王 宇，姚旭東，歐文軍，王思軍

（上汽通用汽車有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430000）

一輛普通轎車上使用的導(dǎo)線用量在1000m左右，其成本占線束材料成本的30%左右 （圖1）。作為汽車線束非常重要的一個(gè)組成部分，導(dǎo)線本身的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)線束乃至整車的電氣性能和機(jī)械性能都會(huì)有很大的影響。本文將通過對(duì)常用的導(dǎo)線絕緣材質(zhì)和導(dǎo)體材質(zhì)的分析來評(píng)估不同使用情況下導(dǎo)線種類的選擇，并對(duì)新形勢(shì)下的導(dǎo)線發(fā)展前景做簡(jiǎn)單的闡述和分析。

圖1 線束材料成本分布

1 導(dǎo)線絕緣層材質(zhì)

導(dǎo)線的絕緣層材質(zhì)的性能決定了導(dǎo)線的機(jī)械性能及熱／化學(xué)性能，目前低壓導(dǎo)線常用的絕緣層材質(zhì)包括聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯 （PP）、聚乙烯 （PE）及其他聚酯類或者氟化高聚物等，耐溫等級(jí)介于85℃至150℃之間。其中聚氯乙烯 （PVC）最高只耐溫125℃，但其流動(dòng)性好、易加工；聚丙烯 （PP）對(duì)環(huán)境友好、但加工相對(duì)困難；而聚乙烯 （PE）需使用添加劑來確保其足夠的機(jī)械性能及熱／化學(xué)性能，加工上需要多一道電子輻照交聯(lián)的工序，最高耐溫可達(dá)到150℃。

針對(duì)最常用的聚氯乙烯 （PVC）、聚丙烯 （PP）、聚乙烯（PE）材質(zhì)做更多維度的對(duì)比分析，如圖2所示?？梢钥闯鼋宦?lián)聚乙烯 （XLPE）的綜合性能更優(yōu)。同時(shí)，結(jié)合材料本身的性能因素及成本考慮，從圖3也可以看出交聯(lián)聚乙烯（XLPE）在可以滿足較高性能的前提下，同時(shí)滿足較低成本的要求。

2 導(dǎo)線導(dǎo)體材質(zhì)

導(dǎo)線的導(dǎo)體材質(zhì)的性能決定了導(dǎo)線的電性能及其拉伸強(qiáng)度等，目前導(dǎo)線常用到的導(dǎo)體材質(zhì)有純銅、銅合金、鋁、銅包鋼等，其中銅合金包括CuAg0.1、CuMg0.2和CuSn0.3等［1］。導(dǎo)線導(dǎo)體材質(zhì)性能對(duì)比詳見表1。

針對(duì)導(dǎo)體的拉伸強(qiáng)度來說，鋁合金和銅合金相對(duì)純銅有更高的拉伸強(qiáng)度，而銅包鋼的拉伸強(qiáng)度最大；針對(duì)導(dǎo)體的電導(dǎo)率來看，純銅的電導(dǎo)率最大，銅合金次之。對(duì)于較大線徑導(dǎo)線的導(dǎo)體選擇，在綜合性能足夠的情況下，價(jià)格是其最主要考慮因素，而純銅相對(duì)銅合金有足夠的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。同時(shí)考慮到表面抗氧化性能，鍍錫銅也是一個(gè)主要的選擇。但對(duì)于0.35mm2以下導(dǎo)線導(dǎo)體的選擇，因?yàn)槠湔w截面過小，機(jī)械性能是其需要考慮的最主要因素，銅鎂合金 （CuMg0.2）和銅鋅合金 （CuSn0.3）相對(duì)來說有比較大的優(yōu)勢(shì)，表2為不同線徑導(dǎo)線的導(dǎo)體選擇。

