汽車鋁線專利技術

【摘" 要】文章依據國內鋁線專利情況介紹汽車鋁線技術的發展趨勢，期望能幫助研究人員掌握鋁電線束的應用技術，從而助力鋁線技術的推廣。

【關鍵詞】汽車；鋁線；摩擦焊接；超聲波焊接

中圖分類號：U463.62" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（2025）02-0077-04

The Technology of the Aluminum Harness Patent of the Automobile

ZHAO Pingtang

（Tianhai Automobile Electric Group Co.，Ltd.，Hebi 458030；The Henan Province Research Center of the Engineering and Technology of the Automobile Electric Parts，Hebi 458030，China）

【Abstract】This paper introduces the development trend of automobile aluminum wire technology based on domestic aluminum wire patents，and hopes to help researchers master the application technology of aluminum wire harness，so as to help the promotion of aluminum wire technology.

【Key words】automobile；aluminum harness；friction welding；ultrasonic welding

電動化、輕量化和智能網聯化的相互融合推動著汽車技術的發展。隨著汽車油耗標準的不斷降低，輕量化成為汽車節能減排的重要手段之一，輕量化也有利于增加電動車的續航里程。汽車功能的增加，電子控制技術的普遍應用，連接各個電器件的線束越來越復雜，汽車線束也變得越粗越重[1]，汽車電線的輕量化成為行業熱點[2]。電線束由連接器、電線及附件組成。電線束中70%以上為銅電線，鋁導線是銅導線的最佳代替品，鋁的比重輕，只有銅的1/3（鋁為2.7t/m3，銅為8.89t/m3），導電率為銅的60%。對于目前高漲的銅價而言，鋁的市價卻只有銅的20%左右。鋁線在汽車上電線束的應用研究成為汽車電線束的熱點之一[3-4]。本文以國內專利為基礎，分析鋁線技術的發展，期望能幫助研究人員掌握鋁電線束的應用技術，從而助力鋁線技術的推廣。

1" 汽車鋁電線束技術初期

早在2011年2月高島直也[5]就提出了汽車的配線不僅可以使用銅線，還可以使用鋁或鋁合金線來實現輕量化。為防止銅端子和鋁線壓接時由于電位差而產生的電偶腐蝕，采用鋁線壓接部前端涂敷由樹脂和焊錫組成的覆蓋材料阻止水分滲入壓接部發生電偶腐蝕。專利文本中還提到早在2004年就有日本研究者申請了鋁線技術專利（日本特開2004-207172號公報）。在此基礎上，2011年10月佐藤慶等[6]提出了鋁銅雙材料端子結合部采用樹脂密封的方法來防止電偶腐蝕的策略，如圖1所示。2012年5月研究人員又提出了在銅合金端子壓接尾部和鋁線的壓接部氣相沉積錫、鎳、碳及金的一種來防止電偶腐蝕[7]，如圖2所示。2015年筆者則采用鋁合金端子與電瓶銅接線柱連接端鍍銅20μm，壓接后沾錫[8]防止電偶腐蝕并提高汽車蓄電池線的抗拉強度、彎曲性能、抗蠕變性能，還保證了電路在長時間過載和過熱時保持連續性能穩定。該方案中鋁合金芯線各元素為鋁、鐵、銅、鎂。銅元素可增加合金在高溫時候的電阻穩定性；鐵元素可提高抗蠕變性與壓緊性，避免由于蠕變引起的松弛問題；鎂元素在同樣的界面壓力下，能夠提高接觸點而具有更高的抗拉強度。筆者也曾研究采用銅端子壓接端真空鍍鋁與鋁線壓接防止電偶腐蝕的方案[9]。

2" 汽車銅包鋁電線束技術

研究人員最初采用鋁線鍍銅的銅包鋁線來防止鋁線與銅端子的直接接觸[10]。本諾·曾普[11]則設計了一種由導體芯和均勻包覆在所述導體芯上的導體層構成高性能銅包鋁線（圖3），導體芯為純鋁或鋁合金材質，導體層為銅合金材質。該銅包鋁線的抗拉強度≥250MPa，伸長率≥8％，導電率≥61％IACS，密度≤6.13g/cm3。外層銅合金層的設置使該高性能銅包鋁線的拉伸強度、線材伸長率等機械性能得以顯著提高，繞曲性壽命、抗疲勞強度以及抗彎性能等動態機械強度得以增加，斷線風險較小，且與純銅線相比，整體密度降低，因此質量更輕，成本更低。

