1. 서 론
2. 자동차 충돌변형량 데이터 수집 방법
2.1. NHTSA 충돌시험 데이터
2.2. KATRI 충돌시험 데이터
3. 자동차 충돌변형량 데이터 현황
4. 자동차 충돌변형량 데이터 분석
4.1. 내연기관차와 전기차간 비교
4.2. 사용연료 및 차량종류별 비교
5. 결 론
1. 서 론
자동차 충돌사고에서 발생한 여러 흔적들은 사고를 재구성함에 있어 중요한 단서로 활용된다. 차체에 강한 충격으로 발생한 소성변형으로 인한 차체 잔류 변형 깊이(이하, ‘충돌변형량’으로 칭한다)은 사고 당시 자동차의 속도나 주충격방향(PDOF, Principle Direction Of Force)을 간접적으로 알려주는 중요한 단서가 될 수 있다. 예를 들어, 자동차 충돌시 발생하는 에너지를 활용한 등가에너지속도(EES, Equivalent Energy Speed)를 추정하고 이를 충돌속도로 활용할 수 있도록 충돌속도와 충돌변형량 간의 상관성을 시험적 결과를 바탕으로 선형방정식을 마련하였다.(1) 한편, 자동차는 지속적으로 강화되는 자동차 안전기준 및 평가제도를 만족하기 위해 차체의 구조나 재질은 개선되어 왔다.(2) 후속 연구들은 새로운 차량의 신규 강성계수를 확인하고 최근 차량에 적합하게 충돌변형량을 활용한 충돌속도 추정방정식을 개선하고 있었으나, 내연기관차에 초점이 맞춰져 있었다.(3,4)
최근 보급되고 있는 전기차는 기존 내연기관차와 전면 구성이 상이하다. 내연기관차는 전면부 내 엔진 블록을 중심으로 한 다양한 기계장치가 구성되어 있으나, 전기차는 엔진블록이 없고 차량 하부에 고전압 배터리가 장착되어 있기 때문에 차량 전면에 가해지는 충격을 내연기관차와 달리 해소할 것으로 추정하였다. Navale은 전기차는 전면부에 내연기관을 포함하고 있지 않으므로 충격을 흡수하는 크럼플 존(crumple zone) 확보 측면에서 구조적 자유도가 증가하는 반면 하중을 우회시키는 하중경로(load path)가 적절하지 않으면 고전압 배터리 및 승객석으로 침범할 수 있다고 하였다.(5) Fuerbeth는 전기차는 내연기관차 대비 충돌 후 최종 변형량인 정적 충돌변형량은 약 12% 크나, 힘-변형 곡선(force-deflection curve)을 구성하여 충돌 과정 중 실제 확인된 동적 변형량은 동일한 경향이었음을 확인하였다.(6) Żuchowski도 전기차가 내연기관차보다 질량 대비 더 깊은 변형이 발생한다는 경향을 확인하였다.(7) 선행연구들은 내연기관차와 전기차 간의 충돌변형량의 차이를 분석하여, 변형량은 유사하나 충격력을 분산시킴에 차이가 존재한다고 판단하였으나, 주로 2010년대에 생산된 내연기관차 및 전기차를 대상으로 전기차 초기 모델에 한정한다는 한계가 존재하였다.
본 연구는 동일한 약 56 km/h 정면충돌시험 조건에서 2021년부터 2025년식인 최근 연식 차량의 전기차 및 내연기관차의 충돌변형량 차이점을 통계적으로 비교 및 분석한다. 충돌시험에 의한 자동차 충돌변형량 데이터는 미국도로교통안전국(NHTSA, National Highway Traffic Safety Administration)이 NCAP(New Car Assessment Program) 등 충돌시험 후 공개한 Vehicle Crash Test Database와 한국교통안전공단 자동차안전연구원(KATRI, Korea Automobile Testing & Research Institute)에서 KNCAP(Korea NCAP) 및 자동차 자기인증적합조사의 충돌시험 차량을 3차원 스캐닝하여 충돌변형량 데이터를 수집하였다. 수집된 충돌변형량 데이터를 활용하여 최근 연식의 전기차와 내연기관차간 충돌변형량이 통계적으로 유의미한 결과를 나타내는지 확인하고 그 이유에 대해 고찰하였다.
2. 자동차 충돌변형량 데이터 수집 방법
2.1. NHTSA 충돌시험 데이터
NHTSA는 NCAP, FMVSS 등 다양한 충돌시험에서 시험 전·후의 자동차 충돌변형량을 측정하고 있었으며, 이를 포함한 충돌시험 보고서를 홈페이지에 공개하고 있어 각 충돌시험별 차체 충돌변형량 데이터를 수집하였다.
