자동차용 전선과 커넥터

저자 소개
김민복 교수는 현대전자(주) 자동차 전장품 생산기술 과장을 거쳐 현대자동차 자동차 품질조사 고객지원 팀장을 역임했다. 그후 현대자동차 정비기술지원 하이테크팀에서 근무했으며, 현재 신흥대학교 자동차과 겸임 교수 겸 e-자동차 전기 연구원으로 활동하고 있다. 주요 저서로는 ‘최신 자동차 전기, 전자 제어 엔진’ 외 다수가 있다.
 

연재순서 1. 자동차의 전장품 분류  2. 시동장치 3. 충전장치  4. 점화장치 5. 등화장치  6. 계기장치 7. 자동차용 전선과 커넥터  8. 전자 제어 엔진(1) 9. 전자 제어 엔진(2)  10. 전자 제어 섀시(1) 11. 전자 제어 섀시(2)  12. 전자 제어 전기

개요

최근 자동차는 소재 기술의 발달과 IT 기술의 접목으로 전장화가 급속히 진행되고 있다. 편의장치는 물론 환경과 안전을 획기적으로 혁신한 새로운 신제품이 빠르게 적용되고 있음을 우리는 신차 출시를 통해 접할 수 있다.

전장품의 증가는 전선량의 증가로 이어지고 전장품의 전기적 접속구 역할을 하는 커넥터의 수량 증가로 이어지게 된다. 차량에 적용되는 전선의 총 길이는 차량 1대 당 평균 약 1500 m에 이르며, 커넥터는 차종에 따라 대략 400~700개 정도가 사용된다. 전선과 커넥터의 양적인 증가를 억제하기 위해서 같은 기능성 종류의 전장품을 하나로 묶거나 통신망(In-Vehicle Network, IVN)을 활용하고 있기는 하지만, 전장품의 증가는 결국 전선량과 커넥터 수를 증가시키게 된다.

전선과 커넥터의 증가로 전선의 도전성과 접속구의 신뢰성이 확보되지 않으면 여러 가지 전기적인 문제를 유발할 수 있으며 차량의 중량 증가로 이어지게 된다. 이러한 이유로 자동차용 전선은 도체 저항이 낮고 내유성, 난연성, 내마모성 등이 요구되며 또한 가벼워야 한다.

자동차용 전선은 전력을 공급하는 소스와 전장품, 전장품과 전장품 간 전력과 신호를 전달하는 전송망으로 마치 인체에서 신경과 혈관의 역할과 같다. 인체의 신경과 혈관에 이상이 생기면 신체의 중요한 기능이 장애를 일으키거나 치명적인 손상이 일어나는 것과 마찬가지로 자동차에서도 전선의 단락 또는 접속구에 접촉 불량이 발생하면 어느 한 기능이 작동 불능 상태가 되거나 운행중 심각한 문제를 야기할 수 있기 때문에 자동차용 전선은 일반 전선과 달리 난연성이나 내마모성이 우수한 전선을 사용하도록 규정하고 있다. 따라서 자동차용 전선은 사용환경 조건에 따라 차량 실내에 사용하는 자동차용 저압 전선과 엔진룸(engine room)과 같은 고온 환경에 견딜 수 있는 자동차용 저압 전선을 구분하여 사용한다.

자동차의 소스 전원으로부터 공급되는 전원은 소스로부터 차량의 전단에서 후단까지 여러 가지 구동 부하를 공급하도록 되어 있기 때문에 자동차의 전선은 사진 1, 2와 같이 전선과 전선의 묶음, 즉 와이어 하니스(wire harness: 전선의 다발)로 실장되고 있다.