3" 鋁線束摩擦焊接技術

銅鋁摩擦焊接原理是機器轉動時互相摩擦而產生高溫，并在高壓后焊接成一體，良好焊接后，焊接面完全沒有空隙，沒有空氣介入的焊接面而不會產生腐蝕。早在2012年3月國內研究者也申請并授權了專利[12]，圖4為機動車鋁電路系統，采用鋁導線和銅鋁端子降低了成本和質量；摩擦焊接的銅鋁過渡接線端子，避免了銅鋁接觸帶來電化學腐蝕現象，該專利是筆者能查到的應用銅鋁端子防止電偶腐蝕比較早的專利。

2013年6月弗朗茨·利茨等[13]則采用鋁管套裝在鋁線上，包裹住全部去掉絕緣層的線束和部分未去掉絕緣層的線束，熔接層為將切平后的套有鋁管的線束與銅接線端子摩擦焊接而成的銅鋁接頭（圖5），不易被空氣、水或其他含氧物質氧化，滿足新能源汽車需要。85mm2的鋁線拉脫力測量結果平均值在 5400～5800N左右，沒有焊接的易損件產生，大大提高了拉脫力。

筆者又把鍛壓的銅端子改為沖壓的銅板沖壓端子和鋁管壓接的鋁線摩擦焊接[14-15]，如圖6所示。在保留摩擦焊接防止電偶腐蝕的優勢同時，不用銅棒鍛壓、鋁棒車銑，減少了工序和設備投入，降低了成本，增加了鋁及鋁合金線束整體價格優勢。

2013年9月李高勇等[16]則在銅鋁端子的鋁端壓接筒內通過增加溝槽或螺紋在壓接時刺破氧化膜的方法來降低接觸電阻。筆者則在2014年12月申請并授權了一種汽車鋁芯電瓶線實現新型專利[17]，該專利提出了摩擦焊接端子的四方雙壓接技術（圖7），保證了拉脫力和電性能，解決了鋁線應用的壓接技術行業難題，汽車鋁電瓶線也開始在汽車行業得到廣泛應用。專利中也提出了六方加點壓接的方式[18]，如圖8所示。

王超等[19]通過3個壓接凹槽的不同深度及壓接順序（圖9），避免了壓接過程中的退線現象，保證壓接強度以及與高低壓鋁芯線的良好接觸。研究人員還采用摩擦焊接的銅鋁轉換頭實現了銅導體向鋁導體的轉換[20-21]，通過銅鋁轉換頭將銅電纜和鋁電纜相連接（圖10），在實現鋁電纜替代銅電纜時保留了銅端子的優點。

2017年筆者首次把摩擦焊接技術應用在高壓鋁線的制造上[22]，采用鋁管和鋁或鋁合金導體3個環形凹槽壓接后突破了導體與銅接觸頭直接摩擦焊接工藝技術，通過接觸界面的合金化形成致密接觸層，防止了銅鋁接觸導致的電偶腐蝕，同時增加了電線和端子拉脫力。

4" 鋁線束超聲波焊、等離子焊技術

不僅摩擦焊接可以防止電偶腐蝕，通過鋁線和銅端子的超聲波焊、離子焊接也可防止銅鋁接觸的電偶腐蝕。2014年12月李高勇[23]提出在銅鋁端子的鋁部表面設置凹槽、滾花或溝槽，然后與鋁導線采用超聲波焊接的方法連接，如圖11所示。超聲波焊接工藝由于成本低、焊接可靠，在鋁線推廣中得到大量的應用。雷亞軍等[24]則利用超聲波焊接技術連接鋁導線和銅導線，巧妙利用銅導線柔韌性強的優點，彌補了鋁導線線硬、折彎半徑大、不易壓接的弊端，實現了鋁導線在汽車整車平臺上應用的最大化、多樣化。劉建華等[25]也通過端子的結構設計很好地保證了鋁導線的拉脫力達到了銅線的水平。

等離子弧焊指利用等離子弧高能量密度束流作為焊接熱源的熔焊方法，可以焊接箔材和薄板，小孔效應能較好實現單面焊雙面自由成形。等離子弧能量密度大，弧柱溫度高，穿透能力強，可實現10～12mm厚度鋼材不開坡口焊接，能一次焊透雙面成形，焊接速度快，生產率高，應力變形小。目前，該技術在鋁線束上也在嘗試應用。有研究人員將銅端子和鋁導線用等離子弧焊的方式在連接部分填充焊料，使銅鋁之間通過焊料連接在一起[26]，如圖12所示。焊接過程破壞掉鋁氧化層，增加導電率，又能隔離銅端子和鋁導線，防止銅鋁之間發生電化學反應，延長銅端子和鋁導線接頭的使用壽命，保證連接結構的機械、電氣性能。由于等離子焊設備比較復雜，氣體耗量大，對工件的潔凈要求嚴格，影響等離子焊技術在鋁線束上的推廣應用。

