汽車鋁導(dǎo)線的應(yīng)用研究

韓光杰，付宏程，潘 盼，付 強(qiáng)

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.北汽新能源汽車股份有限公司，北京 100021；3.江蘇敏安電動(dòng)汽車有限公司，江蘇 南京 211100）

1 前言

汽車線束是汽車上最重要的部件之一，它是汽車電路的組成部分，用來(lái)連接汽車上的各種用電設(shè)備，承擔(dān)著汽車起動(dòng)和為整車各用電設(shè)備提供電源的功能，并且傳遞各種用電設(shè)備之間的導(dǎo)通信號(hào)，是對(duì)汽車進(jìn)行電信號(hào)控制的載體，是實(shí)現(xiàn)整車電氣系統(tǒng)各項(xiàng)功能及要求的基礎(chǔ)。

常用汽車導(dǎo)線主要是由絕緣體 （被覆PVC）和導(dǎo)體 （線芯）兩部分組成，如圖1所示，部分特殊線束還有屏蔽層、外皮等，但無(wú)論哪種線束，導(dǎo)體都是線束實(shí)現(xiàn)電連接功能最重要的部分。

為了保證良好的電傳導(dǎo)特性，一般用于汽車導(dǎo)線的導(dǎo)體材料都是低氧的電工電解銅，是一種純度很高的銅材，采用多股絞合的方式做成銅質(zhì)線芯，因此其比重和價(jià)格均比較高。銅價(jià)自2005年以來(lái)持續(xù)上升，如圖2所示，尤其是2017年更是大幅上漲30%左右，給線束生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)了巨大的成本壓力，因此行業(yè)內(nèi)在積極尋找新的汽車導(dǎo)線導(dǎo)體替代材料。

圖2 銅價(jià)走向圖

另外，隨著國(guó)家排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，對(duì)于整車油耗限值的要求也越來(lái)越高，因此各汽車生產(chǎn)廠商均在積極進(jìn)行整車自重的降低。由于線束遍布全車，因此線束降重也成為必然趨勢(shì)。

2 鋁導(dǎo)線的應(yīng)用

汽車導(dǎo)線導(dǎo)體最重要的參數(shù)是導(dǎo)電性能，因此尋找新的導(dǎo)體替代材料時(shí)必須首先考慮導(dǎo)電率。對(duì)比圖3的銅鋁金屬性能參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，鋁的導(dǎo)電率僅次于銅，約為銅的60%，雖然導(dǎo)電率下降了，但是可以通過(guò)增加導(dǎo)體截面積的方式來(lái)減小電阻，從而達(dá)到原有銅線的導(dǎo)電性能。重要的是，鋁的成本為銅的40%，而密度僅為銅的30%左右，因此鋁成為了導(dǎo)線導(dǎo)體理想的替代材料。

圖3 銅鋁參數(shù)對(duì)比

2.1 導(dǎo)線的組成

用于汽車上的單根導(dǎo)線總成如圖4所示，由端子、導(dǎo)線、防水塞 （有防水需求時(shí)）組成，從圖4中可以看出，導(dǎo)線的絕緣體和導(dǎo)體分別與端子相連接，其中導(dǎo)體與端子連接的部位是通過(guò)壓接方式實(shí)現(xiàn)的，在壓接前剝?nèi)?dǎo)線的絕緣皮露出導(dǎo)體部分。

圖4 汽車導(dǎo)線總成的組成

2.2 鋁替代銅的難點(diǎn)

由于鋁本身的特性原因，當(dāng)暴露在空氣中時(shí)，其表面極易與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在導(dǎo)線導(dǎo)體表面形成氧化層。而氧化層具有絕緣特性，嚴(yán)重影響導(dǎo)線導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。因此為了保證其良好的電氣連接，在進(jìn)行鋁替代銅應(yīng)用時(shí)，必須解決氧化問(wèn)題。

圖5 常用端子結(jié)構(gòu)及壓接后成品圖

如圖5所示，是汽車上常用的一種端子結(jié)構(gòu)，其中端子的小腳是與導(dǎo)線導(dǎo)體相連接的部分。壓接為成品后可以看到，端子的大腳和小腳之間的導(dǎo)線導(dǎo)體是暴露在空氣中的，當(dāng)導(dǎo)線導(dǎo)體為鋁時(shí)，則此處結(jié)構(gòu)極易發(fā)生氧化，從而造成導(dǎo)電率下降，接觸電阻增加等不良后果。因此，為了改善鋁的應(yīng)用效果，需更改此處的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)。

2.3 鋁導(dǎo)線匹配新端子結(jié)構(gòu)

