汽車鋁導線的應用分析

來源：線束世界?作者：線束世界-Jimmy?2022-10-31 10:38

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也是價值最高的零部件。在整車質量中也已達到5%左右，隨著當前汽車電動化、智能化的推進，線束在整車質量中的占比還在逐步增加。在汽車電動化和“碳中和”大形勢下，線束的減重已成為當務之急。

1 汽車鋁導線的應用原因

汽車導線一貫是以銅為導體材料，用銅絞線作為導體，具有低電阻、高熱傳導率、高機械強度，而且加工容易，技術成熟。但是近年來銅金屬的價格持續(xù)上升，使用銅金屬做導體的汽車導線的成本急劇增加，中國每年需要進口大量的銅，銅的價格受國際市場影響波動非常大，導致汽車線束成本居高不下。

金屬鋁作為一種導電率僅次于銅的金屬材料，具有密度小、成本低、儲量大等優(yōu)勢，與銅相比有更輕的質量，更低的成本，更穩(wěn)定的市場價格，可以作為傳統(tǒng)汽車線束使用的銅導線的替代方案。

鋁導線在汽車的應用中，鋁的電阻率為27.8，銅的電阻率為17.24。因為鋁的電阻率大于銅，所以需要通過增加鋁導線的線徑來滿足整車電路的電阻要求。同時因為鋁的比重為2.7kg/m3，銅的比重為8.89kg/m3，即使鋁導線在增加相應的截面積后，也能實現(xiàn)減重約30%左右。

在價格方面，當前鋁價為18000元/噸，銅價為70000元/噸，并且銅價還在持續(xù)上漲，在同等替代條件下，鋁導線比銅導線降低成本約35%。

所以在汽車線束領域，用鋁導線對傳統(tǒng)銅導線進行替代有很大的成本及減重優(yōu)勢，輕量化是汽車線束的發(fā)展趨勢之一，鋁導線的應用有利于線束輕量化。

2 鋁導線應用選型

鋁導線等效替代必須考慮與被替代的銅導線有相類似的導電率、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線和銅導線規(guī)格的對照表，此表只做參考，具體應用時需進一步驗證確認。

目前行業(yè)內普遍使用的銅導線標準為ISO 6722-1，鋁導線標準為ISO 6722-2。鋁導線等效替代必須考慮與被替代的銅導線有相類似的導電率、載流能力、降額曲線等特性，由此做到替換導體材質而保持原有的電路保護策略。

3 面臨的問題

1）電化學腐蝕問題。銅和鋁分屬于不同的元素，銅的金屬惰性要大于鋁，即銅的化學活性要比鋁低，這樣兩種金屬連接后通電會發(fā)生電化學反應（在有水、二氧化碳及其他雜質時，會形成電解液，構成化學電池的必備條件。

由于鋁易于失去電子成為負極，銅難以失去電子成為正極，于是在正負極之間就形成了一個1.69V的電動勢，并有一個很小的電流通過，腐蝕鋁線，即所謂的電化腐蝕，這樣就會引起銅鋁之間接觸不良，接觸電阻增大。當有電流通過時，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），導致鋁線逐漸被氧化，降低鋁線的機械強度和導電性。

2）蠕變問題。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)會造成連接區(qū)域逐漸形成空洞，降低了導線連接區(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。同時空洞降低了機械強度，在車輛振動情況下，造成車輛斷路，存在安全隱患。

3）導線連接處電性能問題。金屬鋁在空氣中與氧反應很快生成一種氧化膜，而此氧化膜在保護金屬鋁不受進一步氧化腐蝕的前提下同時也造成了連接處的電阻增大。因為此氧化膜為電的不良導體，增加了連接處的連接電阻，影響汽車電信號和能量傳輸，造成連接處發(fā)熱。

4 解決方案

基于以上鋁導線在汽車線束中的應用遇到的問題，需主要解決端子和連接的問題。特殊端子為通過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摩擦焊接與鋁端壓接區(qū)域經(jīng)過摩擦焊接連接形式，解決銅鋁連接的問題。

