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        汽車鋁導(dǎo)線的應(yīng)用分析

        2022-10-27 06:51:36魏文耀王永超李周義李桂軍馬紅飛
        汽車電器 2022年10期
        關(guān)鍵詞:汽車

        魏文耀,王永超,李周義,李桂軍,馬紅飛

        (河南天海環(huán)球電器有限公司研發(fā)部,河南 鶴壁 458030)

        汽車線束作為汽車的血管和神經(jīng)系統(tǒng)在整車的占比非常大,是目前汽車零部件中必不可少的同時也是價值最高的零部件。在整車質(zhì)量中也已達(dá)到5%左右,隨著當(dāng)前汽車電動化、智能化的推進(jìn),線束在整車質(zhì)量中的占比還在逐步增加。在汽車電動化和“碳中和”大形勢下,線束的減重已成為當(dāng)務(wù)之急。

        1 汽車鋁導(dǎo)線的應(yīng)用原因

        汽車導(dǎo)線一貫是以銅為導(dǎo)體材料,用銅絞線作為導(dǎo)體,具有低電阻、高熱傳導(dǎo)率、高機(jī)械強(qiáng)度,而且加工容易,技術(shù)成熟。但是近年來銅金屬的價格持續(xù)上升,使用銅金屬做導(dǎo)體的汽車導(dǎo)線的成本急劇增加,中國每年需要進(jìn)口大量的銅,銅的價格受國際市場影響波動非常大,導(dǎo)致汽車線束成本居高不下。

        金屬鋁作為一種導(dǎo)電率僅次于銅的金屬材料,具有密度小、成本低、儲量大等優(yōu)勢,與銅相比有更輕的質(zhì)量,更低的成本,更穩(wěn)定的市場價格,可以作為傳統(tǒng)汽車線束使用的銅導(dǎo)線的替代方案。

        鋁導(dǎo)線在汽車的應(yīng)用中,鋁的電阻率為27.8,銅的電阻率為17.24。因?yàn)殇X的電阻率大于銅,所以需要通過增加鋁導(dǎo)線的線徑來滿足整車電路的電阻要求。同時因?yàn)殇X的比重為2.7kg/m,銅的比重為8.89kg/m,即使鋁導(dǎo)線在增加相應(yīng)的截面積后,也能實(shí)現(xiàn)減重約30%左右。

        在價格方面,當(dāng)前鋁價為18000元/噸,銅價為70000元/噸,并且銅價還在持續(xù)上漲,在同等替代條件下,鋁導(dǎo)線比銅導(dǎo)線降低成本約35%。

        所以在汽車線束領(lǐng)域,用鋁導(dǎo)線對傳統(tǒng)銅導(dǎo)線進(jìn)行替代有很大的成本及減重優(yōu)勢,輕量化是汽車線束的發(fā)展趨勢之一,鋁導(dǎo)線的應(yīng)用有利于線束輕量化。

        2 鋁導(dǎo)線應(yīng)用選型

        鋁導(dǎo)線等效替代必須考慮與被替代的銅導(dǎo)線有相類似的導(dǎo)電率、載流能力、降額曲線等特性,圖1列舉了可考慮等效替代的鋁導(dǎo)線和銅導(dǎo)線規(guī)格的對照表,此表只做參考,具體應(yīng)用時需進(jìn)一步驗(yàn)證確認(rèn)。

        圖1 鋁線和銅線對比

        目前行業(yè)內(nèi)普遍使用的銅導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)為ISO 6722-1,鋁導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)為ISO 6722-2。鋁導(dǎo)線等效替代必須考慮與被替代的銅導(dǎo)線有相類似的導(dǎo)電率、載流能力、降額曲線等特性,由此做到替換導(dǎo)體材質(zhì)而保持原有的電路保護(hù)策略。

        3 面臨的問題

        1)電化學(xué)腐蝕問題。銅和鋁分屬于不同的元素,銅的金屬惰性要大于鋁,即銅的化學(xué)活性要比鋁低,這樣兩種金屬連接后通電會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)(在有水、二氧化碳及其他雜質(zhì)時,會形成電解液,構(gòu)成化學(xué)電池的必備條件。由于鋁易于失去電子成為負(fù)極,銅難以失去電子成為正極,于是在正負(fù)極之間就形成了一個1.69V的電動勢,并有一個很小的電流通過,腐蝕鋁線,即所謂的電化腐蝕,這樣就會引起銅鋁之間接觸不良,接觸電阻增大。當(dāng)有電流通過時,將使接頭部位溫度升高,而溫度升高又加速了接頭腐蝕,增加了接觸電阻,造成惡性循環(huán),直至燒毀),導(dǎo)致鋁線逐漸被氧化,降低鋁線的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性。

