By ALISTAIR CHARLTON, WIRED UK

와이퍼가 반복하여 작동하면서 급속도로 빗방울이 떨어진 화면을 닦고, 헤드라이트가 조명을 최대한 밝혀 조명이 없는 국도를 주행할 때 코너를 발견하도록 돕는다. 반면, 기후 시스템과 난방이 가동된 좌석 4곳은 운전자와 동승자가 극도로 추운 겨울밤 따뜻함을 느끼도록 한다. 더 심각한 부분은 내비게이션 시스템이 목적지에 도달하기에 부족한 배터리 잔량에 맞추어 경로를 변경한다. 모든 전기차 소유주가 겪는 위험 계산 문제를 강조할 수 있는 요소이다. 이제 운전자가 계산할 방법은 없다.

그런데, 여기서 모든 좌석의 난방 실행을 중단하면 어떨까? 그리고 스테레오도 종료하면 어떨까? 피부로 느끼기에는 좌석 온도가 너무 낮을 수 있다. 빗방울을 닦으면서 몇 마일 부족한 경로를 보완하는 데 도움이 될 것이다. 뒷좌석에 탑승한 자녀는 인포테인먼트 시스템을 즐길 수 없으며, 아이패드를 충전할 필요도 없다. 혹은 아폴로 13호처럼 차량에 변화를 주면서 난방 시스템 가동을 중단하면서 모든 시스템의 전력 공급을 종료하면서 서행하고, 전기차 배터리 잔량이 충분하지 않은 상황에서 최선의 결과를 얻도록 할 수 있다.

그러나 실질적으로 제기할 수 있는 의문사항은 대다수 전기차 소유주가 배터리 잔량이 한 자릿수일 때의 상황이다. 실제로 차량의 전력을 모두 차단한다면 달라질까? 그렇다면, 전력 차단 전과 후의 차이는 어느 정도인가? 실제로 난방 가동을 중단하거나 라디오를 종료하면, 몇 마일 더 이동할 수 있을까? 이 모든 질문의 대답은 복잡하며, 답을 찾는 과정에서 몇 가지 놀라운 사실을 추가로 발견하게 될 것이다.

항목
•    배터리 발열과 냉각
•    보조 차량 시스템 등급
•    좌석 냉난방
•    조명
•    오디오와 인포테인먼트
•    USB 충전기(와이퍼 포함)
•    브레이크와 서스펜션
•    공기 저항과 속도
•    무게
•    타이어
•    전기차 예열

배터리 발열과 냉각
영국 러프버러대학교 차량 전기화 강사 애슐리 플라이(Ashley Fly)는 구동렬의 모터와 배터리 팩과 전기차(모든 좌석 포함)의 냉난방 시스템이 배터리 소모의 가장 큰 주범이라고 말한다. 플라이는 “필요한 에너지양은 온도와 햇빛 등 여러 가지 외적인 요인에 달려있다. 주위 온도가 가장 적합한 온도에 가까울 때, 냉난방 시스템의 전력 소모 범위는 수백 와트이다. 실내 온도가 지나치게 덥거나 추울 때는 에너지 소모량이 1~2kW 수준으로 증가한다. 혹은 극심한 추위 속에서 차량 시동을 걸고, 저항 히터로 배터리를 예열해야 할 때는 에너지 소모량이 5kW 이상으로 증가할 수도 있다”라고 말했다.

배터리 온도가 중요한 이유는 무엇일까? 배터리 온도가 낮을 때는 특정 화학 반응이 성능을 제한한다. 현재 자동차 제조 업계가 사용하는 배터리 셀  화학은 높은 전류나 충전, 방전을 다루지 않으며, 저온일 때 배터리 성능이 그리 좋은 편은 아니다. 만약, 극도로 낮은 온도에 노출된다면, 리튬 플레이팅(lithium plating) 현상이 발생한다. 충돌과 비슷한 현상이며, 배터리 노후화와 성능 저하 원인이 된다.

