銅合金材料在新能源汽車上的應(yīng)用研究

徐學(xué)林

摘要：隨著各國對(duì)空氣質(zhì)量要求的進(jìn)一步提高和非可再生資源——石油的枯竭，燃油車必然會(huì)慢慢退出歷史的舞臺(tái)，而新能源汽車在未來必將成為人們交通運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ摺Ｐ履茉雌嚨奶攸c(diǎn)必將是以電能運(yùn)用為主，在電能的加載、控制和應(yīng)用上離不開導(dǎo)電性能優(yōu)越的材料。本文筆者主要從銅合金材料的特點(diǎn)出發(fā)，以新能源汽車為載體，對(duì)銅合金材料在新能源汽車上的汽車線束、接插件等應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行研究，提出幾種銅合金材料在新能源汽車上應(yīng)用的技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞：銅合金材料;新能源汽車;汽車線束;接插件

0? 引言

國務(wù)院發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展指明了方向。《規(guī)劃》中明確指出要加強(qiáng)充電樁、加氫等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加快形成快充電為主的高速公路和城鄉(xiāng)公共充電網(wǎng)絡(luò);對(duì)作為公共設(shè)施的充電樁建設(shè)給予財(cái)政支持;鼓勵(lì)開展換電模式應(yīng)用;加大對(duì)公共服務(wù)領(lǐng)域使用新能源汽車的政策支持。從2021年起，國家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)、大氣污染防治重點(diǎn)區(qū)域新增或更新公交、出租、物流配送等公共領(lǐng)域車輛，新能源汽車比例不低于80%。另外充電站的主要電力設(shè)備為電力電纜及變壓器，此外還包括斷路器、熔斷器、各種開關(guān)、接插件等;充電樁的主要用銅部件包括充電電纜、充電機(jī)模塊、接插件及各種開關(guān)等。預(yù)計(jì)新能源汽車配套充電基礎(chǔ)設(shè)施部分可帶來約為十萬噸左右的銅需求量。

銅合金材料是指在純銅中加入一種或幾種其他元素的合金，其特點(diǎn)是具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐蝕性和耐磨性及高強(qiáng)度、耐疲勞性?？梢杂糜谥谱餍履茉雌嚿习l(fā)電機(jī)、高壓電纜線、開關(guān)裝置、變壓器等電器元件也可以用于制作汽車上耐磨、耐腐蝕的零件如：同步齒輪環(huán)、軸瓦、制動(dòng)系零件等。銅合金材料的耐磨性和抗腐蝕、抗疲勞性主要應(yīng)用于機(jī)械零件，這已經(jīng)在現(xiàn)有的燃油車上得到比較廣泛的應(yīng)用，這方面可以將其在燃油車上的應(yīng)用方式完全移到新能源汽車上，在此不做過多的研究和討論。

1? 銅合金材料在新能源汽車線束上的應(yīng)用

據(jù)國際銅業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)汽車內(nèi)燃機(jī)用銅23kg，混合電動(dòng)汽車用銅40kg，插電混合電動(dòng)汽車用銅60kg，電動(dòng)汽車用銅83kg。汽車線束是控制汽車電氣和電子元件功能的主要載體，是汽車的血管和神經(jīng)，為各電子元件提供動(dòng)力、傳遞和反饋信號(hào)。一整套汽車線束重量大概是20-30kg。它分為主線束/發(fā)動(dòng)機(jī)線束/座艙線束/儀表線束和小線束，不同位置的線束，工作溫度也是不一樣的，對(duì)線束銅合金材料的選擇也是不一樣。汽車線束根據(jù)導(dǎo)體數(shù)量可以分為單芯線/多芯線。根據(jù)是否需要屏蔽，可以分為非屏蔽線和屏蔽線。根據(jù)汽車線束耐電壓高低可以分為低壓線纜和高壓線纜，低壓線纜主要用于燃油車，而高壓線纜主要用于電動(dòng)車線束，其承載電壓約為600V。線束導(dǎo)體材料一般為退火純銅，根據(jù)汽車不同位置使用要求，也會(huì)采用一些銅合金。導(dǎo)體重量一般占線纜的75%，成本占線纜的70-80%。