이 와이어 하니스의 전선수와 길이는 전장품의 배치, 제조공정의 공수 등과 밀접한 관계가 있어 차종별 와이어 하니스의 가지(branch)로 구분하여 조립한다. 보통 와이어 하니스는 그림 1과 같이 엔진룸 정션박스(junction box)와 점화스위치 등을 통해 각 와이어 하니스 가지로 전원을 공급하기 위한 메인 와이어 하니스와 엔진룸 정션박스나 점화스위치를 통해 시동회로와 전조등 회로 등에 전원과 신호를 전송하기 위한 엔진 와이어 하니스, 그리고 메인 하니스나 실내 정션박스를 통해 클러스터와 AV 시스템에 전원과 신호를 전송하기 위한 인스트루먼트 와이어 하니스, 메인 와이어 하니스나 실내 정션박스를 통해 도어스위치 등의 전원과 신호를 전송하기 위한 도어 와이어 하니스, 메인 와이어 하니스나 실내 정션박스를 통해 리어 콤비네이션 램프(Rear Combination Lamp) 등에 전원과 신호를 전송하기 위한 리어 와이어 하니스 등으로 나누어져 있다.

자동차용 전선의 구분

자동차용 주전원 전압은 DC 12 V와 DC 24 V의 낮은 직류 전압으로, 적용되는 전선 또한 저압 전선이 적용되고 있다. 자동차용 저압 전선은 차량 실내에 적용되는 자동차용 저압 비닐 전선(Automobile Vynil, AV)과 엔진룸과 같이 고열 부위에 적용되는 자동차용 저압 내열선(AVX), 그리고 신호전달용이나 전기적인 노이즈 차폐용 전선으로 자동차용 저압 비닐 절연 쉴드선(Automobile Vynil Shield wire, AVS) 등으로 보통 구분하고 있다.

자동차용 저압 전선(AV)의 도체로는 전기용 연동선이나 주석 도금 연동선을 사용하므로 내유성이 뛰어나 작업성이 좋고, 습기에 노출되기 쉬운 외부에는 주석 도금하여 부식성을 개선한 전선이 사용되고 있다. 자동차용 저압 전선 피복은 가벼우면서 난연성, 내마성이 우수하고, 피복에 착색이 쉽고 선명하여 전선의 색상 식별이 쉬운 PVC (Polyvinyl chloride: 염화비닐) 전선을 주로 사용하고 있다. 최근에는 같은 전류 용량의 PVC 전선이라도 규격이 작고 밀집화된 전선을 사용하여 전선의 체적과 중량을 크게 감소시킨 박육형 전선이 사용되고 있다.

자동차의 엔진룸과 같이 고온 부위에 설치되는 내열선은 PVC 내열선과 폴리에틸렌(polyethylene) 전선이 주로 사용된다. PVC 전선은 내열성을 향상시키기 위해 X-조사를 하여 보통 내열온도 90 ℃ 이하 온도에 적용되고 있다. PVC 전선은 내유성, 난연성, 기계적 강도 등이 우수하며, 폴리에틸렌 전선은 내한성, 내열성이 우수하여 내열 온도 90 ℃ 이상에 적용되고 있다. 이밖에도 신호전송용 전선이나 외부 잡음에 강한 쉴드선에도 PVC 전선이나 폴리에틸렌 전선이 사용되고 있다.

저압 비닐 절연 쉴드선(AVS)에 적용되는 전선은 연동선이나 부식성이 우수한 주석 도금 연동선을 사용하고, 내유성, 내한성, 난연성, 기계적 강도가 우수한 PVC 쉴드선을 많이 사용하고 있다. 자동차용 저압 전선에는 도체 저항이 비교적 작은 연동선을 사용하고 있지만 전류가 흐르면 도체 저항분만큼 주울열이 발생하게 돼 전선 규격으로는 표 2와 같이 40 ℃를 기준으로 한 허용전류치를 요구하고 있다. 일반적으로 도체는 온도가 상승하면 전선의 저항도 상승하게 돼 온도상승에 따른 전류 감소율은 급격히 떨어지게 된다. 또한 자동차용 저압 전선은 내유성을 높이기 위해 소선을 합쳐 놓은 연동 연선을 사용하고 있어 소선수의 감소는 결국 전선의 감소로 이어져 작업중 소선의 단선을 1~3개 이하로 제한하고 있다. 실제로 전선의 허용전류가 문제되는 경우가 있는데, 이러한 경우에는 사후관리를 담당하는 A/S 부분에서 원인을 추적하는데 애를 먹는 경우를 볼 수 있다.