플라이는 전기차를 충전기에 연결할 때 예열하는 것이 가장 좋다고 강조한다. 전기차를 예열하면서 차량 자체의 에너지를 서서히 빼앗지 않고 그리드 전기를 배터리와 좌석 난방에 활용할 수 있다.

온도를 어느 정도 높인 뒤 전기차는 추울 때 시동을 걸었을 때보다 훨씬 더 적은 에너지를 소모하면서 따뜻한 온도를 유지할 수 있다. 플라이는 “열펌프 없이 테슬라 모델3 롱 레인지(Tesla Model 3 Long Range) 배터리 팩을 0~20℃ 온도에서 예열할 때의 에너지 소모량은 전기차가 사용할 수 있는 전체 에너지의 3.4% 수준인 약 2.4kWh이다”라고 설명했다.
 
보조 차량 시스템 등급
좌석 난방과 조명, 운전자 보조, 오디오 등 전기차의 다양한 보조 시스템이 충전 수준의 핵심 역할을 한다. 배터리 냉난방에 사용하는 확실한 에너지양 이외에도 보조 차량 시스템이 에너지 소모량에 미치는 영향의 범위를 더 깊이 확인하려면, 전기차 데이터베이스(Electric Vehicle Database)를 준수한 여러 전기차 모델의 Wh/km 에너지 소비 등급 정보를 확인해야 한다.

전기차 배터리 분석 전문 전기 시스템 설계 기업 실버 파워 시스템즈(Silver Power Systems) 최고 기술 관리자인 피트 비숍(Pete Bishop)은 보조 시스템의 에너지 소비량과 같은 에너지 소비 정보 계산기를 사용해야 한다고 말한다. 비숍은 와이어드 팀에 전기차 부품 50여 가지와 시스템의 전력 사용량 상세 정보를 담은 스프레드시트를 제작하고 이를 공유했다. 비숍이 건넨 스프레드시트는 시간당 주행 거리 1km를 기준으로 각각의 시스템이 사용하는 에너지양을 어느 정도 줄이기 위해 계산하는 데 활용할 수 있다.

좌석 난방 시스템 가동은 차량 실내 온도를 높일 매우 효율적인 방법이다. 좌석 난방시스템은 1시간당 단 560m를 이동한 것과 같은 수준의 에너지를 소비한다.

데이터는 자동차 제조사와 공급사의 기술 작업 매뉴얼을 기준으로 생성되었다. 또한, 전기차 소유주 포럼 정보와 실버 파워 시스템즈 내부 수집 데이터도 함께 활용했다.

이 기사에서는 모든 전기차의 복잡한 통계 정보를 제공하는 대신 평균 차량의 에너지 소비량을 180Wh/km로 설정하고, 각각의 조건마다 소모하는 에너지양 계산 값을 제공한다. 이는 에너지 소비량 176Wh/km를 기록한 폴스타 2 롱 레인지 싱글 모터(Polestar 2 Long Range Single Motor)와 마즈다 MX-30(Mazda MX-30), 177Wh/km을 기록한 기아 EV6 스탠다드 레인지 2WD(Kia EV6 Standard Range 2WD), 179Wh/km인 BMW i4 M50(BMW i4 M50)과 비슷한 수준이다. 또한, 180Wh/km인 포르쉐 타이칸 4S(Porsche Taycan 4S), 181Wh/km인 테슬라 모델 Y 퍼포먼스(Tesla Model Y Performance)와도 에너지 소비량이 비슷하다.

이를 기준으로 보았을 때, 에너지 소모량 104Wh/km를 기록한 태양광 전기차인 라이트이어 원(Lightyear One)과 151Wh/km인 테슬라 모델 3의 에너지 소모량이 가장 적다고 볼 수 있다. 반대로 에너지 소모량이 가장 큰 차량은 295Wh/km인 메르세데스 EQV 300 롱(Mercedes EQV 300 Long)을 비롯한 전기 미니밴이다.

좌석 냉난방
포드 머스탱 마하-E(Ford Mustang Mach-E) 수석 프로그램 엔지니어 매티스 톤(Matthias Tonn)은 “지금까지 에너지를 사용한 전기차의 주요 보조 시스템 에너지는 좌석과 배터리 난방이다”라고 말했다.

