清观察:铝导线在汽车上的应用

  • 2019-01-18 09:19
  • 来源:电车资源EV江湖

摘要:有别于传统燃油车的低压系统(12V),新能源汽车除了传统的低压系统,其动力系统等都是高压系统。线束为可以简单看做车血管,在信号传输,照明,控制及动力的输入输出(新能源汽车)等方面起着重要作用。

清观察:铝导线在汽车上的应用

【电车资源EV江湖 Bentty李清】汽车线束新能源汽车高压系统市场巨大(本文偏重当前作为火热的新能源汽车市场):2016年中国新能源乘用车市场(包含进口1.2万辆)销量33.6万辆,达到世界份额的45%,同比2015年提升10%;同时2017年中国市场以近80万辆的市场规模领跑全球;2018年中国新能源汽车销量预计在120万。中国新能源乘用车主力车型世界排名表现强势,加之客车市场规模,中国新能源车的产业链规模是世界独有的巨无霸规模。从全球的市场预测来看,2022年乐观的估计在1600万辆,其中半数将出现在中国。而这些新能源汽车中,都必须有高压系统的部件参与,以5--8%新能源汽车的价值来估算,可见这是一块非常巨大的市场蛋糕。当然,从技术的发展趋势来看,线束在整车上是减少的趋势,其标杆可以参考特斯拉model 3上面的技术方面。

蓬勃发展的新能源汽车产业,已经成为一种国家意志,逐渐发展成为不可阻挡的趋势。有别于传统燃油车的低压系统(12V),新能源汽车除了传统的低压系统,其动力系统等都是高压系统。线束为可以简单看做车血管,在信号传输,照明,控制及动力的输入输出(新能源汽车)等方面起着重要作用。

汽车线束材质中以铜导线为主,特别是新能源汽车的动力输入输出,电机电控部分等,随着新能源汽车对成本控制,轻量化等方面的要求,铝导线的发展也非常值得关注。本文简要介绍铝导线在汽车上的应用,抛砖引玉,欢迎讨论。文章主要内容来源业内某位知名的专家,以飨读客。

清观察:铝导线在汽车上的应用

摘要:铝的导电率仅次于铜,而比重还不到铜的1/3,以铝代替传统的铜作为汽车布线的导电材料,可以大大降低车内电气布线系统的重量,减少能源消耗从而减少排放,对车辆的安全、节能和环保都有好处。铝的资源丰富,价格相对低廉 有利于车辆的成本控制。成为一个新的发展趋势。本文分析了汽车使用铝电缆的可行性,方式方法,存在的问题和解决途径。以便于汽车电气布线设计的时的优化和选型。

关键词:铝芯电缆,铝导体,铝汽车电缆,线束,电缆组件。

1.引言

汽车电缆一贯是以铜作为导体材料。用铜绞线作为导体的汽车电线,具有低的电阻,高的热传导率、抗疲劳和机械强度,而且加工容易,技术成熟。近年来,铜金属的价格一升再升,使用铜金属做导体的汽车电线的成本急剧增加,我国每年需要进口大量铜,铜的价格受国际市场影响波动非常大,给汽车电气行业造成很多不确定因素。

我国铝资源极为丰富,价格相对低廉。国内电工用铝和铝合金产品品种齐全,货源充足。以铝代铜是一条降低成本的途径,适合我国的国情。

铝导体用于汽车电线不仅仅降低成本,而且也大大降低重量,对于车辆的安全节能很有好处。现代车辆技术的发展趋向于节约燃料和改善车辆的和尾气排放,另外从安全考虑将蓄电池从引擎盖下目前趋于移到储物仓中。电瓶线长度达6m,要求电阻不大于1mΩ。这两方面都直接与车辆的重量有关,这就提供了一个促进因素去研究,是否有较轻的可用在车辆上的替代物,比如铝。根据资料,轿车上每取得100公斤的质量减少,平均每100公里可节省0.35L燃料和每公里可减9g二氧化碳排放。此外,这种汽车的重量减少是在不影响安全的情况下完成,因此在汽车行业的铝部件的应用大大减少了环境污染,并减少通过汽车尾气管道温室气体的排放。铝的回收很容易,从而可节省95%的原铝生产所需的能源,有助于保护环境。

近年汽车的重量增加已引起人们的重视,尽管事实上,重量会直接转换成燃料的消耗和尾气的排放。这种趋势是来自消费者的喜好和制造商推荐更舒适,更安全的汽车,为改善这些车辆的性能参数而采用大型部件从而使重量增大。

