汽車導(dǎo)線性能和應(yīng)用分析

張子翥，王海吉

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 導(dǎo)線分類

汽車導(dǎo)線，顧名思義，用于根據(jù)傳輸信號或電流，保證整車內(nèi)各用電器的工作。根據(jù)傳輸信號或電流的要求不同大致分為兩個種類：普通導(dǎo)線與特殊導(dǎo)線 （如MOST光纖、ABS輪速線、同軸導(dǎo)線、HSD高速信號傳輸線等）。

1.1 普通導(dǎo)線

普通導(dǎo)線主要分單芯導(dǎo)線和絞合導(dǎo)線 （圖1）。單芯導(dǎo)線指一個絕緣層內(nèi)只有一路導(dǎo)體，主要用于電流或普通信號傳輸，是汽車線束中占比最大的類別。絞合導(dǎo)線是指2根或3根導(dǎo)線絞合在一起，用螺旋結(jié)構(gòu)抵消電磁感應(yīng)對小電流信號的影響。

圖1 單芯導(dǎo)線和絞合導(dǎo)線

1.2 特殊導(dǎo)線

同軸導(dǎo)線和HSD（高頻／高速信號傳輸線）主要用于整車收音機(jī)／導(dǎo)航／視頻信號的傳輸 （圖2）。這兩種導(dǎo)線因傳輸高頻或高速信號的特殊要求都存在屏蔽層或特殊的絞合方式，因此導(dǎo)線結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

圖2 HF／HSD （高頻／高速信號傳輸線）

MOST光纖和ABS輪速線是另兩種特殊導(dǎo)線 （圖3）。MOST光纖線主要應(yīng)用在高速信號傳輸，相比高速信號傳輸線有更高的傳輸速率和響應(yīng)速度，傳導(dǎo)介質(zhì)為光纖而非金屬材質(zhì)。ABS輪速線本質(zhì)上是雙絞線，但因布置位置特殊 （底盤副車架運(yùn)動區(qū)域），導(dǎo)線選用超柔導(dǎo)線，且屏蔽層為整體注塑的形式。

圖3 特殊導(dǎo)線 （MOST光纖、ABS輪速線）

2 單芯導(dǎo)線類型

單芯導(dǎo)線在汽車線束各類型導(dǎo)線中應(yīng)用最廣，而且作為各種汽車特殊導(dǎo)線最基本的組成部分，本單元將重點(diǎn)展開關(guān)于導(dǎo)線性能和應(yīng)用的闡述。

2.1 單芯導(dǎo)線性能分析

按照導(dǎo)線材質(zhì)分類主要有銅導(dǎo)線、合金導(dǎo)線和鋁導(dǎo)線；按照DIN-7722導(dǎo)線絕緣皮厚度分類主要有FLXX、FLRXX、FLUXX?？剂繉?dǎo)線的性能主要有如下幾個參數(shù)：材料成分、密度、導(dǎo)電率、拉伸強(qiáng)度、彎曲性能。參考表1列出的相同線徑下不同材質(zhì)的導(dǎo)線性能參數(shù)可以得出如下結(jié)論：①銅導(dǎo)線導(dǎo)電率最優(yōu)；②合金導(dǎo)線 （包括銅錫、銅鎂合金）拉伸強(qiáng)度最優(yōu)；③鋁導(dǎo)線質(zhì)量最優(yōu)。

表1 不同材質(zhì)導(dǎo)線性能參數(shù)

基于各類單芯導(dǎo)線的性能參數(shù)，結(jié)合導(dǎo)線的制造性和成本兩個因素，列出3種單芯導(dǎo)線的綜合排序。3種單芯導(dǎo)線綜合性能評價如圖4所示。

圖4 3種單芯導(dǎo)線綜合性能評價

根據(jù)表1和圖4的性能參數(shù)和綜合排序得出如下3個結(jié)論。

1）銅導(dǎo)線的導(dǎo)電率和壓接性能最佳，機(jī)械性能均衡，故適用于任何電流負(fù)載的回路中，但成本是3種材質(zhì)最高的。這也是目前汽車線束總成在整車零件成本中占比較高的根本原因。

