기준일을 100으로 놓고 그린 선입니다. 통화가 서로 달라 지수로 겹쳤습니다.
겨울에 주행거리가 반토막인 건
배터리가 늙어서가 아니라
네 가지가 동시에 덤벼서다
아래는 그린 그림이 아니라 주행저항을 실제로 계산한 것입니다. 구름저항 + 공기저항으로 바퀴에 필요한 힘을 내고, 히터와 가용 용량까지 넣어 남는 거리를 냅니다. 손잡이를 움직이면 무엇이 몇 km를 먹는지 막대로 갈라집니다.
겨울이 덤비는 네 가지
배터리 노화가 아니다 — 전부 그날 그 자리에서 일어나는 일이다
| 덤비는 것 | 왜 | 100 km/h 에서 잃는 거리 |
|---|---|---|
| 기준 (여름 20°C) | — | 566 km |
| ① 공기가 무거워짐 | −10°C 면 밀도 +11.4% | −32 km |
| ② 타이어가 굳음 | 구름저항 +15%★ | −32 km |
| ③ 쓸 수 있는 용량↓ | 저온에서 내부저항↑ (−15%★) | −75 km |
| ④ 히터 | 저항식 4 kW | −88 km |
| 겨울 −10°C 합계 | — | 338 km (−40%) |
엔진차는 버리던 열로 난방을 합니다 — 어차피 연료의 3분의 2가 열로 나가니 공짜입니다. 전기차는 그 폐열이 없어서 주행에 쓸 전기를 떼어 난방에 씁니다. 그래서 겨울 손해가 유독 큽니다.
★히터는 고속보다 저속에서 더 아프다
직관과 반대다
| 속도 | 여름 | 겨울 −10°C | 감소 | 히터가 먹는 비중 |
|---|---|---|---|---|
| 40 km/h (도심) | 967 km | 344 km | −64% | 53% |
| 60 km/h | 840 km | 384 km | −54% | 39% |
| 80 km/h | 695 km | 374 km | −46% | 29% |
| 100 km/h | 566 km | 338 km | −40% | 21% |
| 120 km/h | 460 km | 295 km | −36% | 15% |
히터는 속도와 무관하게 시간당 같은 전력을 먹습니다. 반면 주행에 드는 힘은 공기저항 때문에 속도의 제곱으로 커집니다. 그래서 천천히 갈수록 히터가 차지하는 비중이 커지고, 겨울 도심 주행이 가장 손해입니다.
같은 이유로 막히는 길에서 시동만 걸어두는 게 가장 나쁩니다 — 거리는 안 늘고 히터만 계속 먹습니다.
히트펌프가 벌어주는 것
열을 만들지 말고 옮겨라
저항식 히터는 전기 1을 열 1로 바꿉니다. 히트펌프는 바깥의 열을 퍼 와서 전기 1로 열 2.5를 만듭니다(COP 2.5★). 같은 난방을 4 kW 대신 1.6 kW로 합니다.
| 100 km/h · −10°C | 난방 전력 | 주행거리 | 여름 대비 |
|---|---|---|---|
| 난방 끔 | 0 kW | 426 km | −25% |
| 히트펌프 | 1.6 kW | 386 km | −32% |
| 저항식 히터 | 4.0 kW | 338 km | −40% |
펌프가 벌어주는 건 48 km입니다. 그래서 요즘 전기차가 히트펌프를 옵션이 아니라 기본으로 넣습니다. 같은 원리를 에어컨 조각에서 이미 다뤘습니다 — 열을 만들지 않는 기계가 겨울엔 거꾸로 돕니다.
테슬라는 한 발 더 갑니다 — 모터와 배터리에서 나오는 폐열을 끌어다 씁니다. 급속충전 중에 배터리가 뜨거워지는 것(I²R)을 난방에 재활용하는 셈입니다.
풀고 있는 식 — 저항 둘이 자리를 바꾼다
주행에 드는 힘은 크게 둘입니다. 구름저항은 속도와 거의 무관하게 일정하고, 공기저항은 속도의 제곱으로 큽니다. 이 둘의 자리바꿈이 위 곡선의 모양을 만듭니다.
Fₐ = ½ ρ Cₐ A v² 공기 — 속도의 제곱
40 km/h → 구름 196 N · 공기 37 N 공기 몫 16%
100 km/h → 구름 196 N · 공기 234 N 공기 몫 54% — 역전
여기에 겨울이 두 방향으로 끼어듭니다. 첫째, 찬 공기는 밀도 ρ 가 큽니다 — −10°C 공기는 20°C 보다 약 12% 무거워 같은 속도에서 공기저항이 그만큼 늘어납니다. 둘째, 히터는 속도와 무관하게 시간당으로 먹습니다.
그래서 위 둘째 판의 반전이 나옵니다 — 히터가 같은 kW 를 먹어도 저속에서는 그 시간이 길어 주행거리를 더 많이 갉아먹습니다. 겨울 도심 주행이 고속도로보다 손해인 이유가 이 두 식의 조합입니다.
실물은 이렇게 생겼다
위 판은 겨울에 주행거리가 깎이는 네 가지를 따로따로 계산합니다. 그중 가장 크게 무는 것이 난방인데, 왜 하필 전기차에서만 그게 아픈지는 사진 한 장으로 설명됩니다.
① 이 유리를 녹이는 열도 배터리에서 나온다
크리스마스이브 아침 6시 23분, 미국 뉴저지. 앞유리가 통째로 서리에 덮여 앞이 보이지 않습니다. 출발하려면 먼저 이걸 녹여야 합니다.
엔진차는 이걸 공짜로 녹입니다. 엔진은 연료 에너지의 3분의 2쯤을 어차피 열로 버리고 있고, 히터는 그 버리던 열을 실내로 돌려놓는 장치일 뿐입니다. 그래서 겨울에 히터를 세게 틀어도 연비가 눈에 띄게 무너지지 않습니다.
전기차에는 버릴 열이 없습니다. 위 판이 가정한 구동효율이 90%입니다 — 모터가 워낙 잘 돌아서 폐열 자체가 적습니다. 그래서 서리를 녹이고 실내를 데우는 열은 바퀴를 굴리는 것과 똑같은 배터리에서 꺼내 씁니다.
위 계기가 전력을 「바퀴 + 구동손실 + 보조 + 난방」 네 칸으로 쪼개 둔 게 그래서입니다. 손잡이를 여름 20°C에서 겨울로 내리면 마지막 칸만 혼자 커집니다. −10°C·100km/h에서 저항식 히터는 4.0 kW를 먹고, 주행거리는 566 → 338 km(−40%)가 됩니다. 그중 히터 몫만 −88 km입니다.
히트펌프를 달면 같은 열을 1.6 kW로 옮겨와 386 km — 48 km를 법니다. 열을 만드는 대신 바깥에서 퍼 오기 때문입니다.
덧붙이면, 이 사진의 차가 전기차인지는 알 수 없습니다. 서리는 차종을 가리지 않습니다. 갈리는 건 그다음입니다 — 그 열을 어디서 꺼내 오느냐.