[아롱 테크] 전기차가 왜 이렇게 시끄럽지...진동ㆍ소음, 소비자 불만 급증

전기차 판매량이 증가하면서 각종 소음 및 진동과 관련해 운전자들이 블만을 제기하거나 정비업소를 찾는 일이 잦아지고 있는 추세입니다. 흔히 자동차의 성능을 이야기할 때 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 성능이 빠지지 않고 등장하고 있는데요.

NVH는 글자 그대로 소음과 진동 그리고 불규칙하게 들리는 귀에 거슬리는 잡소리를 의미합니다. 엔진 대신 전기모터로 구동되는 전기차는 소음과 진동이 거의 없기 때문에 내연기관차에 비해 주행중 발생되는 각종 NVH에 대해 운전자들이 더욱 민감해질 수밖에 없습니다. 

전기차는 내연기관(엔진)이 없다보니 바람소리나 타이어 소음, 냉난방시스템과 같은 다른 소음들이 더 커질 수밖에 없습니다. 또한 전기모터는 저속에서 더 높은 토크를 발휘하므로 저속구간에서 눈에 띄는 진동이 발생되는데 전기모터의 진동이 실내로 직접 전달되기도 합니다. 

소음은 물론 진동을 포함한 잡소리는 제대로 제어되지 않을 경우 운전자에게 거칠고 불쾌한 느낌을 줍니다. 일반적으로 내연기관차의 NVH 문제는 전체 문제의 약 절반가량을 차지하고 있을 정도로 엔진과 변속기 등 파워트레인과 관련이 깊습니다. 나머지 절반은 주로 도로나 주행중 발생하는 바람소리에 의해 발생하지요. 

반면 전기차는 전기-구동시스템(Electric Drive Unit)보다는 중저속에서의 노면소음과 고속에서의 풍절음과 관련된 경우가 더 많습니다. NVH 분야 전문가들은 자동차업계의 급속한 전동화 트렌드에 따라 NVH를 분석하고 줄이는 복잡한 과학이 새로운 영역에 진입했다고 말합니다. 

전기차가 일부 프리미엄 차량을 넘어 모든 라인업으로 확대됨에 따라 새로운 설계와 기술적인 과제가 계속 등장하고 있기 때문입니다. 언젠가는 전기차의 NVH 문제가 품질문제로까지 확대될 수도 있다는 의견이 제기되고 있기도 합니다.

이에 따라 많은 자동차 회사들이 NVH 문제를 극복하기 위해 연구개발에 지속적으로 투자하고 있습니다. 또한 NVH의 효율적인 저감기술을 개발하기 위한 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램 및 관련기술이 새롭게 등장하고 있는 추세입니다. 

최신 전기차 설계와 관련해 NVH가 발생하는 부위와 전파경로를 파악하고 이를 줄이기 위한 기술적인 진전도 이뤄지고 있다는 것이 관련업계의 설명입니다. 

일반적으로 전기차는 내연기관차와 마찬가지로 차량구조의 단열 및 흡음재를 개선해 외부소음이 실내로 유입되는 것을 최소화하고 있는데요, 단열재와 흠차음재를 추가로 적용하거나, 각종 차량틈새를 밀봉함으로써 바람소리나 타이어 및 냉난방시스템의 소음을 최소화하고 있습니다. 

그러나 최신 전기차의 경우 이러한 흡차음재나 틈새를 메우는 우레탄폼 사용을 최소화하고 있는데요. 이러한 소음저감 재료들을 과다하게 사용할 경우 차량무게와 비용이 증가하고 복잡성을 가중시키기 때문입니다. 

하지만 소위 ‘반창고’로 불리는 흡차음재와 같은 패치 소재에 대한 의존도가 줄어들고 있는 것이 사실이지만 완전히 없애는 것은 어려울 것이라는 것이 지배적인 의견이기도 합니다.

또한 전기차는 전기-구동시스템을 고정하는 마운팅 시스템이나 각종 진동댐퍼를 이용해 전기모터 또는 노면의 진동이 실내로 전달되는 것을 줄이고 승차감을 향상시키고 있습니다. 

액티브 노이즈 캔슬링과 같은 능동형 소음제어 시스템은 실내에 전략적으로 배치된 마이크와 스피커를 사용해 원치않는 소음을 상쇄하는 음파를 측정하고 방출함으로써, 차량 외부소음과 진동이 실내로 유입되는 것을 최소화시켜 주기도 하지요.

전기모터의 제어 알고리즘과 전기-구동시스템 구성요소를 개선 및 조정해 진동과 소음을 최소화함은 물론 토크와 전력공급을 효율적으로 관리하고 기어비와 모터특성을 최적화함으로써 NVH 문제를 최적화하고 있기도 합니다.

전기차가 주행중 발생하는 바람소리나 노면소음 등 외부소음은 전기차 운전자에게 불쾌함을 주기도 하지만 이러한 소음이 전기-구동시스템과 배터리 팩 등 전기차 내부에서 발생하는 소음을 상쇄시켜 주는 역할도 합니다. 

일정 크기의 노면소음과 풍절음이 전기-구동시스템에서 발생하는 소음을 어느 정도 줄일 수 있는 장점이 있지만 운전자들이 불쾌하게 여길 정도로 소음이 심해서는 안 된다는 것이 전문가들의 이야기입니다.

또한 전기차는 주행중에 전기-구동시스템과 파워인버터 등에서 10,000Hz 범위의 고주파 노이즈가 발생되며, 전기모터 자체의 전자기 소음과 기어트레인 소음, 베어링, 유체시스템 등의 기계적 소음이 발생되는데, 소음 발생부위와 전달경로를 정의하고 허용 가능한 수준으로 설정하는 과정이 필요하다고 말합니다.

전기트럭이나 고성능 전기차의 경우 고용량의 리튬이온 배터리팩을 적용함에 따라 차량무게의 무게가 증가하자 경량화를 위해 강철 및 기타 금속소재를 폴리머(플라스틱) 소재로 대체하거나 배리어 디커플러 등을 분산시스템으로 설계하는 과정에서 NVH 성능에 문제를 일으키기도 합니다.

가벼운 차체 패널을 적용할 경우 소음과 진동에 영향을 미치므로 더 조용한 실내정숙성을 요구하는 운전자들과 달리 엔지니어들은 무게 효율성에 초점을 맞추고 있으며, 새롭고 다양한 유형의 경량소재와 소음저감 기술들이 등장하고 있는 추세입니다. 

사실 전기-기계시스템에서 발생하는 NVH를 정확하게 분석하는 것은 다양한 물리적 법칙과 시스템간의 복잡한 상요작용을 이해해야 하므로 매우 어려운 작업입니다. 정확한 분석을 위해서는 전자기학, 열역학, 차량동역학과 같은 이론과 NVH 분석을 결합해야 하지요 모든 차량 개발영역과 마찬가지로 NVH 저감기술 개발 또한 컴퓨터 시뮬레이션을 적극 활용하고 있는 것도 이 때문입니다.

하지만 전기차의 NVH 저감기술의 핵심은 시스템의 최적화를 통해 전기차의 주행거리와 소비자의 기대치를 동시에 만족시키는 것입니다. 

기존 전기차보다 성능을 향상시키기 위해 전기모터의 효율성을 개선함으로써 소비자의 기대치를 만족시킴은 물론, 소음이 약간 증가하더라도 소비자의 NVH 관련 불만을 어느 정도 해소시킬 수 있도록 균형을 유지하는 것이 우선이겠죠.

김아롱 칼럼니스트/[email protected]