銅鋁端子的銅端與鋁端通過摩擦焊接相連接，在摩擦焊接過程中形成銅鋁合金過渡區(qū)，有效解決了銅鋁之間的電化學腐蝕和金屬蠕變的問題。銅鋁端子的鋁端通過液壓壓接與鋁導線相連接，在壓接過程中有效破壞了鋁導線和鋁端的表層氧化膜，形成了鋁金屬間的有效連接，達到了電氣性能預期。同時經(jīng)過液壓壓接，有一定的保壓時間，釋放了壓接時產(chǎn)生的應力，形成鋁端和鋁導線之間的冷焊狀態(tài)，得到了很好的保持力，滿足了機械性能預期。

目前對大平方鋁導線應用方面，通常是兩種連接方式，這也是針對兩種不同端子的設計采用的兩種不同的連接方式，分別是針對銅鋁管狀端子連接鋁導線的四方壓接方式，還有針對銅端子和鋁導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線進行壓接，使兩種形態(tài)但相同材質的鋁通過特殊的壓接工具壓接在一起，鋁和鋁電性能和機械強度相同，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，而且從端子設計和壓接工藝上也一直在進行優(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。

2）超聲波焊接方式。超聲波焊接是近年來引進線束加工行業(yè)的一種新興的加工技術。利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個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。

銅和鋁作為兩種不同的金屬有一個共同的特點，在金屬結構上它們同屬面心立方結構，這就為兩者通過超聲波焊接的可能性提供了契機。在加壓的情況下，通過高頻振動波，鋁導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，形成了銅鋁合金過渡層，形成了鋁導線和銅端子的冷焊狀態(tài)。

通過超聲波焊接工藝，解決了銅鋁之間的電化學腐蝕、金屬蠕變、連接處的電性能等問題。

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)內主流的解決汽車鋁導線應用的方案，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、新勢力造車使用的是超聲波焊接的連接形式。鋁導線在低壓線束領域已經(jīng)得到了廣泛推廣。

在鋁導線的實際應用過程中，因鋁導線替換銅導線導致線徑上的增加，而在整車環(huán)境中，空間布局又是一大難題，整車空間受限。當線徑增大時，產(chǎn)生整車零部件干涉風險。

5 新技術和工藝方法的改進和應用

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的、大平方的蓄電池線的解決方案。

可以根據(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線的線徑，可以在這段布置空間里設計應用鋁導線，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題，同樣也是為線束輕量化方向和降低成本方向考慮。

2）另外，目前一種軟態(tài)鋁排線可有效解決鋁導線線徑增加導致的空間占用問題，鋁排線如圖7所示。

鋁排線采用實心鋁扁線結構，有效降低了導線整體空間占用，更加貼合車身，同時特殊導體結構降低了導線的加工成本，進一步降低了導線成本。鋁排線很可能是未來汽車低壓線束的發(fā)展方向。

目前汽車電動化、高壓化已成為汽車行業(yè)發(fā)展趨勢，高壓線束以銅導線為主。現(xiàn)有高壓線束存在導線長度長、導線平方數(shù)大、銅占比高等特點。在整車質量中的占比越來越大，而當今電動汽車的里程焦慮已成為電動汽車推廣的一大阻礙。通過整車減重，降低里程焦慮是電動汽車必然要解決的問題。

高壓鋁導線的應用對整車線束減重、降本提供了很好的解決方案，目前行業(yè)內都在對高壓鋁導線的應用進行探索，寧德時代、比亞迪等線束主要用戶已經(jīng)在鋁高壓線束的應用中進行探索，鋁高壓線束未來必然是高壓線束的應用方向。

6 總結

綜上所述，鋁導線在汽車行業(yè)內作為一種可替換銅導線的優(yōu)秀并經(jīng)過多種驗證的方案，將從成本和整車減重角度為汽車行業(yè)的發(fā)展帶來巨大動力。未來電動汽車發(fā)展迅速，高壓線束普遍應用在新能源汽車上，鋁高壓線束的應用必將為新能源汽車線束的發(fā)展帶來新的思路和發(fā)展方向。