2）合金導(dǎo)線 （包括銅錫、銅鎂合金）機(jī)械性能最高，但導(dǎo)電率只有銅導(dǎo)線的70%，綜合導(dǎo)電率較低和機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)，主要應(yīng)用在小電流負(fù)載的信號回路中。0.13mm2合金導(dǎo)線是目前主要的產(chǎn)品，相比主流0.35mm2或0.5mm2銅導(dǎo)線在降低導(dǎo)線成本和輕量化兩個方面起到了積極的作用。值得一提的是，合金導(dǎo)線目前有銅錫和銅鎂兩種配方，銅鎂合金導(dǎo)線在各項(xiàng)性能中均稍優(yōu)于銅錫導(dǎo)線。但考慮加工工藝的復(fù)雜程度和材料成本，目前銅錫合金導(dǎo)線有逐漸替代銅鎂合金導(dǎo)線的趨勢。

3）鋁導(dǎo)線的機(jī)械性能和導(dǎo)電率均排名墊底，但成本低、質(zhì)量輕是最顯著的優(yōu)勢 （成本和質(zhì)量均約為銅的1／3）?？紤]其較低的導(dǎo)電率 （約為銅的60%），較差的機(jī)械性能和復(fù)雜的端子壓接和密封工藝，小平方鋁導(dǎo)線 （10mm2以下）尚處在探索階段，目前主要應(yīng)用在大平方回路中，例如蓄電池正／負(fù)極線、起動機(jī)／發(fā)電機(jī)線等。

2.2 鋁導(dǎo)線端子壓接特殊性說明

針對鋁導(dǎo)線的端子壓接性能主要有兩種失效模式：表面氧化和電化學(xué)腐蝕。其一因鋁的化學(xué)特性較銅活潑，暴露在空氣中表面極易產(chǎn)生氧化層。氧化鋁為絕緣材料，如沿用銅導(dǎo)線的壓接方式會造成電阻率升高進(jìn)而導(dǎo)致電壓降過高引起電器功能失效等問題。其二電化學(xué)腐蝕，鋁較低的抗張強(qiáng)度妨礙有效地使用傳統(tǒng)的壓接技術(shù)。壓接時端子擠壓導(dǎo)線，使鋁導(dǎo)線產(chǎn)生冷變形，擠壓后導(dǎo)線內(nèi)能升高，使其化學(xué)性能不穩(wěn)定，且易被腐蝕，從而產(chǎn)生氧化，氧化后電阻升高導(dǎo)致電壓降過高引起電器功能失效。

針對如上2種失效模式，主要的解決措施有3種：①鋁導(dǎo)線預(yù)處理，去除鋁表面的氧化層，通過用壓接端子接觸面替代導(dǎo)體氧化表面。②確保壓接連接無縫，密封。壓接完成后填充環(huán)氧樹脂在終端和負(fù)載之間，然后在烤箱里迅速使接縫愈合。③增加粘接性線性收縮套管為端子和鋁導(dǎo)線的壓接區(qū)域提供額外的保護(hù)，使接頭穩(wěn)固，防止冷熱交變對壓接區(qū)域產(chǎn)生影響。

3 特殊單芯導(dǎo)線

考慮目前整車主流的應(yīng)用場景，本文將對超薄壁導(dǎo)線和超柔導(dǎo)線兩種特殊單芯導(dǎo)線展開分析。根據(jù)不同OEM整車制造商的線束設(shè)計(jì)橫向?qū)Ρ?，這兩種單芯導(dǎo)線均有較成熟和廣泛的應(yīng)用。

3.1 超薄壁導(dǎo)線

根據(jù)DIN-72551規(guī)范定義，按照導(dǎo)線絕緣層厚度分為FL、FLR、FLU系列，分別對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)絕緣皮導(dǎo)線、薄壁絕緣皮導(dǎo)線、超薄壁絕緣皮厚度導(dǎo)線。隨著絕緣皮材料的發(fā)展，目前主流的DIN標(biāo)導(dǎo)線基本都選用FLR系列，即薄壁導(dǎo)線。FL系列導(dǎo)線只在大平方導(dǎo)線 （16mm2以上）中有應(yīng)用，如蓄電池正／負(fù)極線、起動機(jī)線等。

如表2所示，列舉了相同導(dǎo)線截面積 （0.5mm2）不同絕緣皮壁厚度的尺寸參數(shù)。得出3個結(jié)論：①超薄壁導(dǎo)線 （FLU）和薄壁導(dǎo)線 （FLR）的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)完全相同，因此導(dǎo)線的載流能力和端子壓接性能基本相同。②超薄壁導(dǎo)線 （FLU）的體積較薄壁導(dǎo)線 （FLR）降低約11%。③超薄壁導(dǎo)線 （FLU）較薄壁導(dǎo)線 （FLR）質(zhì)量降低約7%。