5" 汽車鋁棒鋁排線束技術

鋁線研究越來越熱，為滿足整車電能傳輸的載流需求，在使用鋁導線進行替代時，鋁導線外徑增大，這使得在整車電線束設計布置過程中受到空間限制無法使用鋁導線。研究者把鋁棒或鋁排應用到高壓線束中[27-28]，如圖13所示。相比傳統同軸圓形鋁導線，鋁排導線使用實體鋁排替代原有單絲結構，扁平化設計，減少了空間占用。如圖14所示，萬竹雙等[29]在高壓線束上也用鋁棒代替銅導線來有效降低線纜材料的質量成本，達到線束輕量化和低成本的要求；通過設置內殼、屏蔽殼、屏蔽環和外殼等部件，對銅導線和鋁棒焊接處進行有效保護，對焊接處進行絕緣，屏蔽外界磁場對焊接處的干擾，同時保護焊接處不裸露在外，并通過內殼和外殼來加強銅導線與鋁棒之間的固定，使兩種線材之間連接更加穩定、牢固。

低壓鋁線束上鋁排、鋁棒也不斷有人申請和授權專利，見參考文獻[30～31]。鋁排、鋁棒導電性能卻幾乎等同于相同外徑的銅導線[31]，因此采用鋁棒的蓄電池線束，不僅在空間布局上不會有影響，同時還大大降低了整套線束的質量，比銅材料線束減少了成本且增加載流。但其加工工藝比常規的鋁導線和銅導線要復雜得多。鋁排在空間上比鋁棒有一定優勢，為實現輕量化，也開始嘗試將鋁排應用到空間有限的電池組內[32]。鋁排、鋁棒導線存在一定的剛性，線束在加工及安裝至車身時還便于實現線束自動化裝配，剛性結構還可避免導線走向中護板的使用，降低導線成本。如圖15所示。

如圖16所示，王永超等[33]研究了鋁排與FFC/FPC的集成化并輔以發泡材料絕緣層的設計來減少空間、降低成本、減輕質量等，并通過外殼對端子和線纜進行固定，使多個線纜集中排布，提高連接器集成度，避免線纜散亂，保證連接器裝配效率；另外外殼采用注塑的方式進行制作，使線纜和端子嵌設在外殼內，有效保證連接器內部的密封性；FFC線纜、IDC線纜和扁平鋁導線共同作用，能夠集成小到0.13mm2，大到70mm2的所有汽車上的普通線束，提高線束的集成度。

6" 鋁石墨、碳納米管等復合技術

鋁石墨、碳納米管材料也有研究者[34-35]把其應用到鋁線技術上。早在2018年大塚泰史等[34]就開發了一種具有高強度和良好導電率的鋁系復合材料，如圖17所示。使用該鋁系復合材料的電線，添加物為選自碳納米管、碳納米角、碳黑、碳化硼和氮化硼組成的組中的至少一組，以解決鋁在線束應用中雖輕但與銅相比強度和導電率低的問題。

7" 結論

總之，鋁線技術因汽車輕量化和線束降本而提出。鋁線束技術的應用，防止銅鋁接觸的電偶腐蝕是關鍵。摩擦焊接、超聲波焊接、等離子焊等都可以有效防止銅鋁接觸的電偶腐蝕。金屬涂層可以起到防止電偶腐蝕的作用。鋁棒、鋁排、高壓鋁線也開始得到應用。鋁石墨、碳納米管復合材料在汽車線束上的應用探索有可能把鋁線的應用推上新的起點。2023年9月中國汽車工業協會頒布了筆者參與研制的《汽車用鋁電線束技術條件》（T/CAAMTB 142—2023）團體標準，也必將助力汽車鋁線技術的應用開啟新高潮。

參考文獻

[1]" 趙平堂.汽車鋁芯蓄電池線的應用[J].汽車電器，2018（8）：52-53，56.

[2]" 趙平堂.汽車電線束中0.13mm2細線的應用[J].汽車電器，2019（9）：62-63.

[3]" 趙平堂.電動車高壓線束的設計制造[J]. 汽車電器，2020（4）：7-10.

[4]" 趙平堂. 汽車線束與連接器的技術發展[J].汽車電器，2022（2）：39-42.

[5]" 高島直也，水戶瀨嫌悟，川村幸大.連接構造體：中國，102782940B[P].2011-02-04.

