주석 도금 구리선, 알루미늄선, 알루미늄 열이 미래 신에너지 자동차 와이어링 하니스 소재의 개발 추세인 이유는 무엇입니까?

공공 데이터에 따르면 우리나라의 연간 신에너지 자동차 생산 및 판매는 10년 전 75,000대에서 950만 대로 증가했으며, 이는 세계의 60% 이상을 차지하며, 연평균 복합 성장률은 71%입니다. 현재 국내 신에너지 자동차 산업은 발전이 가속화되는 시기에 접어들고 있으며, 신에너지 자동차와 동력전지 분야에서도 성과가 빠르게 확산되고 있다. 신에너지 차량에 대한 소비자의 선호는 환경에 대한 인식과 저탄소 여행 방법 추구뿐만 아니라 보다 효율적인 형태의 에너지 전환 추구에서도 비롯됩니다. 기존 연료 자동차에 비해 신에너지 자동차는 환경 보호와 지능 측면에서 장점이 있지만 가장 큰 장점은 에너지 변환 효율성에 있습니다.

연료자동차 내연기관의 에너지 변환 효율은 보통 20~30% 정도이며, 남은 에너지는 폐열의 형태로 손실된다. 신에너지 차량의 에너지 변환 효율은 80~90%에 달할 수 있습니다. 순수 전기이든 플러그인 하이브리드이든 에너지 변환 효율은 연료 차량보다 훨씬 높습니다. 신에너지 차량의 보다 효율적인 동력 장치가 점차적으로 비효율적인 동력 장치를 대체함에 따라 에너지 효율은 더욱 향상될 것입니다. 신에너지 자동차의 등장은 교통수단의 녹색 변혁을 의미할 뿐만 아니라, 미래의 효율적인 에너지 사용 방향을 제시합니다.

국내외 학자들의 연구에 따르면 신에너지 자동차의 에너지 변환 효율은 배터리 성능과 모터 효율, 차체 중량, 충방전 시 에너지 변환 손실 등의 요인에도 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 이러한 손실은 에너지 변환 효율의 추가 향상을 직접적으로 제한합니다.

현재의 기술 개발 동향으로 볼 때, 신에너지 차량의 전도성 라인의 재료와 연결 방법을 최적화하는 것은 에너지 변환 효율을 향상시키는 가장 좋은 방법입니다.

전통적인 자동차 전선은 항상 구리를 도체 재료로 사용해 왔습니다. 그러나 구리선에는 몇 가지 단점도 있습니다. 예를 들어 산화로 인해 녹청이 형성되기 쉽습니다. 이는 전선의 외관을 더욱 악화시킬 뿐만 아니라 더 중요한 것은 전기 전도도가 순수 구리에 비해 훨씬 열등하다는 것입니다. 따라서 회로의 저항이 크게 증가하고 전류 전송 효율이 감소하여 신에너지 자동차의 성능과 안전성에 영향을 미칠 수 있습니다.

구리선이 쉽게 산화되는 문제를 해결하기 위해 일반적인 해결책은 주석 도금 구리선을 사용하는 것입니다. 주석 층은 구리가 공기 중의 산소와 물과 접촉하는 것을 효과적으로 방지하여 구리의 산화 과정을 늦출 수 있습니다. 동시에 주석 도금 구리선은 전기 전도성과 기계적 특성이 우수합니다. 이러한 특성은 신에너지 차량 분야에서의 적용 가치를 결정합니다.

그러나 주석층의 융점이 낮기 때문에 초음파 와이어 하니스 용접으로 주석 도금 동선을 용접할 때 국부적인 고온으로 인해 주석층이 녹아 용접 효과에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 주석 도금 동선의 초음파 용접 공정 중 용접 온도와 시간을 어떻게 정확하게 제어하는가는 매우 어려운 기술적 난제이다.

그러나 주석 도금 구리선은 생산 비용이 상대적으로 비싸다는 점에 유의해야 합니다. 이로 인해 신에너지 차량 분야에서의 폭넓은 적용이 어느 정도 제한됩니다. 현재는 고급 신에너지 차량에만 사용됩니다. 중국은 매년 대량의 구리 재료를 수입해야 하며, 최근 몇 년 동안 구리 재료 가격이 계속 상승하고 있습니다. 구리 자원의 부족과 가격 상승으로 인해 자동차 전선 비용이 높게 유지되었습니다.

생산 비용을 줄이면서 에너지 변환 효율을 높일 수 있을까요? 업계에서는 알루미늄 와이어가 구리 와이어를 대체할 수 있는 대안으로 간주됩니다. 주요 신에너지 차량 제조업체에서는 이미 구리선을 대체하기 위해 알루미늄 와이어를 사용하려고 시도했습니다. 그 이유는 알루미늄 와이어가 신에너지 차량에 다음과 같은 장점을 갖고 있기 때문입니다.

1. 좋은 전기 전도성:

알루미늄의 비저항은 2.65×10-8Ω·m이고, 구리의 비저항은 1.72×10-8Ω·m이다. 알루미늄은 구리보다 저항률이 높지만 알루미늄 와이어의 와이어 직경을 약 1.3배로 늘리면 전체 차량 회로의 저항 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

2. 경량:

알루미늄의 밀도는 2.7g/cm3이고, 구리의 밀도는 8.96g/cm3입니다. 알루미늄의 밀도는 구리의 1/3에 불과하므로 알루미늄 도체의 단면적을 약 30%만 늘리면 경량화를 달성할 수 있습니다.

3. 비용 효율성:

우리나라의 구리 및 알루미늄 광물 자원의 극심한 불균형과 채굴 비용으로 인해 구리선 가격이 알루미늄선 가격보다 훨씬 높습니다. 구리선 대신 알루미늄선을 사용함으로써 신에너지 자동차의 생산 비용을 절감하고 시장 경쟁력을 높일 수 있습니다.

자동차 와이어링 하네스 분야에서 비용과 무게 역시 경량 자동차 와이어링 하네스를 개발하는 주요 이유 중 하나입니다. 기존 구리 도체 대신 알루미늄 도체를 사용하면 비용과 무게를 줄일 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나 알루미늄 도체를 적용하는 데에는 다음과 같은 몇 가지 기술적 어려움도 있습니다.

1. 연결 신뢰성:

알루미늄 도체 및 구리 도체의 전통적인 압착 중에 발생할 수 있는 금속 산화 및 전기화학적 부식과 같은 문제는 연결 지점이 느슨해지거나 저항이 증가하여 전체 도체의 성능에 영향을 미칩니다.

2. 크리프 효과:

크리프(Creep)는 오랜 시간 동안 외력의 작용으로 금속 재료가 천천히 변형되는 현상입니다. 구리와 알루미늄 사이의 열팽창 계수 차이로 인해 알루미늄 와이어는 크리프 현상이 발생하기 쉽습니다. 특정 조건에서 알루미늄 와이어의 크리프율은 구리 와이어의 크리프율보다 25배까지 높을 수 있으며, 이는 알루미늄 도체의 내피로성과 서비스 수명에 상당한 영향을 미칩니다.

3. 배선량 증가:

알루미늄 와이어의 전도성은 약합니다. 자동차 와이어의 전도성 요구 사항을 충족하려면 알루미늄 와이어의 단면적을 늘려야 하며, 이로 인해 와이어의 부피가 어느 정도 증가하고 연결이 더 어려워집니다.