鋁合金電纜在新能源汽車輕量化進程中的作用分析

【摘 要】隨著新能源汽車產業的迅速發展，輕量化成為關鍵的研究方向。文章聚焦于鋁合金新能源汽車高壓電纜在輕量化進程中的作用，詳細闡述鋁合金材料的特性使其在高壓電纜應用中具有顯著優勢，能有效減輕電纜質量，從而為整車輕量化做出重要貢獻。進一步分析在實際應用中，鋁合金電纜面臨的技術挑戰及解決方案，為新能源汽車高壓電纜的輕量化發展提供理論支持和實踐指導，助力新能源汽車行業在輕量化道路上取得更大的突破。

【關鍵詞】新能源汽車；鋁合金導體；輕量化

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）10-0007-03

The Role of Aluminum Alloy New Energy Vehicle High-voltage Cables in the Process of Lightweight

PENG Lisha，WANG Zhihui，LIAO Jinren，OUYANG Xiangzhang

（Guangzhou Nanyang Cable Group Co.，Ltd.，Guangzhou 511356，China）

【Abstract】With the rapid development of the new energy vehicle industry，lightweighting has become a key research direction. This pa6dabc3c5dc166992b06b45090ad8a049per focuses on the role of aluminum alloy new energy vehicle high-voltage cables in the process of lightweighting. The detailed description of the characteristics of aluminum alloy materials gives them significant advantages in high-voltage cable applications，effectively reducing cable weight and making important contributions to vehicle lightweighting. Further analysis was conducted on the technical challenges and solutions faced by aluminum alloy cables in practical applications，providing theoretical support and practical guidance for the lightweight development of high-voltage cables in new energy vehicles，and helping the new energy vehicle industry achieve greater breakthroughs on the road to lightweighting.

【Key words】new energy vehicles；aluminum alloy conductor；lightweight

作者簡介

彭立沙（1987—），男，高級工程師，主要從事電纜設計研發與工藝改進等工作。

1 引言

新能源汽車作為汽車工業的重要發展方向，近年來在全球范圍內取得了顯著的增長。各國政府紛紛出臺政策鼓勵新能源汽車的研發和推廣，市場份額逐年攀升。技術的不斷進步使得新能源汽車在續航里程、性能和安全性等方面有了顯著提升。

輕量化是提高新能源汽車續航里程、降低能耗和提升性能的關鍵因素。通過減輕車輛質量，可以降低動力系統的負擔，提高能源利用效率，從而增加車輛的行駛里程和性能表現。新能源汽車高壓電纜的輕量化有助于降低整車質量，提高能源效率，優化車輛性能，對提升新能源汽車的市場競爭力具有重要意義。通過對高壓電纜輕量化及鋁合金導體代替傳統銅導體的可行性進行研究，對汽車輕量化起到巨大的推動作用。

2 高壓電纜輕量化設計方案

電動汽車電池高壓用線的耐壓等級和載流量與傳統汽車相比要高出數倍甚至數十倍。為了保障電動汽車安全運行和有效工作，電動汽車高壓用線至少需要滿足額定電壓AC 600V/DC 900V及以上電壓等級的電纜，額定溫度也要達到125～250℃才能滿足組件發熱的基本要求。由于其使用場合的特殊性和安全性，電纜需要滿足耐高低溫、阻燃、耐油、耐酸堿、耐摩擦和電磁屏蔽效果等性能要求，并能達到高電流、高電壓和柔韌度要求[1]。

2.1 導體

電纜導體的設計主要根據電纜的傳輸容量、安裝方式、使用環境等相關技術要求進行。針對新能源汽車的使用需求，一般在保證良好導電性能的基礎上，還需保證良好的柔軟性能，以便于在車內狹小空間內布線施工，并應保證良好的耐氧化能力、機械性能以保證足夠的使用壽命。

銅具有良好的導電性能，在常見的金屬中，其電導率僅次于銀。這意味著電能在銅導體中傳輸時，能量損失較小，能夠高效地傳遞電力。銅易于加工成各種形狀和規格的導體，如絞線、單線等。銅的柔韌性使得電纜在安裝和使用過程中能夠承受彎曲、拉伸等應力，不易斷裂。比如在布線時，銅質電纜可以更容易地適應復雜的線路走向。銅具有一定的抗拉強度和抗壓強度，能夠承受電纜在安裝、運行過程中所受到的機械力。這保證了電纜在長期使用中的穩定性和可靠性，當前大部分電纜均采用銅作為導體材料。

銅的比重為8.89g/cm3，所制成的電纜質量較大，為汽車輕量化設計帶來較大負擔。鋁合金的比重在2.63～2.85g/cm3之間，由于其相對較低的密度，約為銅的三分之一，大幅減輕電纜的質量，成為了替代銅作為導體的熱門選擇。

