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자동차 경량화는 단순히 차량의 무게를 줄이는 것이 아니라 종합적인 시스템 엔지니어링 접근 방식으로 이루어집니다. 차량의 강도와 안전 성능을 보장한다는 전제하에 공차 중량을 최대한 최소화하는 것이 포함됩니다. 이를 통해 차량의 주행거리, 에너지 효율성, 성능 및 안전성을 향상시키는 동시에 대기 오염을 줄이고 "탄소 중립성"을 달성하는 데 기여합니다.
범위 기능: 전기 자동차에는 엔진과 기어박스가 없지만, 현재 배터리 팩의 무게는 엔진과 기어박스의 무게를 초과합니다. 전기 자동차의 주행 가능 거리는 차량 무게에 직접적인 영향을 받습니다. 자동차 제조업체는 경량화 설계를 통해 전력 배터리 모듈의 레이아웃을 최적화하여 전체 차량 무게를 줄이고 배터리 주행 거리를 연장하여 전기차의 경쟁력을 더욱 높일 수 있습니다.
에너지 효율성: 차량 무게가 가벼워지면 에너지 소비가 줄어듭니다. 전기차를 경량화하면 에너지 활용 효율을 높이고 운영 비용을 낮추며 한정된 자원에 대한 의존도를 더욱 낮출 수 있습니다.
성능 및 안전: 전기차 경량화는 가속 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 제동 효율과 핸들링 안정성 향상에도 기여합니다. 또한 경량 구조는 충돌 에너지 흡수를 줄여 차량과 탑승자 모두의 부상 위험을 낮추는 데 도움이 됩니다.
대기 오염 줄이기: 자동차의 탄소 배출량은 일반적으로 전체 차량 무게, 연비, 지역 정책 등의 요인에 의해 영향을 받습니다. 따라서 전기차 경량화는 이산화탄소 배출을 줄이는 데 중요한 수단입니다. 향후 자동차 경량화, 전기화 및 지능형 기술이 발전함에 따라 자동차의 수명 주기 동안 전체 탄소 배출량은 감소할 것입니다.
1. 재료의 경량화 적용
1. 재료의 경량화 적용
전통적으로 자동차는 주로 강철을 주원료로 사용하며, 구성 성분 중 약 70%를 차지합니다. 강철의 성능을 최적화하고 강도를 높이며 두께를 현명하게 줄이면 차량 무게를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 현재 고강도 강철을 사용하면 자동차의 내구성, 변형 충격 저항성 및 수동 안전 성능이 크게 향상됩니다. 이 외에도 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 탄소섬유 복합재, 플라스틱 등 경량화에 이상적인 대체 소재가 개발되고 있습니다.
알루미늄 합금 및 마그네슘 합금: 알루미늄 합금과 마그네슘 합금은 기존 강철에 비해 무게는 가볍고 강도는 상당히 높습니다. 연성과 인장 강도가 뛰어난 알루미늄 합금은 복잡한 단면의 부품에 사용할 수 있으며, 충돌 시에도 낮은 소모율을 보입니다. 밀도가 강철의 2/9, 알루미늄 합금의 2/3인 마그네슘은 알루미늄 경량화 기준으로 15%-20%까지 무게를 줄여 현존하는 가장 가벼운 금속 구조물 소재입니다. 고강도, 큰 강성, 내충격성, 높은 재활용성, 우수한 가공 및 주조 성능 등의 재료 특성으로 인해 이 합금은 차체 및 섀시 부품 생산에 일반적으로 사용됩니다.
탄소 섬유 복합 재료: 강화 플라스틱은 일반적으로 유리섬유보다 성능이 뛰어나며, 고강도와 저밀도로 알려진 탄소섬유는 전기차의 차체와 구조에 사용될 경우 차량의 전체 무게를 크게 줄여줍니다. 예를 들어 엔진 후드에 적용하면 무게를 6kg 이상 줄일 수 있습니다.
플라스틱: 상대적으로 밀도가 낮고 가벼우며 강도가 좋고 다양한 외관을 가진 플라스틱은 실내 장식, 범퍼, 엔진 냉각 팬 등 자동차 내외장 부품에 널리 사용되고 있습니다. 차체 무게를 줄이고 비용을 절감하는 데 중요한 역할을 합니다.
2. 경량 구조 설계
전기 자동차의 구조는 복잡하고 다양합니다. 경량 구조 설계를 달성하기 위해 업계 엔지니어들은 차체, 섀시 등 다양한 측면에서 최적화 연구를 수행합니다, 배터리 팩 케이스페달, 좌석 등 다양한 구성 요소를 최적화합니다. 크기 최적화, 모양 최적화, 토폴로지 최적화, 통합 최적화를 비롯한 주요 접근 방식을 통해 구성 요소마다 다른 최적화 방법이 사용됩니다.
크기 최적화: 크기 최적화에는 단면적과 두께를 최적화하는 동시에 구조 구성 요소의 전반적인 성능을 보장하는 것이 포함됩니다.