圖2 導(dǎo)線絕緣層材質(zhì)性能對(duì)比

圖3 導(dǎo)線絕緣層性價(jià)比

表1 導(dǎo)線導(dǎo)體材質(zhì)性能對(duì)比

3 超細(xì)導(dǎo)線的發(fā)展

目前汽車上常用的最小線徑的導(dǎo)線為0.35mm2，其用量占比在20%～35%，如圖4所示。而對(duì)于更小線徑的導(dǎo)線如0.08mm2／0.13mm2／0.22mm2導(dǎo)線，目前多處于探索性階段，實(shí)車的大量應(yīng)用還未出現(xiàn)。其中部分整車廠會(huì)應(yīng)用0.22mm2的導(dǎo)線作為往更小線徑導(dǎo)線的過渡。相對(duì)于0.08mm2或者0.13mm2的導(dǎo)線，0.22mm2有一個(gè)比較大的優(yōu)勢(shì)是可以使用和0.35mm2導(dǎo)線匹配相同的端子及其壓接模具，同時(shí)不會(huì)對(duì)接插件本身及模塊端產(chǎn)生影響，可以在現(xiàn)有設(shè)計(jì)、工藝生產(chǎn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線線徑的降低，達(dá)到減重或降本的目的。但對(duì)于低電流的信號(hào)類回路，最終的方向是往0.13mm2的線徑或者更小的發(fā)展。

表2 不同線徑導(dǎo)線的導(dǎo)體選擇

圖4 整車導(dǎo)線各線徑用量比例分布

圖5 小線徑導(dǎo)線減重比例

相對(duì)于0.35mm2線徑導(dǎo)線，0.13mm2線徑導(dǎo)線在減重上有很大的優(yōu)勢(shì)。從圖5可以看出，可以達(dá)到60%的減重。除減重外，0.13mm2導(dǎo)線的應(yīng)用還有兩個(gè)比較大的優(yōu)勢(shì)：①導(dǎo)線線徑的減小需結(jié)合端子、連接器及模塊端的同步變化，勢(shì)必帶來成本的大幅度降低；②導(dǎo)線線徑的減小會(huì)導(dǎo)致線束直徑的減小，降低線束的安裝難度，減少線束與其他管路的干涉問題。

而針對(duì)0.13mm2線徑導(dǎo)線與0.35mm2線徑導(dǎo)線的對(duì)比分析，可以從中選出最優(yōu)的導(dǎo)體。綜合考慮拉伸性能和電阻兩個(gè)重要指標(biāo)，銅鎂合金和銅錫合金作為0.13mm2線徑導(dǎo)線的導(dǎo)體是最優(yōu)的選擇。

以如下一款T3（125℃）的導(dǎo)線為例 （絕緣層材質(zhì)為PVC，導(dǎo)體材質(zhì)為銅錫合金），其降額曲線如下 （圖6）。

根據(jù)使用導(dǎo)線溫度的范圍，我們可以將整車環(huán)境大致分為3個(gè)部分：①乘客艙區(qū)域，溫度范圍為45～55℃；②前艙（除發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)域外），溫度范圍為70～80℃；③發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)域，溫度范圍為95～105℃。圖6可以看出，如果該導(dǎo)線應(yīng)用在乘客艙區(qū)域，其達(dá)到的電流范圍為5.8～6.2A，可以替代部分當(dāng)前使用0.35mm2導(dǎo)線的情景。

圖6 T3（125℃）導(dǎo)線降額曲線

但是0.13mm2線徑導(dǎo)線當(dāng)前的應(yīng)用范圍依然很小，與下面幾點(diǎn)問題相關(guān)。

1）絞線／焊點(diǎn)：0.13mm2線徑導(dǎo)線暫時(shí)不能應(yīng)用于絞線；且僅用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，不能用于焊點(diǎn)部位。

2）端子：需使用0.64mm尺寸的端子確保壓接性能，且目前不能直接使用0.35mm2導(dǎo)線在用的端子、壓接模具及壓接參數(shù)，需要重新進(jìn)行開發(fā)驗(yàn)證。而驗(yàn)證0.13mm2線徑導(dǎo)線用的端子時(shí)，由于端子壓接過程中導(dǎo)向路徑較小，需要加強(qiáng)對(duì)端子壓接品質(zhì)的有效管控［2］。

3）同步設(shè)計(jì)：導(dǎo)線或者其他任何線束零件無法作為輕量化的單一發(fā)起者，導(dǎo)線線徑的減小需要協(xié)同線束及子零件行業(yè)進(jìn)行變更，只有逐步形成規(guī)?；蟛拍苷嬲龓沓杀旧系膬?yōu)勢(shì)。