汽车设计引进铝部件的另一个优势是提高了功率重量比,提高了车辆的加速和缩短制动距离。此外,汽车的重量减少可以用较用小的刹车器即可取得满意的刹车性能,即在路面出现紧急事故较轻的车是比较容易控制,从而提高了驾驶人,其他旅客,道路上行人的安全系数。用低成本的铝代替铜材方面国内外都取得了重要突破,而日本在上世纪90年代即已制定了铝汽车电线的标准JASO D603,最新版本是2011版。德国也制定了铝汽车电线的行业标准LV112-2),铝汽车电线的国际标准也在制定中ISO 6722-2)。

2 铝的特性

地壳中约含有8%的铝的化合物,所以铝是最普通的金属元素。铝大多数以铝土矿的形式存在,这里面含有铝和铁的混合物。提炼过程首先转化成氧化铝,然后在熔炉里转化成金属的形式。铝可以与其它元素融合,以获得要求的物理属性,比如铜、镁、硅和锌。铝及铝合金种类众多,应用在汽车导体的铝主要为以下2类,:

电工铝,1350(Al:99.5%),1370(Al:99.7%)

合金铝:1310-50(AiMgSi 合金)8310 等

铝和铜之间的要点比较概括如下:

铝线与铜线在重量和直径相同的条件下,铝线与铜线的长度比10:3。购买1吨铝线体积相当于购买了3.3吨铜线。

铝的电阻率比铜的高,这意味着对于在一个给定的电压降下,铝导体必须有较大横截面积。对应 95,70,50,35mm2 的铜线,铝线的截面积应是:150,120,80,50。

铝的价格比铜便宜得多,比重轻,在相同载流量的条件下,重量降低 50%,成本降低70- 80%。

3.铝导体在汽车电线上的应用分析

a) 电瓶线

电瓶线截面积大。耗铜多,重量重,成本高,并且主要用于发动机舱里,空间开阔,不受体积增大的影响,最适合使用铝导体。电瓶线用铝可以采用价格低廉,性能优良,导电率高的电工铝。

b) 线束原线

线束原线在长度上占有汽车导线的绝对比例,如果采用铝线,为了保证相同的载流量,一般选择的截面积要增大一个等级,外径会随之增大,这样线束的体积会变大从而妨碍装车,对于用线量很多的高档次车辆是不合适的,但对于我国大量存在的低档轿车,卡车和农用车,也应该是可行的。线束用线随着截面积的变小,对于导体的机械性能要求更高,一般要采用合金铝,国外通常使用 131050 铝镁硅合金,这种材料机械强度好,导电率又高,国内是否有合适材料,有待研究。

虽然目前铜包铝线也比较普及,铜包铝材料铜包铝线的加工使用性能更好,拉制相对容易,容易接头,压端子。容易被用户接受。但几个关键因素制约着铜包铝的普及。一是铜包铝不易回收,浪费资源。和循环经济不协调。二是铜包铝价格贵,重量比铝重,综合成本高,重量和成本的减低有限。

4.尺寸、成本、重量分析

采用铝线,一般在规格上提高一个档次,即可满足原有电缆载流量需要,无需改变原有接线端子规格系列,以方便使用。根据铜导体和铝导体的电阻率并结合其密度可以计算出成本节约量。在相同的电阻和载流量下,铝导体和铜导体相比尺寸增大,而重量却降低52%,成本减少86%。

清观察:铝导线在汽车上的应用

5.铝电线存在的问题

5.1 接头的问题

考虑到使用铝作为铜的替代物的关键问题是采用一个可信赖的方式实现电缆与终端端子的互联。几种因素共同促成要做到这点与铜相比更加困难。

1) 当曝露在空气中时,金属铝表面会很快氧化。氧化铝是电气绝缘材料。电缆和接线端之间的表面电阻会显著升高。

2) 铝较低的抗张强度妨碍有效的使用传统的压接技术。尽管最初的压接可能产生一个可接受的电阻。铝在外力作用下冷变形,压接的趋势将最终导致分界面变得不密闭,促使氧化产生。

3) 铝的高延伸系数加剧上面第2部分概括的情况,比如接缝处试验温度从环境条件和通过自加热影响导致偏移。

基于上面概括的铝的特性,遵循以下要点的任何过程都可能会是可行的:

1) 去除铝的氧化面;通过用压接端子接触面替代导体的氧化表面。

2) 确保接缝是无缝的,密闭的;通过填充环氧树脂在终端和负载之间,然后在烤箱里迅速使接缝愈合。

3) 接头稳固,防止冷和热交变:一个全面的粘接剂线形收缩套管提供额外的对周围环境的保护。

5.2 铝线的拉制和绞合和韧炼

铝的加工工艺相对困难,铝的强度低,延展性差。过去拉铝设备只有积蓄式铝拉丝机,效率非常低。目前已经发展到和铜一样可以连续拉制,效率几乎和铜相当,甚至国外已经发展出铝的多头拉丝技术,过去铝线的拉制很少达到1mm以下,目前最小甚至可以达到0.08mm,并在电磁线和编织线上开始使用。我们需要的0.2到0.8mm铝线在国内已经能够生产和提供拉制设备。