폴스타 차량개발팀 부총괄 클레멘트 하이넨(Clemént Heinen)은 “내연기관차와 전기차를 비교할 때, 보조 시스템이 큰 영향을 미친다. 전기차는 효율적인 모터와 배터리 팩이 동력을 공급하지만, 내연기관차는 좌석 난방용 엔진이 생성하는 열을 낭비한다. 기후 시스템 등 다른 요소의 영향도 두드러지게 드러난다”라고 설명했다.

비숍이 제시한 계산 결과에서 순환 팬과 냉난방 시스템, 난방을 가동한 앞, 뒤 화면, 난방이 가동된 거울과 좌석, 핸들이 에너지 사용에 차지하는 비중이 크다. 지금까지 전체 보조 시스템 중 냉난방 시스템이 에너지 소모의 가장 큰 주범임을 확인할 수 있었다. 난방 시스템과 냉방 시스템의 에너지 소모량은 각각 최대 3kWh, 4kWh이다. 에너지 소모량을 주행 거리로 환산하면, 각각 1시간 동안 각각 8.3km, 11.1km 이동한 것과 같은 수준이다.

흥미롭게도 좌석 난방이 차량 내부 온도를 따뜻한 상태로 유지할 가장 효율적인 방법이다. 좌석 난방 가동 시 에너지 소모량은 1시간당 50W로, 1시간 동안 560m 이동한 것과 같은 수준이다.

조명
전기차 소유주가 반길 만한 소식이 있다면, 조명의 전력 소모량이 매우 적다는 사실이다. 비숍의 계산 방식에 따라 일반 조건에 따라 사용할 때의 전기차 전체 외부 조명 시스템의 에너지 소모량이 48.8Wh 수준이라고 추산할 수 있다. 포르쉐 타이칸 4S, 테슬라 모델 Y 퍼포먼스, 기아 EV 롱 레인지, 폭스바겐 ID.4 등 에너지 소모량이 약 180Wh/km인 차량 기준 조명 시스템의 에너지 소모량은 0.27km/h로, 1시간 동안 단 270m를 주행한 것과 같은 수준이라고 계산할 수 있다.

오디오와 인포테인먼트
차량 인포테인먼트 디스플레이가 지난 10년간 크게 성장하면서 전체 좌석과 같은 넓이로 제작될 수 있다. 포르쉐 타이칸 등 일부 모델은 디스플레이를 최대 5개 장착할 수 있다. 테슬라 모델 S와 모델 X 최신 모델도 훌륭한 비디오 게임 시스템을 내장했으며, 1초 동안 약 10조 수준의 전력을 지원한다고 주장한다. 출력값이 350W인 플레이스테이션과 맞먹는 수준이다.

인포테인먼트 디스플레이는 단순히 불과 몇 년 전 등장한 차량의 음원 재생 기능과 내비게이션 시스템보다 배터리 팩 에너지 소모량이 많다. 음향을 높인 채로 차량 스테레오를 주기적으로 실행할 때 전력 100W를 소모하지만, 1시간당 약 0.5km를 이동할 때 소모하는 에너지양과 같은 수준인 100Wh의 소형 배터리 팩이 필요하다.

자동 주행 속도 유지 장치를 단 2mph~68mph로 낮춘다면, 속도를 단 2.6% 낮추면서 에너지 8.4%를 절약할 수 있다.

이러한 측면에서 최대한의 전력 출력값을 적용한 프리미엄 음향 시스템이 무조건 일반 스테레오보다 더 빠른 속도로 전기차 배터리 에너지를 소모한다고 보기 어렵다. 비숍은 최대 출력값 2,000W 이상인 음향 시스템을 지원하는 차량을 구매할 수 있지만, 2kW 상당의 막대한 오디오 전력이 실질적으로 배터리 소모량에 미치는 영향은 거의 없다고 말한다. 단 수 밀리 초 만에 최대 출력값에 도달할 수 있으며, 단 1/1,000초 만에 더 비싼 오디오 시스템의 음향을 향상할 수 있다는 사실이 중요하다.