鋁合金電纜導體金屬的熔煉采用稀土、硼化處理等先進工藝使其既能保持純鋁的電氣性能，同時解決了純鋁導體的延伸率、抗拉強度低和抗壓蠕變性能、柔韌性差等問題，從而大幅提高了機械性能[2]。鋁合金導體的電阻率介于銅和純鋁之間，鋁合金導體與銅導體的基本性能對比見表1，鋁合金在經過適當的熱處理和加工工藝后，能夠保持良好導電性能，抗拉強度為60～90MPa，延伸率為35%～40%，可以滿足導體的機械性能要求。經過特殊處理的鋁合金還具有較好的抗腐蝕性能，能夠在一些惡劣的環境條件下使用，如潮濕、有化學物質侵蝕的場所。

由表1可知，鋁合金的導電率大約為銅的1.64倍，即采用鋁合金導體代替銅導體，截面需要做到銅導體截面的1.64倍，但是鋁合金的密度僅約為銅的三分之一，即使截面相應增大，導體的質量也可以降低50.2%（鋁合金導體質量：截面×1.64×密度2.7；銅導體質量：截面×密度8.89；鋁合金導體質量/銅導體質量=（1.64×2.7）/8.89=0.498；（1-0.498）×100%=50.2%），可以為汽車輕量化帶來巨大助力。

2.2 絕緣

絕緣是電線電纜必不可少的一部分，具有多方面的重要作用。首先是電氣絕緣，避免不同導體間發生短路，確保電能沿著電纜芯線安全傳輸。其次是機械保護，保護電纜芯線免受外界，如擠壓、拉伸、磨損等機械損傷。再者是防潮、防水等，阻止水分等液體侵入電纜內部，防止因潮濕導致電氣性能下降和腐蝕。最后是耐化學腐蝕，抵御外界化學物質的侵蝕，保護電纜芯線不受其損害。新能源汽車內部有大電流通過，勢必會引起電纜溫度升高，因此絕緣材料必須能承受較高溫度。新能源汽車一般采用耐溫125℃的交聯聚烯烴或耐溫等級為180℃的高抗撕硅橡膠料為絕緣。

2.3 屏蔽層

電纜傳輸大電流時對車內其他信號線和器材（導航、多媒體、電子控制、自動駕馭等）產生大干擾，會影響各種信號的傳播，如聲信號出現雜音、視頻信號失真等現象。對于以上問題，車內高壓用線要通過屏蔽結構解決。

目前市面上車內屏蔽高壓電纜的屏蔽方式均為繞包鋁塑復合帶+銅絲編織的復合屏蔽方式，此方案具有優良的屏蔽效果，也不會影響電纜的整體柔軟性和彎曲半徑，易于在汽車的狹小空間內布線安裝，經過本公司的實際測試驗證，發現屏蔽效果和彎曲半徑均能滿足車企和相關標準的相應要求[3]。

2.4 外護套

新能源汽車高壓電纜護套具有諸多重要作用。首先是電氣絕緣強化，進一步增強電纜的電氣絕緣性能，保證高電壓傳輸的安全穩定，防止高壓電泄漏導致危險和故障，例如，避免電流意外泄漏影響車輛復雜電氣系統中其他部件的正常工作。其次是機械防護與抗磨損，保護電纜免受行駛中的振動、顛簸以及與其他部件的摩擦損傷，因為汽車行駛中電纜會不斷受振和摩擦，良好的護套能降低電纜外皮的磨損與破損幾_{YDkw+L7ecHYIB6m9pLfBAQ==}率。再者是耐高溫和耐老化，能適應汽車運行時的高溫環境并抵抗老化，延長電纜使用壽命，畢竟新能源汽車工作溫度可能較高，護套的耐高溫性能可保障其正常工作。還有耐化學腐蝕，抵御車輛內部的油液、清潔劑等化學物質侵蝕，保證電纜性能不受影響。

新能源汽車一般采用耐溫125℃的交聯聚烯烴或耐溫等級為180℃的高抗撕硅橡膠料為護套。

3 設計驗證

輕量化汽車高壓電纜采用鋁合金導體、耐溫125℃的交聯聚烯烴或耐溫等級為180℃的高抗撕硅橡膠絕緣料、繞包鋁塑復合帶+銅絲編織的復合屏蔽、耐溫125℃的交聯聚烯烴或耐溫等級為180℃的高抗撕硅橡膠護套料。相對于傳統銅芯電纜，主要將鋁合金電纜截面加大一級后，進行載流量、外徑、質量的對比，以驗證鋁合金導體電纜是否適合新能源汽車使用。

3.1 載流量對比

導體的載流量指的是通過導體的電流大小，通常用單位時間內通過導體的電荷量來表示，在電纜的選型中，載流量是一個非常重要的參數。鋁合金導體的導電率為銅導體的61.8%，載流量偏小，在實際選用鋁合金導體時，應該選用更高1～2級的電纜規格，以滿足載流量的需求，具體選擇以車間需求為準。銅芯電纜與鋁合金電纜載流量對比見表2。

由表2可知，當車輛應選用95mm2以上銅芯取代鋁合金電纜時，應該按照實際車輛使用需求，有必要時需要選用高2級規格，電氣性能上完全能夠滿足新能源汽車的使用需求。

3.2 外徑對比

為滿足新能源汽車的電氣性能需求，相對于銅芯電纜，鋁合金導體電纜規格需要增大一個等級，相應的電纜外徑也會隨之增加，為此將兩個等級的電纜外徑進行對比，以便直觀反映電纜外徑的增加程度。銅芯電纜與鋁合金電纜外徑對比見表3。