铝线的绞制相对困难,过去国内只有正规绞的设备,单丝直径较大。用束绞、复绞生产铝绞线国内没有先例 ,需要探索,对于张力的控制会更严格。一般的束线机可能会难以胜任。如果控制不好,很容易断丝,出席不均,表面发毛。不能正常生产和难于达到表面质量要求,甚至影响电阻,外径和接头和线束加工。对于复绞,可能几乎不可能成功,要么空隙较大,难于接头和端子连接,要们造成表面划伤,甚至断丝。

铝线的韧炼不能太大,基本属于半硬状态,否则机械强度不够,甚至难于加工。韧炼后的铝线,对束线机的要求很高,一般设备难以达到要求,所以即使在国外,也经常采用先绞后退后工艺,退火方式大致有几种:一是电阻是连续退火,和目前的铜线退火一样,这种主要问题是接触轮容易磨坏电线表面;二是感应式退火,和预热器原理一样,和导线接触较少,减轻了摩擦,但这2种方式只是应绞合前退火后小规格的电线绞合后退火,对于绞合后的大截面电线导体,难以找到这么大功率的退火设备。对于电瓶线的绞合后的退火,最现实的办法就是采用传统的地坑退火炉,即使在国外也是如此。

5.3 铝材的选择。

汽车电线选择的铝材不仅要求大电性能好,而且相对有较好的强度和伸率,甚至耐热性能,适合拉制较细的单丝和绞合加工,这样的铝材实际不是纯铝,需要添加少量的镁,硅或者是铁等元素。牌号众多,适应不同需要,不同规格和功能的电线合适的导体用铝牌号,有待于我们进一步研究。而真正的纯铝虽然高达65%的导电率,因机械性能,耐热性能无法满足要求,是不能使用的。

6 结论

综上所述,铝导体在具体的应用中,无论从技术方面还是从降低成本、减轻重量等方面来讲,都是实用、可行的。为了优化由铜转换成铝的潜在好处,应用方面的选择也是关键的。在动力线的特殊区域中使用铝,可能是非常有利的。而铝汽车电线制造的关键在于导体绞制技术如何突破,满足线束加工的需要。

参考资料:

1. “Aluminum Alloys for Wire Harnesses in Automotive Engineering” S. Koch BHM Berg und Huttenmannische Monatshefte vol.152 2007

2.  “Aluminum Power Cable for Automotive Applications” Kevin Foster and Howard Evans LEONI Wiring Systems UK Ltd.2003 SAE International

4. “Standard automotive cables with aluminium conductors” LEONI IN TIME 4/2006

5. “Lightweight: LEONI Aluminium battery cables” LEONI IN TIME 2/2005

8.自動車アルミ化の技術戦略 大久保正男 アルミゥム 12 卷 61 号(2005)

9.自動車用アルミ電線の端子接続技術の開発 三菱电线工业时报 103 号

名词解释:

电工铝(electrical aluminium)

用作电导体的工业纯铝。国际电工委员会规定导电用工业纯铝的最低铝含量为99.5%。

中国的 1050A(L3)就是这种纯度的工业纯铝。其杂质含量不大于(%):Fe0.3、Si0.35、Cu0.015、(Fe+Si)0.45,其他杂质每种 0.03。1050A的导电性能好,电导率为62%/IACS,相当等重量铜电导率的两倍;导热性能好,蓄热小,散热性强;塑性高,易加工成很细的电线和很薄的导电箔,耐折、抗弯曲;可对焊连接;耐腐蚀,与绝缘漆、绝缘塑料和绝缘橡胶等有很好的相容性;质轻,易搬运和布线。但1050A的强度低,板材退火状态的σb =76MPa,σ2=28MPa,δ=39%;冷作硬化状态的σb =159MPa,σ0.2=145MPa,δ=7%。因此,在作高空架线使用时,应制成钢芯绞线,-般可作承载小和不承载的母线、电线、电缆、软线以及其他电导体。近年来的研究工作表明,电工铝中加入少量的稀土金属有除气、除渣、细化晶粒作用,可提高抗拉强度、蠕变强度、耐热性、耐磨性和塑性加工性能。

(来源:电车资源EV江湖 Bentty李清)

本文由电车资源【EV江湖】作者撰写,观点仅代表个人,不代表电车资源。

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