        2)蠕變問題。熱膨脹系數(shù)不一樣,先看熱膨脹系數(shù)數(shù)據(jù):銅0.0000165,鋁0.0000236,在汽車運(yùn)行環(huán)境中,隨著溫度高低的變化,銅和鋁不同的熱膨脹系數(shù)會造成連接區(qū)域逐漸形成空洞,降低了導(dǎo)線連接區(qū)域的電性能,增加了接觸電阻,在通電情況下發(fā)熱,造成惡性循環(huán),直至燒車。同時空洞降低了機(jī)械強(qiáng)度,在車輛振動情況下,造成車輛斷路,存在安全隱患。

        3)導(dǎo)線連接處電性能問題。金屬鋁在空氣中與氧反應(yīng)很快生成一種氧化膜,而此氧化膜在保護(hù)金屬鋁不受進(jìn)一步氧化腐蝕的前提下同時也造成了連接處的電阻增大。因?yàn)榇搜趸殡姷牟涣紝?dǎo)體,增加了連接處的連接電阻,影響汽車電信號和能量傳輸,造成連接處發(fā)熱。

        4 解決方案

        基于以上鋁導(dǎo)線在汽車線束中的應(yīng)用遇到的問題,需主要解決端子和連接的問題。

        特殊端子為通過采用摩擦焊接方式加工的銅鋁端子(圖2)。摩擦焊接是指端子銅端通過摩擦焊接與鋁端壓接區(qū)域經(jīng)過摩擦焊接連接形式,解決銅鋁連接的問題。

        圖2 銅鋁端子

        銅鋁端子的銅端與鋁端通過摩擦焊接相連接,在摩擦焊接過程中形成銅鋁合金過渡區(qū),有效解決了銅鋁之間的電化學(xué)腐蝕和金屬蠕變的問題。

        銅鋁端子的鋁端通過液壓壓接與鋁導(dǎo)線相連接,在壓接過程中有效破壞了鋁導(dǎo)線和鋁端的表層氧化膜,形成了鋁金屬間的有效連接,達(dá)到了電氣性能預(yù)期。同時經(jīng)過液壓壓接,有一定的保壓時間,釋放了壓接時產(chǎn)生的應(yīng)力,形成鋁端和鋁導(dǎo)線之間的冷焊狀態(tài),得到了很好的保持力,滿足了機(jī)械性能預(yù)期。

        目前對大平方鋁導(dǎo)線應(yīng)用方面,通常是兩種連接方式,這也是針對兩種不同端子的設(shè)計采用的兩種不同的連接方式,分別是針對銅鋁管狀端子連接鋁導(dǎo)線的四方壓接方式,還有針對銅端子和鋁導(dǎo)線連接的超聲波焊接方式。

        1)四方壓接方式。這種壓接方式是利用銅鋁端子的鋁壓接端和鋁導(dǎo)線進(jìn)行壓接,使兩種形態(tài)但相同材質(zhì)的鋁通過特殊的壓接工具壓接在一起,鋁和鋁電性能和機(jī)械強(qiáng)度相同,更能保證壓接后的完美融合,從而降低電阻,這種壓接方式也是一直沿用至今的,而且從端子設(shè)計和壓接工藝上也一直在進(jìn)行優(yōu)化,目的是端子鋁端套筒變得更短,但不降低壓接可靠性的壓接工藝。如圖3、圖4所示。

        圖3 預(yù)期狀態(tài)

        圖3 銅鋁端子壓接優(yōu)化

        圖4 銅鋁端子壓接優(yōu)化剖視圖

        2)超聲波焊接方式。超聲波焊接是近年來引進(jìn)線束加工行業(yè)的一種新興的加工技術(shù)。利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面,在加壓的情況下,使兩個物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。銅鋁超生波焊接如圖5所示。

