온 환경 풍동 챔버에서는 고정된 현대차 아이오닉 6 N가 시속 50km로 설정된 속도에 따라 바퀴를 굴리고 있었다. 인공 태양광 제어 램프가 최대 1천200W/㎡의 일사량으로 태양광 노출 환경을 모사한다. 미국 데스밸리나 중동 고온 지역을 고려한 설정이다.

주행 중인 차량 안에는 인체 모형에 다수의 온도 센서를 부착한 마네킹이 탑승하고 있었다. 송대현 현대차그룹 남양연구소 열에너지차량시험1팀 책임연구원은 “서멀 마네킹은 실제 사람을 대신해 차량 내부의 열적 쾌적성을 측정하는 장비”라며 “에어컨 송풍구 위치나 공조 시스템 작동 방식에 따라 체감 온도가 어떻게 달라지는지 확인할 수 있다”고 설명했다.

강설 강우 환경 풍동 챔버에서는 인공적으로 조성된 눈보라 속에서 기아 PV5 성능이 시험되고 있었다. 내부 온도는 영하 30℃로 설정돼 있었고, 차량 표면에는 성에가 내려앉아 있었다.

연구원들은 이런 극한의 기후 조건 속에서 차량의 열에너지 관리 시스템 성능을 살피게 된다. 엔진과 변속기의 냉각 성능, 냉난방 공조 성능, 실내 쾌적성 등이 해당된다. 특히 전동화 차량 비중이 확대되면서 배터리, 수소전기차의 스택, 전장 부품, 자율주행제어기 등 열에 민감한 전기·전자 부품의 회로 설계와 성능 검증, 공조 전비 개선까지 담당 범위가 넓어졌다.

정호영 현대차그룹 남양연구소 열에너지시스템리서치랩 연구원은 “세계 최초로 영하 30도에서도 작동할 수 있는 히트펌프를 개발하고 있다”며 “경쟁사 대비 난방 소비 에너지를 40% 저감하는 시스템을 구축하려 한다”고 설명했다.

"전기차 주행 안정성, 세밀한 시험 데이터 연구로 확보"

자동차 승차감 및 핸들링(R&H) 연구개발을 위한 R&H성능개발동에선 지면에 닿는 타이어부터 서스펜션 모듈과 실차에 대한 평가가 이뤄진다.

R&H 성능은 전기차에서 더욱 중요하게 평가받는다. 전기차의 강점이 급가속인데다 차량 하중이 커 서스펜션과 타이어에 가해지는 부담도 크기 때문에 주행 안정성이 핵심 기술력으로 자리잡았다.

R&H 개발은 타이어 개발로부터 시작한다. 시험실 내 고속 타이어 유니포미티 시험기에선 커다란 드럼 위에 고정된 타이어가 최대 시속 320km까지 회전한다. 타이어 진동 유발 정도를 정확히 측정하는 게 주 목적이다. 드럼 위에 부착된 작은 클릿으로 타이어가 요철을 통과할 때의 움직임과 승차감 특성도 파악한다.

타이어 특성 시험기는 타이어의 강성과 접지 특성을 분석하는 데 초점이 맞춰져 있다. 실제 도로와 유사한 평평한 벨트 위에서 타이어를 굴린다는 게 특징이다. 회전하는 타이어의 조향각이나 캠버각을 변화시켜 타이어가 만들어내는 힘과 반응 속도를 정밀하게 측정한다. 시험 과정에서 얻은 데이터는 차량 시뮬레이션용 가상 모델을 만드는 데 활용된다.

차량의 핸들링 특성을 연구개발하는 핸들링 주행시험기에는 현대차 코나 일렉트릭이 단단히 고정돼 있고, 차량 앞 120인치 디스플레이에서 가상의 주행 환경이 나타났다. 차량 내 주행 로봇이 스티어링 휠이나 페달, 수동 변속기 등을 정밀하게 조작한다.

R&H성능개발동 핸들링주행시험기에서 코나 일렉트릭의 핸들링 특성을 시험하는 모습

승차감 주행시험기는 다양한 노면 조건에서 차량 반응을 정밀하게 평가하기 위해 개발된 장비다. 시험기에는 차량이 아닌, 아이오닉5의 후륜 차축 모듈만 올라가 있었다. 부드러운 아스팔트부터 요철이 많은 도로까지 여러 주행 환경 시험이 가능했다. 모듈 단위로 시험이 가능하기 때문에 정밀하게 목표한 승차감을 구현할 수 있다고 밝혔다.

정종민 현대차그룹 남양연구소 주행성능기술팀 책임연구원은 “실제 도로에서 테스트하면 날씨나 운전자 성향에 따라 결과가 달라질 수 있지만, 이 시설은 그런 변수를 통제한 상태에서 정확하게 평가할 수 있다”고 설명했다.

소음·음향에 민감한 전기차 운전자 눈높이 충족 시험 한창

전기차 주행 중 정숙성과 편안함(NVH) 성능도 만족도를 가르는 핵심 요소로 꼽힌다. 특히 전기차는 엔진 소음이 없기 때문에 작은 풍절음이나 노면 소음, 미세한 진동 등에 탑승자가 더 민감하게 반응한다.

남양기술연구소 로드노이즈 시험실은 차량이 주행 중 노면 소음을 정밀하게 분석하는 곳이다. 이곳에서는 타이어와 노면 사이에서 발생하는 불규칙적 진동을 구현해 차량 실내에서 들리는 소음을 평가한다. 로드노이즈 시험실 내부는 벽면은 두꺼운 흡음재로 빈틈없이 둘러싸여 소리의 반사가 없도록 설계됐다.

서재준 현대차그룹 남양연구소소음진동기술팀 팀장은 “실제 도로와 최대한 동일한 조건을 만들기 위해 3D 스캔과 재료 반발계수까지 반영해 패치를 제작한다”고 설명했다.

이날은 일반 국도의 거친 노면을 모사한 패치로 시험이 진행됐다. 테스트가 시작되자, 패치 위를 굴러가는 타이어에서 소음이 발생했고, 주행 속도에 따라 톤과 음량이 달라졌다. 운전석과 뒷좌석에 설치된 마이크가 주파수별 소음을 계측한다.

시험실은 타이어와 노면의 마찰로 발생한 작은 진동이 어떻게 증폭되는지 파악하고, 이를 줄이기 위해 부품의 소재와 설계를 조정한다.

몰입음향 스튜디오에선 실제 도로와 유사한 시각·청각 환경에서 연구원들이 VR 헤드셋을 착용한 채 시뮬레이션으로 사운드를 평가했다. ‘언리얼 엔진’으로 구현된 VR은 글로벌 연구소와도 실시간으로 합동평가가 가능하도록 설계됐다. 보다 정확한 평가에 도움이 된다는 설명이다.