關于汽車鋁導線的研究與應用

【摘 "要】本文主要對車用鋁導線進行研究與分析，主要介紹鋁線與銅線的性能差異，以及鋁導線在設計和制造過程中的關鍵管控要點，按照鋁導線的產品特性、品質要求，為鋁導線的開發提供一套理論設計依據、生產制造方案以及測試方法、驗證規范。

【關鍵詞】鋁導線；性能差異；鋁導線的產品特性；關鍵控制要點；品質要求；試驗標準

中圖分類號：U463.62 " " "文獻標志碼：A文章編號：1003-8639（2023）

作者簡介：黃錫江（1988—），男，主要從事汽車線束開發與研究、汽車輕量化、智能駕駛等課題研究。

收稿日期：2023-05-19

隨著汽車輕量化要求，尤其新能源汽車的要求更高，鋁導線的研究與應用，不僅可以達到節能減排的目的，還可以提高純電動或混合動力汽車的續航里程等能力。

1 "當前現狀與研究背景

當前，新能源汽車高速發展，汽車輕量化設計需求進一步提升。其中電線電纜作為汽車電力傳輸的主要零部件，傳統的設計采用銅質作為導體。銅芯線纜價格較為昂貴，質量重。開發質量輕、價格低的汽車用鋁導體電線電纜是汽車輕量化設計十分必要的。傳統電力行業采用鋁電纜由來已久，鋁電纜成本低、質量低、使用壽命久，高壓遠距離輸電首選電纜，另外中國鋁資源豐富，材料價格波動小（圖1），成本穩定易控。新能源汽車行業采用鋁電纜代替銅電纜是一種理想的減重降本方案。鋁電纜在國外汽車領域已有應用。國內主機廠家已經逐步顯現對鋁電纜開發和應用的需求意向。

圖1 "鋁材價格走勢表

2 "鋁線產品的應用案例

大平方汽車電線電纜會率先轉切換到鋁導體電纜產品，市場上已成熟的鋁電纜產品的實際應用如下。

1）大巴車型電池包內/外線采用超聲波焊接鋁線，大巴車型大線徑動力連接線使用量多，使用鋁線優勢明顯。

2）乘用車型直流母線采用50mm2鋁線纜，已順利量產。采用超聲波焊接，有效提升接頭電接觸性能，對比銅線有效降低線束質量。

3）交流充電槍使用高強度抗彎鋁合金線，質量輕，老化測試性能穩定，已逐步開始量產；乘用車直流充電口線使用鋁線，提高散熱性，圓型充電口端子采用超聲波焊接，顯著提升電接觸性能，降低發熱量，提升使用壽命。

3 "銅與鋁的性能差異

3.1 "銅材與鋁材的性能差異

由于鋁與銅的電阻率不同，即銅導體的導電率高于鋁導體，見表1，因此，鋁導體的電導率為62%IACS。當鋁導體的截面積是銅的100/62≈160% （1.6倍時），鋁導體和銅導體電氣性能一樣。同時，由于鋁的比重為2.7kg/m3，銅的比重為8.89kg/m3，故兩者的質量比為（2.7×160%）/（8.89×1）≈50% 。

表1 "銅鋁性能差異對比

3.2 "銅線與鋁線的性能差異

當鋁導體的截面積增大到銅導體截面積的1.6倍時，其電氣性能一致，即實現了和銅相同的電阻和電壓損失。此時鋁導體的質量僅為銅體的1/2。但當考慮到實際導線載流量時，由于鋁導線外徑較大，其散熱性更好，因此鋁導體截面為銅導體截面的1.42倍時，其載流量可以保持一致。銅鋁導線性能差異對比見圖2。

圖2 "銅鋁導線性能差異對比

3.3 "銅線與鋁線的各項參數對比

相同載流情況下，銅線的線徑小于鋁線（銅為鋁1.42倍），銅線質量大于鋁線（鋁線減重在30%以上），銅線（按71000元/噸銅價）價格大于鋁線（按19000元/噸鋁價）（鋁線降本在30%），詳見表2。

表2 "銅鋁性能差異對比

4 "鋁線與端子壓接工藝

4.1 "超聲波焊接

超聲波金屬焊接原理是利用超聲波頻率（超過大于16kHz）的機械振動能量，連接同種金屬或異種金屬的一種特殊方法。焊接時，既不向工件輸送電流，也不向工件施以高溫熱源，只是在靜壓力作用下，將彈性振動能量轉變為工件界面的摩擦工，變形能極有限地溫升，使得焊接區域的金屬原子被瞬間激活，兩界面處的分子相互滲透，最終實現金屬焊件的固態連接。超聲波焊接成品詳見下圖3。