汽車線束的發(fā)展趨勢(shì)主要向輕量化、高壓承載能力和大容量、高效率發(fā)展。新能源汽車相對(duì)于燃油車的不同主要在于儲(chǔ)能裝置和能量轉(zhuǎn)化裝置不同，燃油車的儲(chǔ)油箱在新能源汽車上就是電池（氫燃料車是氫氧燃料），燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)在新能汽車上換成了電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的可靠工作需要一套完整的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和高壓輸電系統(tǒng)，整車重量要高于燃油車。有研究表明倘若汽車重量減重10kg，那電動(dòng)汽車的續(xù)航里程將提升2.5km。因此，新能源汽車的輕量化已迫在眉睫。目前新能源汽車輕量化的處理方法是采用銅鋁合金材料替代現(xiàn)有的純銅材料。鋁相對(duì)于銅具有價(jià)格便宜和重量輕的優(yōu)點(diǎn)，被看成線束輕量化的重點(diǎn)發(fā)展材料，特別是隨著銅包鋁制備技術(shù)的不斷成熟，更看成銅合金材料理想替代者。但是，純鋁與銅包鋁合金材料的導(dǎo)電率只有60%IACS，要達(dá)到相同的載流量，導(dǎo)線線徑要比銅導(dǎo)線粗，增加布線困難。另外，由于鋁材料本身的性質(zhì)容易被氧化，又較柔軟，所以壓接之后的機(jī)械性能和電氣性能比較低。另外鋁和銅接觸會(huì)產(chǎn)生電偶腐蝕，壓接過程中對(duì)其防護(hù)也是一個(gè)難題。另外，有研究機(jī)構(gòu)提出對(duì)銅合金進(jìn)行微合金化，保證合金具有接近純銅合金導(dǎo)電率的前提下，提高合金的強(qiáng)度，同時(shí)可以提升材料的耐高溫性能。使用大量直徑非常小的單絲進(jìn)行絞合，可以達(dá)到輕質(zhì)化，同時(shí)有更好的耐彎曲，提高導(dǎo)體柔軟性。

新能源汽車采用的是大功率的電動(dòng)機(jī)，其輸電線束必須是能夠承載高壓大電流的線束，如果需要減少充電時(shí)間，也需要采用能承受高壓大電流的高壓線束。目前國內(nèi)有企業(yè)針對(duì)新能源汽車線束線纜高壓化的銅合金材料應(yīng)用提供了解決方案，該方案設(shè)計(jì)了抗電磁干擾屏蔽結(jié)構(gòu)，利用內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體（屏蔽）共同作用，電纜內(nèi)的磁場(chǎng)成同心圓分布，而電場(chǎng)從內(nèi)導(dǎo)體指向并止于外導(dǎo)體，使電纜周圍外部的電磁場(chǎng)為零，從而確保電動(dòng)車正常運(yùn)行。

隨著汽車向高度智能化方向的發(fā)展，新能源汽車的操控裝置也必將朝著智能化方向發(fā)展，現(xiàn)在是通過按鍵控制的功能在將來幾乎可以肯定完全通過語音控制能夠?qū)崿F(xiàn)，這需要線束能傳輸更高的速度和容量，線束智能化越來越明顯。

2? 銅合金在新能源汽車線束端子上的應(yīng)用

汽車線束的端子是汽車連接器完成電連接功能的核心部件，是汽車線束端子壓接和保證線束正常工作的關(guān)鍵。因此，對(duì)端子用銅合金材料的力學(xué)/導(dǎo)電/尤其抗應(yīng)力松弛和折彎成型性能有很高的要求，其重量一般占線束的15%左右。汽車線束端子向著更小的尺寸、更薄的厚度、更輕的重量，使用性能更加穩(wěn)定方向發(fā)展。目前應(yīng)用比較成熟的應(yīng)該算是銅鉻系合金，其憑借優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱等性能，深受市場(chǎng)青睞。銅鉻系合金的高溫固溶處理及形變熱處理技術(shù)大多還處于理論研究水平，并未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)。目前有銅鉻鋯合金在汽車接線端子上得到應(yīng)用，但此合金鋯元素含量的多少將直接影響固溶溫度，固溶處理與后續(xù)形變熱處理的合理匹配是決定合金性能的直接因素。另外，銅鉻系合金的折彎成形與力學(xué)性能調(diào)控技術(shù)也比較困難，合金的強(qiáng)化機(jī)制主要依靠時(shí)效強(qiáng)化和加工硬化，強(qiáng)化方式合理匹配將有利于折彎成形和強(qiáng)度的調(diào)控。還有，由于鋯元素容易在非真空環(huán)境下氧化，造成成分不均勻，限制材料的使用，因此并未實(shí)現(xiàn)大量的應(yīng)用。銅鉻合金的利用發(fā)展根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，全面考察合金元素協(xié)同作用對(duì)銅鉻系合金的綜合性能的影響，選擇合理的替代元素。目前，國內(nèi)有企業(yè)通過大量的研究，突破了銅鉻合金系材料的各項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)銅鉻合金材料產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，性能與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)。綜合來看，銅鉻合金材料具有更高的導(dǎo)電率，性能可以作為未來新能源汽車線束線纜用端子的理想選擇。