[6]" 佐藤慶，兒玉晉司.壓接端子：中國，103155286B[P].2016-08-03.

[7]" 松下浩一郎.鋁線與金屬端子的壓接連接部的連接結構以及用于制造該連接結構的方法：中國，13493295 B[P].2016-02-03.

[8]" 趙平堂，張景堂，覃洪.一種汽車鋁合金電瓶線：中國，204834074U[P].2015-12-02.

[9]" 趙平堂，張獻軍，張玉平，等.一種防止電偶腐蝕的鋁或鋁合金線束：中國，206225588U[P].2017-06-06

[10] 王志強.一種銅包鋁線束裝置：中國，203237179U[P].2013-05-15.

[11] 本諾·曾普.一種高性能銅包鋁線：中國，112908536A[P].2021-06-04.

[12] 施希鋒，何祝進.機動車電路系統：中國，202294624U[P].2012-07-04.

[13] 弗朗茨·利茨，秦義.一種銅鋁接頭及其制造方法：中國，103354308A[P].2013-10-16.

[14] 趙平堂，毛建偉，王振中.一種防止銅鋁電偶腐蝕的鋁及鋁合金電線束：中國，207128804U[P].2018-03-23.

[15] 劉建華，張紅兵，王永超.一種銅鋁端子及其共壓注塑的方法：中國，107696992B[P].2023-07-25.

[16] 李高勇，王宇，王鳳軍，等.用于汽車電瓶鋁導線的雙金屬套筒連接裝置：中國，203503807U[P].2014-03-26.

[17] 劉虓鵬，王永超，趙平堂，等.一種汽車鋁芯電瓶線：中國，204257828U[P].2015-04-08.

[18] 宋國民.一種鋁合金電纜與銅合金端子的壓接結構及專用模具：中國，204760719U[P].2015-11-11.

[19] 王超，劉建華，馬海江，等.一種汽車高低壓鋁芯電瓶線：中國，211629307U[P].2020-10-02.

[20] 鄒建元，謝華麗.一種銅鋁接頭：中國，206976583U[P].2018-02-06.

[21] 劉建華，趙平堂，張紅兵，等.一種銅鋁線轉換的電線束：中國，210040787U[P].2020-02-07.

[22] 趙平堂，覃洪，衛強，等.一種電動車高壓鋁或鋁合金線束及其制作方法：中國，106409376A[P].2017-02-15.

[23] 李高勇.一種用于汽車鋁導線的銅鋁端子：中國，204257844U[P].2015-04-08.

[24] 雷亞軍，段斌，梁靖汶，等.一種新型鋁線線束：中國，219843150U[P].2023-10-17.

[25] 劉建華，韓紅寬，馬紅飛，等. 一種適用于車輛導線的焊接端子：中國，211929718U[P].2020-11-13.

[26] 吉林省中贏高科技有限公司.一種銅端子和鋁導線的接頭及其等離子焊接方法：中國，201710415050.X[P]. 2019-03-26.

[27] 孫宇麟，于增亮.適于銅鋁連接的高壓連接器：中國，115842260A[P].2023-03-24.

[28] 王超，文曉珂，李周義，等.一種高壓鋁排線束：中國，219350702U[P].2023-07-14.

[29] 萬竹雙，安繪繪.一種高壓線束銅導線與鋁棒焊接護線系統：中國，218472288U[P].2023-02-10.

[30] 畢新龍，張永慶，徐君.一種應用鋁排和鋁線的汽車電源線束：中國，219739336U[P].2023-09-22.

[31] 王婷萍，任成鵬.汽車電器的輕量化研究[J].汽車電器，2019（9）：42-43，46.

[32] 趙平堂.汽車線束與連接器的技術發展[J].汽車電器，2022（2）：39-42.

[33] 王永超，王六林，劉建華，等.一種集成柔性扁平線纜及扁平鋁線的連接器組件：中國，218677677U[P].2023-03-21.

[34] 大塚泰史，吉永聰.鋁系復合材料、使用該鋁系復合材料的電線以及鋁系復合材料的制造方法：中國，109694970A[P].2019-04-30.

[35] 池谷隼人，大串和弘，加山忍，等.鋁基復合部件、其制造方法和電連接部件：中國，115896550A[P].2023-04-04.

（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2024-07-02

作者簡介：趙平堂（1967—），男，博士，正高級工程師，博士后導師，國家TRIZ創新方法二級培訓師，河南省教育廳學術技術帶頭人，中國汽車工程學會汽車電子技術分會副主任委員（兼），主要從事汽車電子電器及其功能材料研究工作。