圖3 "超聲波焊接產品

4.2 "鋁導體的超聲波焊接過程

由于在壓接的過程中（圖4），鋁導線的線芯氧化層沒了，所以端子的壓接面在壓接后需要做特殊防氧化處理。

圖4 "超聲波焊接過程

4.3 "傳統冷壓接

傳統冷壓接：銅鋁端子采用摩擦焊技術，將銅與鋁通過摩擦焊接在一起，解決了銅與鋁無法直接壓接的問題。第一步，銅材和鋁材通過摩擦焊接加工連接在一起，制成需要端子形狀，鋁材中間按需求制成中空的管樁，便于鋁導線的放入。第二步，將鋁導線放入鋁管中，使用氣動壓接機和專用模具進行壓接。詳見圖5圖解。

圖5 "冷壓接圖解

為保證鋁導線的氧化層被刺破，鋁套管內部采用魚翅鋸齒邊結構，這樣可以使得鋁導線在壓接時可以完全破壞鋁導體的表面氧化層并增加端子的拉脫力。鋁導線壓接效果見圖6。

圖6 "鋁導線壓接效果圖

4.4 "壓接工藝對比分析（表3）

表3 "兩種壓接方式對比分析

5 "鋁導線線束設計標準

5.1 "相關特殊特性要求

阻燃性滿足UL94 V-0級要求，絕緣電阻應不小于100MΩ，電線連接處壓降要求≤0.03mΩ。

禁用物質限值滿足GB/T 30512、2000/53/EC 指令、REACH 法規和 GADSL 等清單中包括的有害物質。

耐電壓要求在測試過程中高壓線束應無飛弧、電暈和擊穿現象，且漏電流不超過10mA。

5.2 "實驗標準及測試要求

5.2.1 "電線連接實驗要求規定（圖7）

圖7 "電線連接實驗要求

5.2.2 "電壓降測試要求

鋁電纜線樣件兩端加載100A的恒流電源試驗電流，電壓降測量應在熱平衡后進行，熱平衡至少由5次從溫度測量點的溫度數確定，每隔2min讀數一次，連續5次讀數的最大溫度差小于±2℃。電線連接處壓降要求≤0.03mΩ。

5.2.3 "耐鹽霧測試要求

試驗前試運行時間24h，氯化鈉溶液濃度（5±1）%（質量比），氯化鈉溶液的 PH 值6.5～7.2，鹽霧沉降的速度（每 80cm2面積上/h）1～2mL/h，試驗箱溫度（35±2）℃，連續噴霧128h。用清潔的水沖洗試樣以除去表面上殘留的試驗鹽沉積物，并在常溫下恢復1～2h后觀察樣品外觀，要求無腐蝕生銹現象，樣品干燥后測試電壓降。

5.3 "生產工序關鍵控制要點

1）裁剝線。設備切線的壓力、速度、切割的壓力、轉速、切口深度都要設定。末件樣品檢驗方式：游標卡尺、鋼卷尺、目視。公差控制在L≤1000mm，±3；1001～4000mm，±5；大于4000mm，±5。剝線-0.1～+0.2mm。

2）壓接。設備需要設置壓力監控，首末件樣品測試壓接高度、壓接寬度、拉脫力。檢驗方式：游標卡尺、5000N拉力測試儀。70mm2鋁導線壓接拉力要求大于3300N。

3）熱縮。熱縮機設定溫度與時間，檢驗檢驗方式：外觀目視、密封防水測試儀（控制100kpa測試）。

4）裝配與檢驗。安裝防錯治具，生產記錄自動保存在系統內部，可通過產品標簽測試時間及順序號進行追溯。

其中，剝口、套料、壓接3個工序尤為關鍵，剝口過長或者過短都會影響壓接成型；套料順序錯誤或者漏套，都有線束報廢風險；壓接不良造成功能失效，嚴重會燒車風險。

6 "總結

通過以上對鋁導線設計案例的剖析，介紹了鋁導線的設計標準、實驗要求和制造過程各工序的關鍵管控要點，深度剖析銅鋁材質性能差異對比，分析鋁導線在汽車設計中的輕量化與成本的解決方案。通過這些系統的方法，了解鋁導線線束設計及制造始末，理解鋁導線線束的設計理念以及設計難點，對后續鋁導線線束的設計、生產制造、品質管控和驗證規范提供參考。

參考文獻：

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[2]QC/JLY J7111111A—2017，汽車鋁電源線束技術條件[S].

[3]Q/BYDQ-A1906.6124—2018，乘用車車用低壓大線經鋁線束技術條件[S].

[4]GB/T 30552—2014，電纜導體用鋁合金線[S].

（編輯 "楊凱麟）