        圖5 超聲波焊接鋁線銅端子

        銅和鋁作為兩種不同的金屬有一個共同的特點(diǎn),在金屬結(jié)構(gòu)上它們同屬面心立方結(jié)構(gòu),這就為兩者通過超聲波焊接的可能性提供了契機(jī)。在加壓的情況下,通過高頻振動波,鋁導(dǎo)線中單絲鋁表面氧化層被破壞,單絲鋁之間形成了冷焊狀態(tài),融為一體,鋁導(dǎo)線和銅端子焊接表面完成了原子間的互換侵入,形成了銅鋁合金過渡層,形成了鋁導(dǎo)線和銅端子的冷焊狀態(tài)。

        通過超聲波焊接工藝,解決了銅鋁之間的電化學(xué)腐蝕、金屬蠕變、連接處的電性能等問題。

        目前摩擦焊加壓接和超聲波焊接的連接形式已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)主流的解決汽車鋁導(dǎo)線應(yīng)用的方案,有些汽車廠使用的是摩擦焊加壓接的連接形式,一些新能源、新勢力造車使用的是超聲波焊接的連接形式。鋁導(dǎo)線在低壓線束領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛推廣。

        在鋁導(dǎo)線的實(shí)際應(yīng)用過程中,因鋁導(dǎo)線替換銅導(dǎo)線導(dǎo)致線徑上的增加,而在整車環(huán)境中,空間布局又是一大難題,整車空間受限。當(dāng)線徑增大時,產(chǎn)生整車零部件干涉風(fēng)險。

        5 新技術(shù)和工藝方法的改進(jìn)和應(yīng)用

        1)銅線和鋁線混合焊接的方式如圖6所示。這種混合焊接方案適合用于較長的、大平方的蓄電池線的解決方案??梢愿鶕?jù)3D布置階段了解線束的布置走向和空間情況考慮這種方案,比如在一段空間里有寬裕的空間可以容納方案鋁導(dǎo)線的線徑,可以在這段布置空間里設(shè)計應(yīng)用鋁導(dǎo)線,如兩端孔式端子連接電器端的空間有限,可以采取銅線的方案,這樣兩種電線的混合利用就可以完美解決空間不均問題,同樣也是為線束輕量化方向和降低成本方向考慮。

        圖6 鋁線和銅線混合焊接

        2)另外,目前一種軟態(tài)鋁排線可有效解決鋁導(dǎo)線線徑增加導(dǎo)致的空間占用問題,鋁排線如圖7所示。

        圖7 鋁排線

        鋁排線采用實(shí)心鋁扁線結(jié)構(gòu),有效降低了導(dǎo)線整體空間占用,更加貼合車身,同時特殊導(dǎo)體結(jié)構(gòu)降低了導(dǎo)線的加工成本,進(jìn)一步降低了導(dǎo)線成本。鋁排線很可能是未來汽車低壓線束的發(fā)展方向。

        目前汽車電動化、高壓化已成為汽車行業(yè)發(fā)展趨勢,高壓線束以銅導(dǎo)線為主?,F(xiàn)有高壓線束存在導(dǎo)線長度長、導(dǎo)線平方數(shù)大、銅占比高等特點(diǎn)。在整車質(zhì)量中的占比越來越大,而當(dāng)今電動汽車的里程焦慮已成為電動汽車推廣的一大阻礙。通過整車減重,降低里程焦慮是電動汽車必然要解決的問題。

        高壓鋁導(dǎo)線的應(yīng)用對整車線束減重、降本提供了很好的解決方案,目前行業(yè)內(nèi)都在對高壓鋁導(dǎo)線的應(yīng)用進(jìn)行探索,寧德時代、比亞迪等線束主要用戶已經(jīng)在鋁高壓線束的應(yīng)用中進(jìn)行探索,鋁高壓線束未來必然是高壓線束的應(yīng)用方向。

        6 總結(jié)

        綜上所述,鋁導(dǎo)線在汽車行業(yè)內(nèi)作為一種可替換銅導(dǎo)線的優(yōu)秀并經(jīng)過多種驗(yàn)證的方案,將從成本和整車減重角度為汽車行業(yè)的發(fā)展帶來巨大動力。未來電動汽車發(fā)展迅速,高壓線束普遍應(yīng)用在新能源汽車上,鋁高壓線束的應(yīng)用必將為新能源汽車線束的發(fā)展帶來新的思路和發(fā)展方向。

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