게다가 강력한 음향 시스템은 축전기를 활용해 전기 수요를 제한한다. 음향 시스템에 사용하는 축전기는 차량으로 트리클 충전하며, 밀리 초당 2,200W의 전력에 도달한 것과 같이 추가 전력이 필요할 때 순식간에 전기 충격을 가한다.

USB 충전기(와이퍼 포함)
대다수 최신 차량에 USB 포트가 지원되며, 앞좌석과 뒷좌석 승객이 전자 기기 2~3개를 충전하도록 지원한다. 앞서 언급한 바와 같이 USB 포트와 아이패드 연결을 해제한다면, 주행 거리를 조금 더 늘릴 수 있다. 그러나 주행 거리를 늘리기 위해 반드시 USB 포트 연결을 제거해야 한다는 의미는 아니다. 실버 파워 시스템즈의 계산 결과, 차량의 일반 USB 포트가 사용하는 전력은 1시간 동안 단 9m를 이동했을 때와 같은 것으로 확인됐다. 폭우 속에서 15분간 와이퍼를 사용할 때의 에너지 소모량과 비슷한 수준이다.

브레이크와 서스펜션
보조 차량 시스템은 탑승 좌석에만 있는 것이 아니다. 최신 차량의 ABS와 브레이크 서보, 파워 스티어링 모터, 서스펜션 컴프레셔(suspension compressor) 대부분 전기를 사용하지만, 사용량은 매우 적다. 전반적으로 운전석의 보조 차량 시스템이 사용하는 에너지양은 100Wh 수준으로, 1시간 동안 0.5km를 주행했을 때의 소모량과 거의 같다.

공기 저항과 속도
플라이는 “고속도로의 주행 속도로 이동할 때, 에너지 손실이 가장 큰 부분은 공기 저항이다. 0.23m², 전방 2.22m²의 항력 계수를 지닌 테슬라 모델 3는 공기 저항 극복에 총 9.5kW의 에너지를 사용한다. 타이어 마찰의 에너지 소모량이 수백 와트이며, 인버터와 모터의 효율을 합친 것으로 추정되는 90% 그리고 필수 탑재 컴퓨터의 효율을 위해 몇 백 와트를 더 고려한다면, 시속 70마일로 주행할 때 11 kW가 필요하다”라고 설명했다.

기후 기능을 확장하는 테슬라 캠프 모드(Camp Mode)는 모델 3의 배터리를 8시간 동안 10~15% 소모한다.

만약, 서행할 때의 에너지 소모량은 얼마나 변화할까? 플라이는 자동 주행 속도 유지 장치를 단 2mph~68mph로 낮춘다면, 항력 계수가 800W에서 8.7kW로 감소한다고 말했다. 속도를 2.6% 줄이면, 에너지 소모량을 8.4% 절감할 수 있다는 의미이다.

무게
탑승객과 짐이 많을수록 전기차 에너지 소모에 미치는 영향이 크다. 그러나 내연기관차와 달리 전기차 회생제동 시스템으로 짐의 무게가 무거울 때 발생하는 에너지 손실을 어느 정도 줄일 수 있다. 전체 짐 무게가 차량의 질량과 운동량을 늘리면서 타력 주행과 제동 시 배터리로 회수되는 에너지양을 증가시킨다.

플라이는 “승객과 짐의 수가 차량의 속도에 필요한 에너지양에 영향을 미친다. 그러나 단순히 70mph 차량 모델에는 타이어 마찰의 작은 변화를 제외하고 큰 변화가 발생하지 않았다’라고 언급했다.

타이어
차량의 모든 시스템 가동을 중단할 수 없지만, 에어컨과 마찬가지로 타이어도 전기차 효율성에 큰 역할을 한다. 타이어 제조 스타트업 ENSO의 CEO 군라우거 엘렌드손(Gunnlaugur Erlendsson)는 “차량 타이어의 질이 좋지 않다면, 주행 거리에 큰 영향을 미칠 것이다”라고 말했다.