2.3.1 端子差異介紹

為了解決氧化問(wèn)題，適配鋁導(dǎo)線的端子壓接結(jié)構(gòu)應(yīng)有良好的密封結(jié)構(gòu)，從而使得導(dǎo)體鋁不與空氣直接接觸。Tyco公司開(kāi)發(fā)出了一種適合鋁線壓接的端子，如圖6所示是對(duì)應(yīng)修改后新的端子結(jié)構(gòu)。由圖中可以看出，該端子結(jié)構(gòu)與原有端子結(jié)構(gòu)的差別在于以下幾個(gè)方面：①端子整體為錐形結(jié)構(gòu)；②小腳前端增加了前保護(hù)副翼，結(jié)構(gòu)為倒錐型式；③原端子中的橫紋結(jié)構(gòu)更改為魚(yú)翅鋸齒邊型式，做成密集的凸起；④大腳和小腳之間的開(kāi)放區(qū)域增加了錐形過(guò)渡，形成了一個(gè)完整的整體。

圖6 Tyco開(kāi)發(fā)的鋁導(dǎo)體端子結(jié)構(gòu)及壓接成品圖

2.3.2 新端子優(yōu)點(diǎn)

端子整體做成錐形結(jié)構(gòu)，靠近導(dǎo)體部分小，靠近絕緣部分大，可有效提高壓接強(qiáng)度。前保護(hù)副翼結(jié)構(gòu)做成倒錐形式，使得防護(hù)翼邊在壓接時(shí)可向兩側(cè)延伸形成卷邊結(jié)構(gòu)，使得端子與導(dǎo)線導(dǎo)體的接觸面積最大化。圖7是Tyco開(kāi)發(fā)的適配鋁線端子壓接和普通銅線壓接的剖面對(duì)比，從圖中可以明顯看出防護(hù)翼邊與導(dǎo)線導(dǎo)體有著更多的接觸面積，增加了導(dǎo)電效果，從而可彌補(bǔ)鋁本身導(dǎo)電率低的缺點(diǎn)。

圖7 鋁線與銅線壓接剖面對(duì)比

2.3.3 新端子結(jié)構(gòu)密封

前保護(hù)副翼最前端的兩側(cè)尖角在壓接后可合并在一起，從而形成一個(gè)有效的封口保護(hù)，使得壓接前端無(wú)導(dǎo)線導(dǎo)體露出；中部增加的絕緣過(guò)渡區(qū)域，避免壓接部位在使用過(guò)程中一直暴露在空氣中發(fā)生氧化；后部的絕緣壓接筒直接壓接在線芯絕緣皮上，通過(guò)絕緣皮也形成了密封。從而使得整個(gè)端子的壓接區(qū)域不與空氣直接接觸，提升了氧化防腐效果，壓接徑向剖面如圖8所示。

圖8 壓接徑向剖面圖

2.3.4 新端子防退結(jié)構(gòu)

在導(dǎo)線導(dǎo)體的絕緣皮剝離后沒(méi)有進(jìn)行密封前，氧化過(guò)程是一直持續(xù)的。將原端子中的橫紋更改為魚(yú)翅鋸齒邊型式，如圖9所示，做成密集的倒錐型排列，此部分結(jié)構(gòu)使得端子在壓接時(shí)可完全破壞鋁導(dǎo)體的表面氧化層，使得端子與導(dǎo)體有著更好的壓接效果，同時(shí)鋸齒邊的倒錐形結(jié)構(gòu)，使得端子與導(dǎo)線導(dǎo)體有著良好的防退效果。

圖9 魚(yú)翅鋸齒邊結(jié)構(gòu)

2.3.5 端子UV環(huán)氧膠密封

在部分導(dǎo)通信號(hào)要求比較高的回路中，如ECU、BCM等控制單元的相關(guān)電子信號(hào)回路中，為了更好地提高防腐效果，還通過(guò)使用密封膠的形式提高密封效果。由于壓接部位既有PVC絕緣皮，又有線芯鋁導(dǎo)體，因此采用的密封膠必須同時(shí)可適用于此二種材料。同時(shí)汽車使用環(huán)境較為復(fù)雜，密封膠還必須有著良好的抗溫度沖擊能力。

UV（紫外線）環(huán)氧膠是UV樹(shù)脂類的一種細(xì)分產(chǎn)品，UV樹(shù)脂是一種相對(duì)分子質(zhì)量較低的感光性樹(shù)脂，受光波照射后，能在較短時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)生物理和化學(xué)變化，進(jìn)而交聯(lián)固化。UV環(huán)氧膠又稱紫外光固化膠，須通過(guò)紫外線光照才能固化，有著良好的防護(hù)性和快速固化性 （小于1 s）。無(wú)氣味性 （VOC）揮發(fā)物，對(duì)環(huán)境空氣無(wú)污染，而且在環(huán)保法規(guī)中限制或禁止的比較少，因此不會(huì)影響整車對(duì)于VOC的要求和法規(guī)符合性的審查以及公告的申報(bào)。UV環(huán)氧膠固化后為透明色，不會(huì)對(duì)原有產(chǎn)品外觀產(chǎn)生影響，如圖10所示。

圖10 UV環(huán)氧膠密封對(duì)比

2.4 鋁導(dǎo)線新端子工藝參數(shù)

匹配鋁線的端子與傳統(tǒng)銅線端子結(jié)構(gòu)明顯不同，因此在線束生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)于端子壓接工藝的管控也需要進(jìn)行適應(yīng)性修改，以充分確保壓接密封效果。