NHTSA는 1998년 문서를 통해 자동차 충돌변형량을 어떻게 측정하는지 소개하고 있었다.(8)Fig. 1(a)와 같이, 충돌 변형 폭(field length)을 동일 간격으로 6개의 지점을 잡고, 차량 범퍼 중간 높이에서 윤곽 측정기(contour gauge)를 활용하여 충돌변형량을 C1부터 C6까지 측정한다. 여기서 ‘1’은 차량 맨 좌측을 의미하고, ‘6’은 차량 맨 우측을 의미한다. 일반적으로 차량의 외형은 완벽한 직사각형의 형태를 띄고 있지 않는다. 전면부 형상은 중앙부터 좌·우측면으로 곡면 처리된 형상(bumper taper)을 보이며 중앙부가 좌·우측면보다 앞으로 더 나온 형상을 띄고 있었다(Fig. 1(b)). 따라서, 충돌 시 접촉이 가장 늦게 일어나는 C1 및 C6보다 C2부터 C5까지의 충돌변형량이 크게 기록된다.
2.2. KATRI 충돌시험 데이터
KATRI는 국내 자동차 자기인증적합조사 및 KNCAP와 관련한 다양한 자동차 충돌시험을 수행하며 자동차의 제작결함 또는 신차 안전도를 평가하고 있다. Table 1은 3D(Three-Dimensional) 스캐너를 활용한 충돌변형량 도출 방법을 순서대로 설명한다. 본 연구를 위해 자동차 충돌시험 전·후 차량을 ‘Leica RTC360’ 3D 스캐너를 활용하여 여러 각도의 차체 3D 이미지를 취득하였다. 취득한 이미지는 ‘Leica Cyclone’ 프로그램(Register360 및 3DR 포함)을 활용하여 3D 차량 이미지를 정합 및 최적화하고, 수치지형모델(DTM, Digital Terrain Model) 생성 및 데이터 정렬을 통한 충돌시험 전후 차량 모델을 비교하여 충돌변형량을 측정하였다. NHTSA의 충돌변형량 측정방법과 동일하게 범퍼 중간 높이에서 충돌변형량을 자동적으로 5등분하여 C1부터 C6까지의 값을 도출하였다.
Table 1.
Workflow for Measuring Residual Crush Depth
3. 자동차 충돌변형량 데이터 현황
2장의 데이터 수집 방법을 통해 약 56 km/h(55.91~56.73 km/h) 정면충돌시험을 통한 총 104건의 자동차 충돌변형량 데이터를 수집하였다. 데이터는 휘발유 및 전기로 구분할 수 있는 ‘사용연료’와 세단(sedan)과 SUV(Sport Utility Vehicle) 차량으로 구분할 수 있는 ‘차량 종류’를 활용하여 4가지 그룹으로 나타낼 수 있다. Fig. 4는 104건에 대해 시험차량 중량(kg)과 충돌변형량 측정을 위한 Z축 포인트(mm)간 분산형 그래프를 나타낸다. SUV 차량은 세단 차량에 비해 유사 중량 대비 높은 충돌변형량 측정 포인트를 갖고 있음을 나타내며, 전기차가 내연기관차 대비 차량 중량이 상대적으로 무거운 경향이 확인되었다.
Fig. 5는 4가지 그룹에 대해 사분위수 범위(IQR, InterQuartile Range) 통계 기법을 활용하였다.(9) IQR 통계 기법은 데이터의 제1사분위수(Q1)와 제3사분위수(Q3) 사이의 범위를 사용하므로 극단적인 값에 대한 왜곡을 최소화하여 각 그룹별 충돌변형량의 대표 값을 안정적으로 활용할 수 있다. Fig. 5는 차량 중량(kg)과 Z축 포인트(mm)에 대한 중앙값(median, 2사분위수(Q2))를 시각적으로 나타내며, Table 2를 통해 Fig. 5에서 확인된 값을 정리하였다.
4. 자동차 충돌변형량 데이터 분석
4.1. 내연기관차와 전기차간 비교
Fig. 6과 같이 전기차는 내연기관차 대비 전반적으로 큰 충돌변형량을 보였다. 이는 3장에서 확인한 바와 같이, 전기차의 차량 중량이 내연기관차에 비해 무거운 경향을 보이며, 이에 따라 동일한 충돌 조건에서 더 큰 충돌 에너지가 전면 구조의 변형으로 전환된 결과로 해석할 수 있다.
Table 3에 제시된 바와 같이 C1~C6 지점의 IQR 범위를 비교한 결과, 내연기관차는 약 229~528 mm, 전기차는 약 168~566 mm로 나타났으며, 양 차종 모두 차량 중앙부(C2~C5)에서는 비교적 유사한 분포 특성을 보였다. 이는 전면 중앙부 구조가 충돌 시 주요 하중 전달 경로로 작용하며, 차종에 관계없이 비교적 일관된 변형 거동을 보이기 때문으로 판단된다.
Table 3.
