汽車鋁導(dǎo)線的應(yīng)用分析

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(shí)也是價(jià)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(dòng)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(dòng)化和“碳中和”大形勢(shì)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(lái)銅金屬的價(jià)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(guó)每年需要進(jìn)口大量的銅，銅的價(jià)格受國(guó)際市場(chǎng)影響波動(dòng)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(chǔ)量大等優(yōu)勢(shì)，與銅相比有更輕的質(zhì)量，更低的成本，更穩(wěn)定的市場(chǎng)價(jià)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(guò)增加鋁導(dǎo)線的線徑來(lái)滿足整車電路的電阻要求。同時(shí)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(jià)格方面，當(dāng)前鋁價(jià)為18000元/噸，銅價(jià)為70000元/噸，并且銅價(jià)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(duì)傳統(tǒng)銅導(dǎo)線進(jìn)行替代有很大的成本及減重優(yōu)勢(shì)，輕量化是汽車線束的發(fā)展趨勢(shì)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(duì)照表，此表只做參考，具體應(yīng)用時(shí)需進(jìn)一步驗(yàn)證確認(rèn)。

圖1 鋁線和銅線對(duì)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(wèn)題

1）電化學(xué)腐蝕問(wèn)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(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)（在有水、二氧化碳及其他雜質(zhì)時(shí)，會(huì)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(gè)1.69V的電動(dòng)勢(shì)，并有一個(gè)很小的電流通過(guò)，腐蝕鋁線，即所謂的電化腐蝕，這樣就會(huì)引起銅鋁之間接觸不良，接觸電阻增大。當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，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(wèn)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(huì)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(shí)空洞降低了機(jī)械強(qiáng)度，在車輛振動(dòng)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(wèn)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(shí)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(hào)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(wèn)題，需主要解決端子和連接的問(wèn)題。

特殊端子為通過(guò)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(guò)摩擦焊接與鋁端壓接區(qū)域經(jīng)過(guò)摩擦焊接連接形式，解決銅鋁連接的問(wèn)題。

圖2 銅鋁端子

銅鋁端子的銅端與鋁端通過(guò)摩擦焊接相連接，在摩擦焊接過(guò)程中形成銅鋁合金過(guò)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(wèn)題。

銅鋁端子的鋁端通過(guò)液壓壓接與鋁導(dǎo)線相連接，在壓接過(guò)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(shí)經(jīng)過(guò)液壓壓接，有一定的保壓時(shí)間，釋放了壓接時(shí)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(duì)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(duì)兩種不同端子的設(shè)計(jì)采用的兩種不同的連接方式，分別是針對(duì)銅鋁管狀端子連接鋁導(dǎo)線的四方壓接方式，還有針對(duì)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(guò)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(jì)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(lái)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(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。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(gè)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(guò)超聲波焊接的可能性提供了契機(jī)。在加壓的情況下，通過(guò)高頻振動(dòng)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(guò)渡層，形成了鋁導(dǎo)線和銅端子的冷焊狀態(tài)。

通過(guò)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(wèn)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(shì)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(guò)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(shí)，產(chǎn)生整車零部件干涉風(fēng)險(xiǎn)。

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(zhǎng)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(jì)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(wèn)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(wèn)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(shí)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(lái)汽車低壓線束的發(fā)展方向。

目前汽車電動(dòng)化、高壓化已成為汽車行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，高壓線束以銅導(dǎo)線為主。現(xiàn)有高壓線束存在導(dǎo)線長(zhǎng)度長(zhǎng)、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(lái)越大，而當(dāng)今電動(dòng)汽車的里程焦慮已成為電動(dòng)汽車推廣的一大阻礙。通過(guò)整車減重，降低里程焦慮是電動(dòng)汽車必然要解決的問(wèn)題。

高壓鋁導(dǎo)線的應(yīng)用對(duì)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(duì)高壓鋁導(dǎo)線的應(yīng)用進(jìn)行探索，寧德時(shí)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(lái)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(guò)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(lái)巨大動(dòng)力。未來(lái)電動(dòng)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(lái)新的思路和發(fā)展方向。