Lightyear One으로 도로 주행

Lightyear 엔지니어는 5인승 태양광 전기차 Lightyear One을 설계하기 위해 Ansys Mechanical, Ansys Fluent, Ansys HFSS를 활용한다. 이 과정에서 차체 구조, 공기역학, 전자기 특성, 열 특성을 함께 설계한다.

Lightyear는 네덜란드 헬몬트에 위치한 자동차 기업이다. 이 기업은 자동차 지붕을 태양광 셀로 구성해 주행 중에도 배터리를 충전할 수 있는 친환경 자동차 개념을 제시한다. 이는 충전소를 차량과 함께 가져가는 것과 유사한 접근이다.

Lightyear는 Ansys Startup Program의 멤버이다. Lightyear One은 경량 알루미늄 및 탄소섬유 섀시, 네 개의 인휠 모터, 파워트레인, 태양광 루프까지 처음부터 최대 주행거리와 효율을 목표로 설계된다.지 기다려야 할 것이다.

태양광 루프가 만드는 주행거리 효율

Lightyear One은 앞유리 상단부터 트렁크 뒤쪽까지 이어지는 태양광 셀을 사용한다.

친환경 운전자는 0km/h에서 100km/h까지 얼마나 빠르게 가속하는지보다 효율을 더 중요하게 본다. 깨끗한 에너지원으로 더 긴 주행거리를 확보하고, 자주 충전하지 않는 것이 핵심이다.

Lightyear 엔지니어는 Ansys Mechanical, Fluent, HFSS를 사용해 Lightyear One의 구조, 공기역학, 전자기, 열 특성을 설계한다.

이를 통해 한 번 충전으로 최대 725km, 즉 450마일까지 주행할 수 있도록 한다. 또한 태양광 셀은 햇빛 아래에서 1시간 주행할 때마다 최대 12km의 주행거리를 추가할 수 있다.

Lightyear One은 일반 벽 콘센트에 맞는 플러그도 제공한다. 하지만 운전 습관과 지역의 일조량에 따라 플러그 사용 빈도는 줄어들 수 있다.

시작부터 검증된 태양광 자동차 설계

Lightyear는 University of Eindhoven에서 독립한 기업이다. 그 출발점은 Solar Team Eindhoven이다.

Solar Team Eindhoven은 Bridgestone World Solar Challenge에서 2013년부터 2019년까지 4회 연속 우승한 학생 엔지니어링 팀이다. 이 대회는 격년으로 열리며, 팀은 해당 기간 모든 대회에서 우승한다.

이 팀의 Stellar Era 태양광 자동차는 2019년 10월 호주 아웃백에서 다윈부터 애들레이드까지 이어지는 3,020km 여정을 완주한다.

당시 사용한 전력은 71.24kWh이다. 이러한 성공은 태양광 자동차의 상용화 가능성을 검토하게 만든다.

상용화를 위한 재설계 과정

Lightyear는 상용 자동차 기업으로 전환하면서 소비자를 고려한 설계를 다시 진행해야 한다.

Bridgestone World Solar Challenge를 통해 많은 경험을 얻었지만, 상용 차량에는 비용, 효율, 편안함이 함께 필요하다.

장거리 주행 중 에어컨 없이 이동하는 조건은 학생 경주팀에는 가능할 수 있다. 그러나 일반 소비자에게는 받아들이기 어려운 조건이다.

따라서 Lightyear는 태양광 자동차를 처음부터 다시 설계한다. 이 단계에서 Ansys Startup Program은 구조, 공기역학, 전자 설계를 가상으로 테스트할 수 있도록 지원한다. 이를 통해 물리적 프로토타입과 테스트 비용을 줄일 수 있다.

태양광 패널 구조를 보호하는 설계

Lightyear One의 고유한 구조적 과제 중 하나는 5㎡ 규모의 태양광 패널을 보호하는 것이다.

이 태양광 패널은 도로의 충격과 가벼운 충돌에도 완전히 파손되지 않아야 한다.

Lightyear 엔지니어는 시뮬레이션을 활용해 태양광 셀 위에 안전유리를 배치하고, 아래쪽에는 지지 구조를 추가하는 적층 구조를 설계한다. 이를 통해 강도를 높인다.

일반 태양광 패널은 구조 안의 한 셀이 고장 나면 작동이 멈출 수 있다. 반면 Lightyear One 시스템은 패널 일부가 손상되어도 계속 작동하도록 설계된다.

Ansys Fluent를 활용한 공기역학 설계

Lightyear 엔지니어는 항력과 양력을 줄이기 위해 Ansys Fluent 기반 시뮬레이션을 수행한다.

이 시뮬레이션은 차량 형상 설계에 활용된다. 이후 엔지니어는 풍동 테스트를 수행해 시뮬레이션 결과를 검증한다. Lightyear One은 평평한 하부와 길고 점진적으로 좁아지는 상부 형상을 가진다. 이러한 형상은 항공기 날개와 유사하다. 상부를 길게 만들고 완만한 경사를 적용하면 공기 흐름이 차량에 붙어 흐른다. 그 결과 짧고 급한 경사형 차체보다 항력을 줄일 수 있다.

새로운 휠 커버도 공기 흐름을 제어한다. 공기가 휠 웰 안으로 들어가지 않고 바깥쪽으로 흐르도록 유도해 추가 항력을 줄이는 역할을 한다.

인휠 모터와 에너지 관리 시뮬레이션

Lightyear 팀은 네 개의 독립 인휠 모터도 시뮬레이션을 활용해 설계한다.

이 인휠 모터는 필요한 위치와 필요한 순간에만 동력을 제공한다. 또한 Lightyear 팀은 Ansys 전자기 시뮬레이션을 사용해 태양광 패널과 배터리 관리 시스템에서 최대 효율을 확보한다. BMS 시뮬레이션은 전력을 효율적으로 저장하고 분배하는 데 활용된다.

결론

Lightyear One은 태양광 루프를 통해 주행 중 배터리를 충전할 수 있는 5인승 태양광 전기차이다.

Lightyear 엔지니어는 Ansys Mechanical, Ansys Fluent, Ansys HFSS를 활용해 구조, 공기역학, 전자기, 열 특성을 설계한다. 또한 Ansys Startup Program을 통해 물리적 프로토타입과 테스트 비용을 줄이고, 가상 환경에서 다양한 설계를 검증한다.

핵심은 효율이다. Lightyear One은 태양광 셀, 경량 섀시, 인휠 모터, 공기역학 형상, 배터리 관리 시스템을 함께 최적화한다. 이를 통해 친환경 전기차가 충전 인프라에 덜 의존하면서 더 긴 주행거리를 확보할 수 있는 가능성을 보여준다.

출처 : Ansys Driving on Sunshine with Lightyear One

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