如圖11所示，在端子壓接過(guò)程中需要管控的工藝參數(shù)如下。

1）CB2：絕緣壓接寬度，關(guān)系到后端絕緣密封區(qū)的效果。

2）CB1：導(dǎo)線壓接寬度，此參數(shù)影響小腳區(qū)與導(dǎo)線導(dǎo)體的壓接接觸面積。

3）CB0：密封壓接寬度，關(guān)系到前密封口的密封效果。

4）CH2：絕緣壓接高度，同CB2參數(shù)，關(guān)系到后端絕緣密封區(qū)的效果。

5）CH1：導(dǎo)線壓接高度，同CB1，是影響導(dǎo)線導(dǎo)體壓接接觸面積的參數(shù)。

6）CH0：密封壓接高度，同CB0，關(guān)系到前密封口的密封效果。

圖11 端子管控壓接工藝

由前文的參數(shù)對(duì)比可以看出，鋁的抗拉強(qiáng)度降低比較明顯，約為銅的30%～45%，線束在生產(chǎn)過(guò)程中針對(duì)銅線的端子壓接力工藝參數(shù)不再適用于鋁，需要對(duì)應(yīng)降低。經(jīng)過(guò)實(shí)際工藝測(cè)試及試驗(yàn)驗(yàn)證，相同截面積下，對(duì)應(yīng)鋁線芯的端子壓接力降至40%左右最為合適。表1列出了常用的幾種型號(hào)導(dǎo)線端子壓接力。

2.5 鋁導(dǎo)線在蓄電池線上的應(yīng)用

汽車蓄電池線一般較粗，汽油機(jī)由于啟動(dòng)功率較小，常用蓄電池線線徑為16 mm2、25 mm2，而柴油機(jī)由于啟動(dòng)方式的不同，功率較高，一般常用線徑為25 mm2、35 mm2、50 mm2等，此類導(dǎo)線匹配的端子與一般的小線徑端子不同，常為鑄造、沖壓而成的大型結(jié)構(gòu)端子，因此鋁線與端子的連接處理需要采用新的方式。

表1 銅鋁線芯端子壓接力對(duì)比表

普通蓄電池線的銅線芯是直接與端子相壓接而成，而由于鋁的抗拉強(qiáng)度降低，直接壓接后在長(zhǎng)時(shí)間的使用中容易發(fā)生松動(dòng)、變形，從而造成端子接觸不良等嚴(yán)重影響車輛性能的后果。神龍汽車某車型蓄電池線使用了一種新的連接方式，取消原有導(dǎo)線導(dǎo)體和端子的壓接過(guò)程，改為過(guò)渡連接的方式，在導(dǎo)線導(dǎo)體和端子之間增加了一個(gè)銅鍛造板，采用鋁線SONIC（超聲波）焊接銅鍛造連接點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖12所示，可分別適用導(dǎo)線截面積為25～42mm2、35～50mm2的線芯。

圖12 鋁線SONIC焊接銅鍛造連接點(diǎn)

連接點(diǎn)共分為2個(gè)部分，其中結(jié)構(gòu)1為鋁線連接部位，采用SONIC焊接方式，將鋁線焊接至銅板上。結(jié)構(gòu)2為端子壓接部位，結(jié)構(gòu)一般為雙筒凹槽型式，該結(jié)構(gòu)可以通過(guò)壓接的方式與端子相結(jié)合。處理完成后在外部增加熱縮管進(jìn)行密封保護(hù)，如圖13所示，該種結(jié)構(gòu)既實(shí)現(xiàn)了鋁線與銅端子的可靠性連接，又大大減小了連接部位的接觸電阻，保證了蓄電池線的起動(dòng)性能參數(shù)要求。

圖13 鋁線與銅端子的壓接及密封

某些車型還有端子處存在并連分支的情況，若并聯(lián)分支為鋁線，則可直接使用SONIC焊接的方式實(shí)現(xiàn)。若并聯(lián)分支為銅線，則可使用原有銅線壓接工藝，直接與銅鍛造板壓接在一起，如圖14所示。

圖14 端子并壓連接方式及壓接成品圖

3 結(jié)束語(yǔ)

鋁線在質(zhì)量和成本上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)使得鋁替代銅成為一種必然的趨勢(shì)，而隨著新技術(shù)、新材料、新工藝的不斷發(fā)展及應(yīng)用，鋁在導(dǎo)電性、抗氧化性、抗拉強(qiáng)度上的缺點(diǎn)已經(jīng)逐步被解決。目前國(guó)外的合資車企已經(jīng)形成了一定的規(guī)模應(yīng)用，且應(yīng)用情況良好。國(guó)內(nèi)主流車企也在積極進(jìn)行應(yīng)用推廣，進(jìn)行了小批量搭載，成果明顯。鋁線的大規(guī)模應(yīng)用將使得整車線束成本大幅度降低，最高降幅可達(dá)40%～50%。而鋁的低密度使得整車線束質(zhì)量降幅在30%以上，導(dǎo)線原線質(zhì)量降低在60%以上。如此明顯的降本降重效果，使得鋁線的應(yīng)用正在不斷擴(kuò)大。