4 汽車對(duì)導(dǎo)線的影響

4.1 汽車電動(dòng)化導(dǎo)線應(yīng)用現(xiàn)狀

迫于各國發(fā)布的日益嚴(yán)苛的排放要求，目前各大車企，包括國際車企 （如大眾、寶馬、FCA、豐田、通用）及國內(nèi)車企 （如長安、北汽）都已經(jīng)發(fā)布了汽車電動(dòng)化時(shí)間表，在2025～2030年左右將逐步開始停產(chǎn)或停售部分或者全部傳統(tǒng)燃油汽車，以盡快實(shí)現(xiàn)汽車電動(dòng)化目標(biāo)。

純電動(dòng)汽車相比傳統(tǒng)燃油汽車減少了發(fā)動(dòng)機(jī)，增加了三電系統(tǒng)，體現(xiàn)到導(dǎo)線上就是減少了整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙線束的使用，但鑒于當(dāng)前對(duì)智能互聯(lián)的更高要求，各類功能模塊及其傳感器件的增加恰好抵消了因取消發(fā)動(dòng)機(jī)艙線束而減少的導(dǎo)線用量。同時(shí)因三電模塊而增加了高壓回路的使用，其中包括35～50mm2的大線徑導(dǎo)線。以如下某純電動(dòng)汽車項(xiàng)目高壓線纜應(yīng)用為例，35～50mm2的高壓線纜使用量接近10m，而單純高壓線纜增加的成本在600元以上。某電動(dòng)車型高壓線纜分布如圖7所示。

圖7 某電動(dòng)車型高壓線纜分布

4.2 大線徑線纜的發(fā)展

針對(duì)當(dāng)前大線徑線纜在整車上用量增加及單車成本壓力日增的事實(shí)，大線徑線纜的改進(jìn)應(yīng)用也是日益迫切。我們從以下3個(gè)方面來進(jìn)行闡述。

1）絕緣層的改進(jìn)。相對(duì)于普通低壓小線徑導(dǎo)線，由于高壓需求及本身線徑的增加，高壓線纜的柔韌性要求成為一個(gè)非常重要的指標(biāo)。得益于較高的耐溫等級(jí) （≥175℃）及優(yōu)異的柔韌性能，硅橡膠是目前最常用的高壓線纜的絕緣材料。但相對(duì)于整車150℃的使用要求，實(shí)際設(shè)計(jì)上存在一定的余量，設(shè)計(jì)成本較高。

為了在達(dá)到足夠的機(jī)械性能要求基礎(chǔ)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較低的成本，絕緣層材料的選擇除了價(jià)格較高的硅橡膠外，也有些線纜廠家使用XLPE及其他組合形成的絕緣層。如下三層絕緣層，中間層使用柔韌性較好的熱塑性彈性體，最里層和外層使用XLPE，以滿足機(jī)械性能要求。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，其耐彎折性能接近硅橡膠。特殊絕緣層結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 特殊絕緣層結(jié)構(gòu)

2）屏蔽層的改進(jìn)。如圖9為常用的高壓線纜結(jié)構(gòu)，共分為4層，從外到里分別為護(hù)套、編織+包帶、絕緣層、導(dǎo)體。其中屏蔽層由鋁箔層及銅絲編織層組成，而低頻信號(hào)通過銅絲編織層即可實(shí)現(xiàn)90%的屏蔽率，鋁箔層的作用則是用于高頻信號(hào)的屏蔽及較軟硅橡膠導(dǎo)線的剝皮加工，可以根據(jù)實(shí)際情況決定是否需要在銅絲編織層的基礎(chǔ)上再增加鋁箔。另外，銅絲編織管仍然存在繼續(xù)優(yōu)化的空間，通過使用銅絲和PET復(fù)合編織材料組成編織層取代純銅絲的使用，可以降低銅的用量以達(dá)到降本的目的，同時(shí)還可以減重及增加柔韌性。

圖9 特殊編織屏蔽層結(jié)構(gòu)

3）鋁導(dǎo)體的應(yīng)用。導(dǎo)線成本占整車線束成本的30%左右，而導(dǎo)體的成本又占導(dǎo)線整體成本的50%～80%。鋁的成本為銅的40%，而密度僅為銅的30%左右，因此鋁成為了導(dǎo)線導(dǎo)體理想的替代材料［3］。目前鋁導(dǎo)體在汽車線纜上的應(yīng)用多體現(xiàn)在大線徑的蓄電池線或高壓線上。相對(duì)于銅導(dǎo)體，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在節(jié)省成本和減重上。如表3所示，相同應(yīng)用條件下的鋁導(dǎo)線相對(duì)于銅導(dǎo)線來說，減重比例在20%以上。但鋁導(dǎo)體的應(yīng)用仍然存在一定的問題。