보통 소전류용 전선은 5 A 이하인 전자제어장치의 입력부 신호용이나 제어용 전선에 주로 사용되며 일반 소전류용 전선은 15 A 이하인 솔레노이드 부하나 액추에이터 부하에 사용된다. 중전류용 전선은 40 A 이하인 구동 모터나 등화 회로에 사용된다.

자동차용 전선은 전선의 색상에 따라 사용하는 계통이나 회로를 구분하고 있으며(표 4), 이에 따라 회로설계나 사후관리 시 혼선 예방 및 작업의 효율성을 높여주고 있다. 자동차용 전선의 바탕색(또는 기준색)이 적색인 경우에는 전원 라인임을 의미하며, 흑색인 경우에는 접지 전선임을 의미한다. 또한 녹색의 경우에는 신호 라인의 전선임을 의미하며 황색인 경우에는 계기장치 또는 에어백 장치의 전선임을 의미한다.

보조색의 경우에는 새로운 전장품의 증가로 인해 표시하고자 하는 색상이 증가하고 있어 표준화된 색상이라도 각 완성차 메이커마다 차이가 있으며, 차종에 따라서도 통일하기 쉽지 않다. 따라서 완성차 메이커는 현재의 전장 시스템을 고려하여 전선 색상이 적용되는 장치나 회로의 성격에 따라 생산성을 향상시키기 위한 표준 모델을 재정립할 필요가 있다.

자동차용 커넥터

커넥터의 조건
자동차용 커넥터는 와이어 하니스의 전선과 전선, 와이어 하니스의 전선과 전장품을 결합하여 전기회로를 구성하는 접속구 역할을 하는 부품으로 커넥터의 터미널과 터미널 간 접촉이 확실히 이루어져야 한다. 보통 커넥터의 터미널은 그림 2(b)와 같이 텝 터미널(tap terminal)과 리셉터클 터미널(receptacle terminal, 전기연결단자 중 음극)이 결합돼 도체가 접촉하게 되는데, 이때 점접촉이나 선접촉에 의해 접촉면에 저항이 증가하면 흐르는 전류는 제한되어 전기적으로 문제를 일으키게 된다. 전류의 흐름이 큰 곳에 접촉저항이 증가하면 접촉 부위는 주울열에 의해 커넥터 하우징이 변형되기도 하고, 심한 경우에는 커넥터와 전선이 소손되는 경우도 발생하게 된다.

전류의 흐름이 작은 곳이라도 접촉저항이 증가하면 오동작이 일어나거나 시스템 동작이 불안정하게 된다. 또한 커넥터가 차량 외부에 노출돼 있는 경우라면 기후나 주변 환경에 따라 터미널 접촉면이 산화되어 접촉저항을 증가시키게 된다. 따라서 자동차용 커넥터의 경우 터미널과 터미널의 접촉은 접촉 면적이 충분하도록 면접촉 되어야 하고 차량의 진동에도 충분히 견딜 수 있는 구조를 갖춰야 하며 터미널에 접촉면이 부식되지 않아야 한다. 특히 자동차용 커넥터는 진동이나 기후 변화에도 접촉저항에 의한 불안전 동작이 일어나지 않아야 하므로 내진동 시에는 수 Hz~수백 Hz까지의 진동시험에서 1 ㎲ 이하의 순간 단선도 일어나서는 안되는 엄격한 규격을 요구하고 있다. 일반적으로 자동차 커넥터의 터미널과 터미널 사이의 접촉저항은 3 mΩ~10 mΩ 범위이며 제조사의 커넥터 종류와 터미널의 재질에 따라 허용온도 범위는 -40 ℃~120 ℃ 범위이다.