3? 幾種銅合金材料應(yīng)用于新能源汽車的可行性分析

銅鎳硅合金：此合金是以銅鎳合金為基礎(chǔ)加入硅的白銅。如表1所示，銅鎳硅合金主要指含0.5-7.5%Ni、0.05-4%Si，余量為銅和其他元素和雜質(zhì)，各成分含量的不同，材料的性能也有區(qū)別，這需要具體實(shí)驗(yàn)測(cè)量。此類合金材料冷加工性優(yōu)越、熱成型好，冷熱釬焊和氣體保護(hù)焊性能也比較好，具有高強(qiáng)度、高彈性、較好的導(dǎo)電性能及良好的抗應(yīng)力松弛性能。制造需要良好的成型性能、又有高耐力松弛能力和導(dǎo)電性能的高強(qiáng)度零件，可以用于新能源汽車如觸點(diǎn)彈簧、接插件、引線框架等器件。

銅錫合金：俗稱青銅，是我國冶金行業(yè)里最早出現(xiàn)的合金，古代主要應(yīng)用于兵器、樂器及生活用品中。表2所示，為幾種常見的銅錫合金材料的化學(xué)組成，其特點(diǎn)是鑄造性能優(yōu)越﹑減摩性能好和機(jī)械性能好，可以用于制造新能源汽車上軸承、蝸輪、齒輪等需要耐磨的零件。此外在合金中加入微量的鈹元素和磷元素后具有比較好的彈性和導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，適宜制造新能源汽車上精密彈簧和使用頻率較高的接插元件。

銅鋅合金：俗稱黃銅，如表3所示，此類合金是以添加鋅元素為主的銅合金。此合金具有非常優(yōu)越的冷加工性能，非常適合電子元件的批量生產(chǎn)特點(diǎn)。此外在合金中加入微量的鋁、鎳、錳、錫、硅、鉛等元素，可以顯著提升合金材料的強(qiáng)度、抗磨性和耐腐蝕性，同時(shí)也具備良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，適于新能源汽車上電池組件及需要經(jīng)常插拔的接線插頭元件。

4? 總結(jié)

高性能銅合金材料普遍具有高強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性等機(jī)械性能，同時(shí)也具備良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗松弛性，是作為新能源汽車線束、電池附屬配件、接插件理想的材料。隨著新能源汽車的興起，它們必將廣泛地應(yīng)用于新能源汽車的散熱系統(tǒng)、電子電力系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)及液壓等系統(tǒng)，是汽車的重要元器件的關(guān)鍵基礎(chǔ)原材料。新能源汽車行業(yè)已成為銅合金材料重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一;隨著新能源汽車向著電動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，對(duì)銅合金材料的綜合性能提出更高的要求。鑒于材料成本和車型材料固定化，目前新能源汽車元器件材料主要以銅鋅合金、銅錫合金和部分銅鎳合金為主。高性能銅合金的推廣使用，需要在產(chǎn)-教-學(xué)-研-用五方的共同努力下進(jìn)行，共同推進(jìn)新能源汽車行業(yè)和銅合金加工行業(yè)向高端方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉前立，趙高楊.汽車接插件用Cu-Ni-Sn合金的特性研究[A].中國儀器儀表學(xué)會(huì)儀表材料分會(huì)會(huì)議論文集，2014.

[2]方小亮，鄭合靜.銅基粉末冶金摩擦材料的應(yīng)用及展望[J].粉末冶金技術(shù)，2020（04）：313.

[3]付龍虎.汽車用銅材表面電泳沉積氧化鋁納米膜[J].電鍍與環(huán)保，2019（05）：4-6.

[4]孫樂春.汽車電氣系統(tǒng)輕量化研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2019.