모양 최적화: 이는 재료 효율성을 높이고 불균일한 힘 분포를 줄이기 위해 구조 부품과 구멍의 모양을 최적화하는 것을 말합니다.
토폴로지 최적화: 토폴로지 최적화는 구조 구성 요소와 인접한 구성 요소 간의 방향 관계를 기반으로 설계 영역을 나눕니다. 다른 부품과 간섭을 일으키지 않고 제약 조건에서 기계적 성능 파라미터를 기반으로 목표 함수를 설정합니다. 궁극적으로 최적의 재료 분포와 최적의 전달 경로를 제공하므로 경량화를 위한 가장 유망한 방법 중 하나입니다.
통합 최적화: 다양한 기능을 단일 부품에 통합하면 연결 지점과 부품 수를 줄여 전체 차량 중량을 줄일 수 있습니다.
배터리 팩 케이스에서는 구조에 사용되는 스탬핑 재료의 두께를 줄일 수 있습니다. 조립을 위해 외부 리브와 결합하면 배터리 팩의 구조적 특성을 단순화하고 무게를 줄이며 배터리 팩의 밀봉과 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다. 하지만 이 배터리 어셈블리에는 효과적인 배터리 열 관리 시스템이 없기 때문에 극한의 환경 조건에서 성능이 저하될 수 있습니다. "스케이트보드" 배터리 팩 디자인이 대표적인 예로, 배터리 팩이 차량 하체와 매끄럽게 통합되어 공간을 크게 절약할 수 있습니다. 또한 차량의 프레임이 배터리 팩을 보호하므로 이러한 설계 구조는 전기차 배터리 팩 설계의 주요 트렌드가 되었습니다.
3. 경량 제조 공정
레이저 용접, 유압 성형, 핫 스탬핑, 통합 다이캐스팅과 같은 첨단 제조 공정을 활용하면 더 가볍고 강도가 높은 부품을 생산할 수 있습니다.
레이저 용접: 레이저 용접은 크기가 작고 모양이 복잡한 부품을 고품질로 용접할 수 있는 매우 정밀한 방법입니다. 이러한 높은 정밀도는 더 가볍고 컴팩트한 부품을 제조하는 데 도움이 되어 차량의 전반적인 경량화를 향상시킵니다. 또한 발생되는 열이 상대적으로 적기 때문에 주변 지역에 미치는 열적 영향이 줄어듭니다. 특히 알루미늄 합금과 같은 경량 소재를 사용하여 제조된 부품의 경우 용접 부위의 열 변형을 최소화하여 전체 구조에 대한 변형의 악영향을 줄일 수 있습니다.
유압 성형: 유압식 시스템은 기존의 기계식 변속기 시스템에 비해 더 콤팩트하여 부품의 수와 무게를 줄일 수 있습니다. 따라서 전체 차량 중량을 줄이고 에너지 효율을 개선하며 전기 자동차의 주행 거리를 연장하는 데 도움이 됩니다. 또한 유압 시스템은 전력 밀도가 높아 상대적으로 작은 부피에서 더 많은 전력을 공급할 수 있습니다. 따라서 유압 시스템은 전기 자동차에서 강력한 구동력을 제공하는 동시에 전기 모터의 부담을 줄여 경량 설계에 기여할 수 있습니다.
핫 스탬핑: 핫 스탬핑은 고온에서 금속판을 성형하는 공정입니다. 이 기술을 사용하면 금속판을 보다 정밀하게 성형할 수 있어 과도한 재료 사용을 줄이고 전체 차량 무게를 줄이는 데 도움이 됩니다. 또한 금속 시트의 성형성을 높여 성형 한계를 향상시킵니다. 이를 통해 제조업체는 필요한 강도와 강성을 유지하면서 더 얇고 가벼운 부품을 설계할 수 있습니다.
4. 경량화를 위한 배터리 기술 혁신
고에너지 밀도 배터리: 지속적인 연구 개발을 통해 리튬-황 배터리, 전고체 배터리 등 에너지 밀도가 높은 배터리를 개발하여 배터리 시스템의 전체 무게를 줄이는 것을 목표로 하고 있습니다.
스마트 배터리 관리 시스템: 고급 배터리 관리 시스템을 도입하면 충전 및 방전 프로세스를 더욱 정밀하게 제어할 수 있어 배터리 효율성이 향상되고 수명이 연장됩니다.
전기 자동차 산업의 번성하는 발전에서 경량화 기술은 깨끗하고 효율적인 운송 수단을 만드는 데 핵심적인 역할을 하고 있습니다. 소재 혁신, 구조 최적화, 첨단 제조 공정, 배터리 기술 혁신을 통해 전기 자동차는 더 가볍고 효율적인 성능을 달성하여 주행 거리와 전반적인 효율성을 향상시켰습니다. 이러한 일련의 혁신은 전기 자동차의 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 환경적으로 지속 가능한 운송 수단의 미래 발전을 위한 토대를 마련합니다.
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