Summary of C1-C6 between BEVs and ICEs
반면, 전면 외측부인 C1 및 C6 지점에서의 IQR은 내연기관차의 경우 약 128~148 mm로 비교적 일정한 경향을 보인 반면, 전기차는 약 135~242 mm로 중앙부에서 외측으로 갈수록 변형량의 산포가 크게 증가하였다. 이러한 차이는 전기차 전면부 구조 설계의 다양성과 관련된 것으로 해석될 수 있다. 전기차는 전용 플랫폼을 기반으로 설계된 차량과 기존 내연기관 파생형 플랫폼을 활용한 차량이 혼재되어 있으며,(10) 전면부에 내연기관이 없으므로 프렁크 공간 확보, 각 프레임 및 멤버 배치 등 전면부 차체 설계의 자유도가 내연기관차에 비해 상대적으로 클 수 있다. 이러한 구조적 다양성이 전기차의 C1 및 C6 지점에서의 충돌변형량 산포 증가로 반영된 것으로 판단한다.
4.2. 사용연료 및 차량종류별 비교
Fig. 7 및 Table 4와 같이, 3장에서 구분한 4가지 유형(전기차 세단·SUV, 내연기관차 세단·SUV)으로 분류하여 비교하였다. 우선, 전기차 세단과 내연기관차 세단을 비교한 결과, 전기차 세단의 경우 C2~C5의 중앙값(Q2)이 상대적으로 높게 나타난 반면, 차량 측면부인 C1 및 C6에서는 낮은 값을 보였다. 또한 전기차 세단은 내연기관차 세단 대비 IQR 범위가 크게 나타났으며, 특히 차량 중앙부(C3, C4)에서 측면부(C1, C6)로 갈수록 변형량의 산포가 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.
Table 4.
Summary of Residual Crush Depth across Vehicle Classes for BEVs and ICE Vehicles
다만, 본 연구에서 전기차 세단의 표본 수는 11대로 제한적이므로, 해당 결과는 소수의 이상치에 의해 통계적 분포 특성이 영향을 받을 가능성이 있다. 따라서 전기차 세단의 분석 결과는 전반적인 경향성을 중심으로 해석하되, 통계적 불확실성이 존재함을 고려할 필요가 있다.
한편, 전기차 SUV는 내연기관차 SUV 대비 중앙값이 다소 높게 나타났으나, IQR 범위는 전반적으로 유사한 양상을 보였다. 전기차 SUV 역시 차량 중앙부에서 측면부로 갈수록 IQR 범위가 증가하는 경향은 확인되었으나, 세단 차종에 비해 그 변화가 상대적으로 뚜렷하지는 않았다.
5. 결 론
본 논문에서는 향후 전기차의 충돌변형량을 활용한 효과적인 사고조사를 수행하기 위해, 최근 연식의 내연기관차 및 전기차의 충돌시험 시 확인된 충돌변형량 데이터를 비교 분석하여 각 차종별 충돌변형량 특성이 어떠한지 고찰하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 유사한 충돌시험 조건 하에서 전기차와 내연기관차의 충돌변형량을 비교한 결과, 중앙부(C2~C5)에서는 전기차가 상대적으로 더 큰 변형량을 보이는 경향이 확인되었다. 이는 전기차의 차량 중량 증가에 따른 충돌 에너지 증가가 중앙부 구조의 소성 변형으로 전환된 결과로 해석될 수 있으며, 동일 속도 충돌 시 전기차가 내연기관차 대비 더 깊은 변형을 동반할 수 있음을 의미한다. 이러한 특성은 현재까지 내연기관차를 기준으로 도출된 기존 강성 계수를 전기차 사고 재구성에 그대로 적용할 경우 속도 추정에 편향이 발생할 가능성이 있음을 시사한다.
2) 반면, 전면 외측(C1, C6)에서는 전기차가 내연기관차 대비 IQR이 크게 나타나는 경향을 보였다. 이러한 차이는 내연기관차 대비 전기차에 반영된 다양한 구조적 다양성이 전면 외측부의 충돌변형량 산포 증가로 반영되었다고 판단된다.
3) 본 연구는 충돌변형량 분포에 대한 통계적 경향성을 분석함으로써, 향후 전기차 전용 사고분석 기법 개발을 위한 통계적 기초 자료를 제공하는데 의의가 있다.
본 연구에서 활용된 전기차 충돌시험 데이터는 내연기관차에 비해 상대적으로 제한적이며, 특히 전기차 세단(BEV_Sedan)의 경우 표본 수가 적어 통계적 분포의 불확실성이 존재한다. 이로 인해 일부 분석 결과는 소수의 이상치에 의해 영향을 받을 가능성이 있으며, 해석에는 주의가 필요하다. 향후 보다 다양한 차종과 충분한 표본 수를 포함한 충돌시험 데이터가 축적될 경우, 본 연구에서 확인된 전기차 충돌변형량 특성에 대한 명확한 정량적 검증이 가능할 것으로 기대된다.