또 다른 타이어 제조사 피렐리 노스아메리카(Pirelli North America)의 최고 기술 관리자 이안 코크(Ian Coke)도 엘렌드손의 주장에 동의했다. 코크는 전기차 시장에서 질이 좋지 않은 타이어를 사용한다면, 주행 거리 감소와 노이즈 등 각종 문제를 겪게 되면서 동력 전달 장치 때문에 문제가 악화될 것이라고 전했다.

ENSO는 전기차 전용 타이어를 개발 중이며, 전기차 전용 타이어가 르노 조에(Renault Zoe)의 주행 거리를 11.5% 늘릴 수 있다고 주장한다. ENSO 측의 주장이 사실이라면, 배터리 성능 저하 탓에 주행거리 수 천 마일이 줄어드는 것을 상쇄할 수 있다. 또, 엘렌드손은 이론상 3~5년 된 차량의 주행 거리가 신차와 비슷한 수준이 될 것이라고 주장했다.

타이어가 핸들과 성능에 지장을 주지 않고 주행 거리를 늘릴 수 있는 방법을 묻자 엘렌드손은 여러 가지 요소를 적용할 수 있다고 말했다. 그는 “원재료, 화학, 건설, 트레드 디자인의 결합으로 궁극적으로는 차량 무게가 더 가벼워지면서 주행 거리 증가라는 장점을 제공한다”라며, “더 좋은 원료를 사용한다면, 차량 생산에 사용하는 재료와 전체 무게를 줄일 수 있다. 또한, 다른 요소에 영향을 주지 않고 주행 거리를 보완할 수 있다”라고 답변했다.

전기차 예열
앞서 언급한 바와 같이 기존 키와 스타터 버튼은 전기차를 운전할 때, 약간 미래와 같은 경험을 선사한다. 그러나 테슬라 모델 3와 폴스타 2 등 일부 모델에는 예열 과정이 없어, 운전을 시작하기 전까지 차량 에너지 소모량이 없다고 추측할 수 있다.

그러나 액셀러레이터 위치 센서와 경사각센서부터 대시보드 디스플레이, 파워트레인 제어 모델, 보안 시스템까지 모든 기능의 전력 소모량을 볼 때, 공회전 시 소모하는 에너지 전력이 평균 전기차 에너지 소모량이 260Wh 수준임을 알 수 있다. 그러나 전체 전기차 소모량과 비교했을 때, 매우 적은 수준이면서 1시간 동안 1.44km를 주행한 것과 같은 수준으로 에너지를 소모한다.

비슷한 측면에서 장시간 실내 온도 조절 장치를 작동한 상태에서 차량을 주차하고 취침하는 8시간 동안 테슬라 캠프 모드 실행 시, 모델 3 차량은 전체 에너지 10~15%를 소모한다.

종합
배터리 에너지를 소모하는 모든 요소를 종합해 보았을 때, 전체 에너지 소모량은 1시간 동안 주행할 때, 약 16km를 주행한 것과 같은 수준이다. 그러나 실제 운전자의 주행 거리는 다양하다.

주위 온도는 에너지 소모의 가장 큰 주범이며, 추운 날 전기차를 미리 연결하지 않고 주행할 때 주위 온도의 에너지 소모량이 많다는 점을 가장 분명하게 느낄 수 있다.

궁극적으로 주행 전 충전기를 연결하고, 배터리와 차량 내부 온도를 높이는 것은 주행 범위 유지를 위해 할 수 있는 가장 중요한 일이다. 즉, 출발 전 경로와 충전 정차 계획도 마찬가지이다.

희소식이 있다면, 난방을 가동한 좌석의 에너지 소모량이 그리 크지 않으며, 히터를 가동하는 것보다 전기차 내부 온도를 따뜻하게 유지할 훨씬 더 수월한 방법이라는 점이다.

** 위 기사는 와이어드UK(WIRED.co.uk)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
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