由表3可知，電纜規格增大一個等級，外徑也在比例增大，但是增加值在1.8～2.5mm之間，相對于新能源汽車內部的布線空間，還是可以接受的。

3.3 質量對比

在滿足新能源汽車需求的基礎上，將電纜截面增加一個等級后，對鋁合金電纜與銅芯電纜的質量進行了細致入微的對比。這一對比過程不僅僅是簡單的數值考量，更是對新能源汽車在輕量化發展道路上的一次深入探索。通過精確的測量和分析，能夠清晰地看到兩種不同材質電纜在質量上的差異，從而以最為直觀的方式反饋出電纜部分的減重情況。這種直觀的呈現對于新能源汽車的設計與制造至關重要，它為工程師們在選擇電纜材質和優化電纜設計方面提供了有力的依據。同時也更加深刻地展示了鋁合金電纜在新能源汽車輕量化進程中所具有的巨大潛力，為推動新能源汽車行業的可持續發展提供了新的思路和方向。銅芯電纜與鋁合金電纜質量對比見表4。

由表4可知，鋁合金電纜規格增加一個等級后，相對于銅芯電纜，質量減輕的質量和比例均尤為明顯，新能源汽車輕量化可以得到巨大的推動。

4 需要克服的問題

鋁是最常用來制作合金的金屬，單就鋁材料而言其性能較為活潑，機械強度差，容易折斷，不能承受較大的拉力和扭力。鋁合金還有很多阻礙其用做導體的不利屬性，主要表現在以下兩個方面：一是鋁合金表面易形成致密且堅硬的氧化層，該氧化層在保護導體不受腐蝕的同時，還兼有很強的絕緣特性，因此，要實現良好的電氣連接，需在端子壓接時徹底破壞氧化層；二是鋁-銅連接處易形成電化學腐蝕，導致兩種金屬中較活潑的金屬（鋁）發生溶解[4]。

鋁合金的硬度一般比銅低，這使得鋁合金電纜接線端子在安裝和使用過程中更容易受到外力的損傷。例如，在擰緊螺栓時，如果用力不當，可能會導致接線端子變形，影響連接的緊密性。較低的硬度也可能使接線端子在受到振動、沖擊等外力作用時更容易松動，從而降低連接的穩定性。

在長期的高溫和應力作用下，鋁合金電纜接線端子可能會發生蠕變現象，即材料在恒定應力下隨時間緩慢變形，會導致連接松動，接觸電阻增大，甚至引發電氣故障。

所以將鋁合金電纜用于新能源汽車上時，為保證汽車的使用壽命和電氣穩定性，接線端子的可靠性和長期穩定性尤為重要。當前一般采用銅鋁過渡端子、在鋁合金導體端子壓接區內側增加鋸齒狀結構，再結合超聲波焊接或激光焊接等新連接方式，可以克服鋁合金電纜的連接缺陷。

5 結論

通過對鋁合金電纜與銅芯電纜的性能、載流量、外徑、質量等進行詳細對比，可以清晰地看到鋁合金電纜在多個方面展現出的獨特優勢。

從性能角度來看，鋁合金電纜雖然在某些特性上與銅芯電纜略有不同，但經過不斷的技術研發和優化，它完全能夠滿足新能源汽車的使用需求。

在輕量化方面，鋁合金電纜可謂表現卓越。與傳統的銅芯電纜相比，其質量大幅降低。這對于新能源汽車而言意義重大。新能源汽車對輕量化的追求極為迫切，更輕的電纜有助于減少整車質量，從而提高能源利用效率，增加續航里程。車輛在行駛過程中，因質量減輕，無論是加速、制動還是操控性能都能得到顯著提升，為駕駛者帶來更加舒適和安全的駕乘體驗。

而在經濟性方面，鋁合金電纜同樣優勢突出。一方面，鋁合金的原材料成本相對銅而言較低，隨著鋁合金生產工藝的不斷進步和成熟，其制造成本也在逐漸降低。另一方面，由于鋁合金電纜質量輕，在運輸和安裝過程中也能節省大量的成本。對于新能源汽車制造商而言，采用鋁合金電纜可以顯著降低制作成本，提高產品的市場競爭力，不僅有利于企業的可持續發展，也能讓消費者以更加實惠的價格購買到新能源汽車，從而推動新能源汽車的普及和推廣。

參考文獻：

[1] 彭立沙，王志輝，廖錦仁，等. 電動汽車電池用電纜結構用料的設計與選用[J]. 電纜技術，2020（3）：3-6.

[2] 周彥標. 鋁合金電纜的設計選用與應用[J]. 南方農機，2019，50（20）：147.

[3] 彭立沙，王志輝，廖錦仁. 新能源汽車內部高壓電纜屏蔽設計[J]. 機電工程技術，2020，49（9）：81-83.

[4] 張思為. 純電動汽車中鋁合金導體電纜的應用[J]. 新疆職業大學學報，2020，28（3）：74-77.

（編輯 楊凱麟）