커넥터의 종류
커넥터의 구분은 터미널의 접촉수에 따라 단극 커넥터와 다극 커넥터로 구분한다. 이 중 자동차용 커넥터는 주로 다극 커넥터를 많이 사용하며 소형과 중형, 대형 다극 커넥터로 구분하고 있다. 또한 커넥터의 사용목적에 따라 바디 전장계 커넥터, 새시 전장계 커넥터, 파워트레인 전장계 커넥터, 세이프티(safety) 전장계 커넥터, 인포메이션(drive information) 전장계 커넥터 등으로 구분한다. 커넥터의 실장 위치에 따라서는 비방수용 커넥터와 방수용 커넥터(waterproof connectors)로 구분한다.

방수용 커넥터는 그림 3과 같이 커넥터와 커넥터가 결합 시 물이나 습기가 침투하지 않도록 고무로 된 내부실(inner seal)이 사용되고, 터미널와 전선 사이에 고무나 실리콘으로 된 와이어 실(wire seal)을 삽입하여 방수하고 있다. 방수용 커넥터는 주로 물이 침입하기 쉬운 엔진룸이나 휠(wheel) 부위, 그리고 바디 외부와 전선이 결합되는 곳에 접속구로 사용 한다. 또한 방수용 커넥터에 사용되는 터미널은 습기에 노출돼 부식되지 않도록 주로 주석 도금된 터미널을 사용하여 부식을 예방하고 있다. 커넥터의 내부 구조를 살펴보면 wire to wire connector에 사용되는 커넥터 구조는 그림 4와 같이 플라스틱 하우징에 터미널이 삽입되어 있는 구조이다. 하우징에 삽입된 터미널은 빠져 나오지 않도록 잠금쇠(shoulder) 또는 걸쇠(lance)가 있어서 터미널의 모양이나 형태에 따라 블레이드 커넥터(blade connector), 탕 커넥터(tang connector), 록킹 웨지 커넥터(locking wedge connector) 등으로 다양하게 구분하고 있다.

또한 자동차용 커넥터는 커넥터 하우징과 하우징이 이탈되지 않도록 걸쇠(latch)를 설치하고 있어 걸쇠의 수에 따라 한 개의 걸쇠 타입(single locking type)과 2개의 걸쇠 타입(double locking type)으로 구분한다. 커넥터 하우징 재질로는 가볍고 성형이 쉬운 나일론 수지나 PBT(Poly Butylene Terephthalate) 수지 등이 사용되며, 이러한 수지는 가연성이어서 비교적 낮은 온도에서도 변형되기 쉬워 낮은 온도 부위에 사용된다. 커넥터의 형상과 구조는 커넥터의 사용환경과 터미널의 밀림방지나 접촉면의 압착을 개선하기 위해 최근에 다양한 커넥터가 개발되고 있으며 다양한 종류의 형상과 형식의 커넥터가 크게 증가하고 있는 추세이다.

커넥터의 결합에 의한 불량은 주로 커넥터의 체결에 의한 불량이나 터미널의 밀림현상에 의한 결함으로 나타나는 데, 전자는 주로 조립 시 발생하는 경우라면 후자는 주로 전선의 리페어(repair) 과정에서 발생하는 경우가 많다. 전선의 리페어 과정에서 발생하는 불량은 기계적 조립과정보다는 사람의 실수로 발생한다. 압착된 터미널은 커넥터 하우징에 삽입되면 하우징의 잠금쇠에 록킹 탕 또는 걸쇠에 의해 잠겨 낚시바늘과 같이 고기가 낚시바늘에 걸려 빠져 나오지 못하게 되는 구조를 가지고 있지만 전선에 무리한 힘이나 터미널의 교정작업 중 하우징 잠금쇠가 손상되면 터미널은 쉽게 밀리게 된다. 따라서 터미널의 교정작업은 반드시 숙련된 사람이 커넥터에 맞는 특수 툴을 이용하여 교정해야 한다. <끝>

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