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铝导线—汽车轻量化的潮流之一

来源:线束世界


原创 周庆文


汽车轻量化一直是汽车界研究的热点,作为汽车神经系统的线束是电气设备中重要的组成部分,是绝对不可忽略的。线束的轻量化能够有效降低整车的重量,达到提高燃油经济性和减少排放的目的,并且在汽车的其他使用性能方面也得到提升,同时它还可以降低线束的成本。铝导线技术现在成为一个研究方向及潮流,今天我们就来聊聊这个铝导线。


01


铜导线和铝导线的技术经济性分析


首先,铝(Al)的重量比铜(Cu)轻三分之二左右,这种轻型材料可以降低电缆线束的整体重量。即使考虑到导电性和密度的关系,具有相同电阻的铝线仍然比同等的铜线轻50% 左右。这种减重对于降低燃料消耗具有重要作用,此外还能减少二氧化碳排放。轻型结构对于具有备用驱动系统的车辆(混合或电动汽车)来说同等重要,在电动模式下,可大大增加车辆行驶里程,从而有助于减小蓄电池的大小和重量。


图 | 铝导线


其次,铝是一种供应量充足、容易获取的导电用的基础材料,而铜的资源有限,属于“投资型”金属。这意味着铝的价格将相对稳定且低于铜的价格,对成本有着比较好的控制。粗略比较,铝的价格约为铜的价格的三分之一。


02


铝导线选择原则


固定敷设用的布电线一般采用铜线芯。


(1) 导体材料应根据负荷性质、环境条件、市场货源等实际情况选择铜芯或铝芯。




(2) 下列场合不应采用铝芯线缆:


a)需要确保长期运行中连接可靠的回路,如重要电源、重要的操作回路及二次回路、电机的励磁回路等;


b)移动设备的线路及振动场所的线路;


c)对铝有腐蚀的环境;


d)高温环境、潮湿环境、爆炸及火灾危险环境;


e)应急系统及消防设施的线路;


f)工业及市政工程、户外工程的布电线(分支配电线);


g)非熟练人员容易接触的线路,如公共建筑与居住建筑;


h)线芯截面6mm2及以下的电缆。




(3) 下列场合应采用铝导体:


a) 对铜有腐蚀而对铝腐蚀相对较轻的环境;


b) 氨压缩机房。


c) 架空输电线路;


d) 较大截电的中频线路。


03


铝导线的种类和应用


基于铝导线的特点,铝导线厂家开发了多种形状的铝导线,主要应用有下面三种,选择铝导线时除了像铜导线考虑其电气性能,还需要根据所用区域的空间,周边环境等因素综合考虑。



图 | 铜导体


铝导体线束的体积比铜导线要大,在线束布置时是需要考虑线束的安装空间。对于大平方铝导线主要在一些设计中考虑铝导线从车身下面通过,有效节约车内空间。铝导线的塑性优于铜导线,根据安装要求,可以将铝导线压制成型,与车身完全贴合,节省了车内空间,提高了产品的可靠性。铝导线的韧性比铜差,在选用铝导线时,需要尽量避免用在高频振动的区域,一般发动机线束不选用铝导线。


04


铝导线的种类和应用


铝作为导线材料,除了强度之外,还有其他一些不利属性需要考虑:


1.该轻质合金在机械负载下从80℃左右开始出现蠕变趋势加剧,而铜要在230℃以上才会在一定程度上出现这一现象。因此,线束上铝和铜的连接点必须做特殊设计,从而保证产品生命周期内不丧失电气性能。


2.如果铝—铜连接点处出现潮气,铜(0.3V)和铝(-1.69V)之间就会出现电位差,导致两种金属中较活泼的金属—铝发生溶解。我们必须采取措施防止这种不良效应。


3.铝是一种韧性金属,对折弯很敏感。铝的机械强度只有铜的三分之一。用作导线材料时,为了达到电线本身以及连接点的拔出力强度要求,必须考虑这些属性。拔出力由汽车制造厂商决定,一般标准规定为60 至90牛顿之间。


4.另一个技术挑战就是铝会形成致密并且极其坚硬的氧化层。该氧化层在保护材料不受循环腐蚀的同时,还兼有很强的绝缘特性。因此,要实现良好的电气连接,需要在压接时彻底破坏氧化层。



图 | 铝导线


有部分厂家没有放弃铝导线的使用,继续研究其合金的拉伸强度是否可以弥补其纯铝导线的不足。例如以某导线生产厂家的铝导线开发为例。为满足0.75mm2的铝导线可代替0.5 mm2的铜导线为目标,设定铝导线,金导线的导电率目标满足58%IACS,拉伸强度目标满足110Mpa。虽然纯铝的导电率能达62%IACS,但其拉伸强度只有70MPa。那么就需要在铝导线内增加第二种金属,最优是铁,但是分析铁的比例后发现满足导电率的要求后加工性能下降。所以继续增加第三种金属,第三种元素既要满足加工性能对铁缺陷的补偿即MS要小,又要拉伸强度的固溶量要高,所以镁恰恰合适。


这样掺有另外两种金属的铝合金就很好的替代了铜合金导线,即在导电率和拉伸强度上满足了设计要求,也大大降低了导线的重量。但是同时也面临一个问题,那就是与之配合的端子及端子的压接成为了新的课题。



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