表2 不同類型導(dǎo)線的基本參數(shù)

超薄壁導(dǎo)線 （FLU）的絕緣皮厚度較薄壁導(dǎo)線 （FLR）低，因此在導(dǎo)線絕緣皮的耐刮磨性能上比薄壁導(dǎo)線 （FLR）差。根據(jù)LV112／ISO6722的導(dǎo)線絕緣皮耐刮磨性能測試的要求，相同線徑下，薄壁導(dǎo)線 （FLR）的耐刮磨循環(huán)次數(shù)最高達(dá)1300次，而超薄壁導(dǎo)線 （FLU）最高耐刮磨循環(huán)次數(shù)只有450次，約為薄壁導(dǎo)線 （FLR）的1／3。

由上述關(guān)于超薄壁導(dǎo)線 （FLU）的性能和特性分析可得出以下3點(diǎn)結(jié)論。

1）超薄壁導(dǎo)線 （FLU）質(zhì)量和體積相比薄壁導(dǎo)線（FLR）有較明顯的優(yōu)勢。

2）因超薄壁導(dǎo)線 （FLU）導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和薄壁導(dǎo)線 （FLR）一致，故電性能和端子壓接特性與薄壁導(dǎo)線 （FLR）基本一致，在導(dǎo)線選型替換上關(guān)于電氣性能基本不需要做額外的驗(yàn)證。

3）鑒于超薄壁導(dǎo)線 （FLU）的絕緣皮耐刮磨性能比薄壁導(dǎo)線 （FLR）低，在導(dǎo)線的替代上需要考慮實(shí)際的環(huán)境。參考主流OEM的設(shè)計(jì)方案，超薄壁導(dǎo)線 （FLU）主要應(yīng)用在內(nèi)艙靜態(tài)區(qū)域。

3.2 超柔導(dǎo)線

超柔導(dǎo)線顧名思義，導(dǎo)線的柔軟度相比普通導(dǎo)線高，在彎折工況下不易出現(xiàn)疲勞斷裂。柔性導(dǎo)線的特性主要由導(dǎo)體材質(zhì)、導(dǎo)體絞合方式、絕緣層材質(zhì)3個方面共同決定，可從這3個方面入手分析柔性導(dǎo)線相比普通導(dǎo)線的特殊性和主要應(yīng)用場景。

1）導(dǎo)線的導(dǎo)體材質(zhì)在導(dǎo)線的的機(jī)械性能方面起決定性作用，目前銅、合金、鋁3種材質(zhì)各有優(yōu)劣，針對柔性導(dǎo)線，主要考量兩個機(jī)械性能，即斷裂延伸率和拉伸強(qiáng)度 （表3）。由此可以得出結(jié)論：銅的斷裂延伸率最高，拉伸強(qiáng)度比銅錫合金低，故在導(dǎo)體材質(zhì)綜合性能中銅是最佳選擇。

表3 不同導(dǎo)體機(jī)械性能對比

2）導(dǎo)體的絞合方式對導(dǎo)線最終的柔軟程度起到重要的作用。根據(jù)DIN-72551規(guī)范定義，導(dǎo)體的絞合方式分為-A（對稱導(dǎo)體結(jié)構(gòu)），-B（非對稱導(dǎo)體結(jié)構(gòu)），-C（不對稱細(xì)線多股導(dǎo)體結(jié)構(gòu)）3種。超柔導(dǎo)線選用-C的絞合方式即不對稱細(xì)線多股導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。如圖5所示，3種不同的導(dǎo)體絞合方式，其中-C的絞合方式最為復(fù)雜成本最高。

3）導(dǎo)線絕緣層的材料選擇對導(dǎo)線的性能和柔軟程度同樣至關(guān)重要，如表4所示，列舉了目前汽車導(dǎo)線常用的幾類絕緣皮材料性能參數(shù)，根據(jù)拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率的性能，其中TPE為最佳。目前汽車上所使用導(dǎo)線的絕緣層材料大多是PVC，能夠滿足一般區(qū)域的常規(guī)柔韌性要求，并且相比于PE、PP材料擁有更好的絕緣品質(zhì)及性能；交聯(lián)塑料各方面性能居中，但設(shè)備投資及生產(chǎn)成本較高；TPE材料具有出色的柔韌性和彈性，能夠滿足某些對柔韌性有特殊需求的區(qū)域。此外，TPE材料還擁有良好的耐高、低溫性，耐油性等，并且加工工藝簡單。因此，汽車用柔性導(dǎo)線的絕緣層材料主要以TPE為主。