表3 銅導(dǎo)體及鋁導(dǎo)體截面積對(duì)應(yīng)表及減重幅度

鋁導(dǎo)線的連接：鋁導(dǎo)線與端子的連接是通過超聲波焊接的方式，而超聲波焊接是通過高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。這就要求鋁導(dǎo)體的表面的晶粒大小、位錯(cuò)密度等有較高的要求。優(yōu)劣鋁導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖10所示。

整車布置的影響：由于當(dāng)前汽車各項(xiàng)功能的增加，更多導(dǎo)線的使用導(dǎo)致線束整體截面積增加，對(duì)整車的安裝及管路布置造成很大壓力。而鋁導(dǎo)體等效替換銅導(dǎo)體也需要增加截面積，這就需要充分考慮到安裝過程中的人機(jī)評(píng)估及整車管路的布置要求。

圖10 優(yōu)劣鋁導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)對(duì)比

4）鋁排或者銅排的應(yīng)用。目前鋁排或者銅排的應(yīng)用體現(xiàn)在電池組，但作為高低壓線纜已經(jīng)在部分車型上應(yīng)用 （如奧迪A4／Q5車型）。對(duì)于汽車上的12V蓄電池或者輕混48V蓄電池，存在前置或者后置的情況。但當(dāng)蓄電池后置時(shí)，單純的蓄電池電纜的長度可能就超過3m。使用鋁排或者銅排不僅可以通過特定的造型節(jié)省了空間，同時(shí)因?yàn)榧庸すば虻臏p少而進(jìn)一步節(jié)省了成本。

目前鋁排或者銅排僅在艙內(nèi)進(jìn)行使用 （圖11），在橫向的柔韌性、耐彎折性等機(jī)械性能上，相對(duì)于普通的線纜還存在一定的差異。另外，同樣受限于結(jié)構(gòu)及其加工工藝，在鋁排或者銅排上還無法添加屏蔽層，雖然可以通過絕緣層中添加劑的增加來實(shí)現(xiàn)部分屏蔽的效果，但屏蔽效果有限。

4.3 總線發(fā)展對(duì)導(dǎo)線的影響

隨著汽車智能化及互聯(lián)化技術(shù)的發(fā)展，更多的電子模塊（自動(dòng)駕駛輔助／視覺安全應(yīng)用／娛樂系統(tǒng)等）、更大的數(shù)據(jù)傳輸量 （高分辨率數(shù)據(jù)等）、更高的交互需求 （ICM／MGI／ICI之間的相互交互等），對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的帶寬要求。常規(guī)的LIN／CAN／MOST通信已經(jīng)無法滿足其數(shù)據(jù)通信要求，而車載以太網(wǎng)可以滿足高帶寬、高頻率的傳輸要求?？偩€類型對(duì)比詳見表4。

圖11 鋁排在實(shí)車上的應(yīng)用

表4 總線類型對(duì)比

當(dāng)前常用的汽車以太網(wǎng)線主要有以下3種結(jié)構(gòu)類型：非屏蔽雙絞線 （UTP）、屏蔽雙絞線 （STP）和屏蔽平行線（SPP）。如圖12所示，3種結(jié)構(gòu)類型可以覆蓋的傳輸速率不同，目前最常用的為單根線徑0.14～0.35mm2的非屏蔽雙絞線（UTP）和屏蔽雙絞線 （STP），相對(duì)于MOST總線，在具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)的情況下可以實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率。而屏蔽平行線（SPP）因?yàn)榧庸み^程中穩(wěn)定性不足，目前應(yīng)用相對(duì)較少。

圖12 不同結(jié)構(gòu)車載以太網(wǎng)傳輸速率

5 結(jié)論

導(dǎo)線作為線束最重要的組成部分對(duì)整車電路的意義重大，同時(shí)也是汽車實(shí)現(xiàn)新四化目標(biāo)的一個(gè)重要載體。本文以導(dǎo)線為主要研究對(duì)象，介紹了傳統(tǒng)導(dǎo)線及超細(xì)導(dǎo)線的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)當(dāng)前汽車發(fā)展形勢(shì)下高壓線、鋁導(dǎo)線和車載以太網(wǎng)等的發(fā)展及其方向進(jìn)行了闡述。