表4 不同絕緣層材質(zhì)的性能參數(shù)

經(jīng)過關(guān)于導(dǎo)線導(dǎo)體材質(zhì)、導(dǎo)體絞合方式、導(dǎo)線絕緣層材質(zhì)3點(diǎn)的分析，可以看出超柔導(dǎo)線因其特殊的性能要求，材質(zhì)和加工工藝的選擇相比常規(guī)導(dǎo)線都有本質(zhì)的區(qū)別。因此超柔導(dǎo)線的加工復(fù)雜程度和生產(chǎn)成本比常規(guī)導(dǎo)線高，在整車線束設(shè)計(jì)中超柔導(dǎo)線只應(yīng)用在幾個特殊的環(huán)境?？紤]到超柔導(dǎo)線的機(jī)械特性，即比常規(guī)導(dǎo)線更加柔軟，不易疲勞斷裂。在整車相對運(yùn)動較大的區(qū)域一般會選用超柔導(dǎo)線，目的是增加線束的疲勞耐久性能，在相對運(yùn)動頻繁的區(qū)域，在整車的生命周期內(nèi)保證信號和電源傳輸可靠進(jìn)而提高整車功能的可靠性。目前主要的應(yīng)用環(huán)境有ABS線束和滑移門線束 （拖鏈結(jié)構(gòu)），如圖6所示。

圖6 超柔導(dǎo)線的應(yīng)用環(huán)境

ABS線束，布置在車身與副車身之間，隨車輛行駛產(chǎn)生頻繁的相對運(yùn)動，需要導(dǎo)線具備更高的抗疲勞耐久性能。

滑移門線束布置在滑移門和車身的連接處，因滑移門的運(yùn)動特性導(dǎo)致門和車身的相對運(yùn)動范圍較大，進(jìn)而滑移門線束也會產(chǎn)生較大的運(yùn)動形變。此類設(shè)計(jì)多采用超柔導(dǎo)線和拖鏈支架的結(jié)構(gòu)共同保證滑移門線束的機(jī)械性能，提高可靠性。傳統(tǒng)開合式車門因門線束與車身連接處相對運(yùn)動較小，一般不用超柔導(dǎo)線的設(shè)計(jì)，主要通過線束預(yù)留長度和車門的開合耐久試驗(yàn)共同保證設(shè)計(jì)可靠性。

4 汽車導(dǎo)線設(shè)計(jì)趨勢總結(jié)

隨著整車電氣化發(fā)展，人機(jī)交互的功能需求日益增長，車載電器的數(shù)量和復(fù)雜程度也日益增加，汽車線束作為整車的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)線用量上升成為大趨勢。如何在有限的車身空間中布置線束，如何保證零件質(zhì)量在合理區(qū)間，如何在功能增加線束復(fù)雜程度上升的情況下保證成本是一項(xiàng)異常艱巨且復(fù)雜的工作。通過關(guān)于單芯導(dǎo)線材質(zhì)和性能、特殊單芯導(dǎo)線特性的分析和應(yīng)用研究，我們可以總結(jié)出目前汽車導(dǎo)線的設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢，旨在為今后的線束設(shè)計(jì)提供一個視角。導(dǎo)線設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢總結(jié)為3點(diǎn)：減重、省空間、低成本。

圖7 線束散件質(zhì)量分布

導(dǎo)線作為線束總成中質(zhì)量占比最大的零件 （圖7），導(dǎo)線減重對線束總成有重要的貢獻(xiàn)。0.13mm2導(dǎo)線、鋁導(dǎo)線、超薄壁導(dǎo)線的應(yīng)用是今后的發(fā)展方向。另外0.13mm2導(dǎo)線、超薄壁導(dǎo)線相比于傳統(tǒng)0.35／0.5mm2導(dǎo)線有更小的體積，在省空間方面也起著重要作用。低成本方案從線束總成的角度有很多類型，涉及導(dǎo)線主要是最大程度降低銅的使用，將0.35／0.5mm2導(dǎo)線替代為0.13mm2，或者大平方導(dǎo)線選用鋁導(dǎo)線均為有效且成熟的解決方案。