铝棒导线在汽车线束领域的应用

2021年6月3日
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导线是线束的重要组成部分,占线束成本的30%。目前导线常用到的导体材质有纯铜、铜合金、铝等,其中铜铝导电率比为1:0.629,铜铝价格比为1:0.4,铜铝密度比为1:0.3,因此铝导线具有性能、价格、质量上的优势,是铜芯导线较为理想的替代材料。铝棒导线作为单芯导线不仅具有铝导线价格低、密度低的优良特性,还改善了铝导线导电率低的问题,正在逐渐被各大主机厂认可和应用。本文主要介绍铝棒导线在整车线束上的应用。

1 铝棒导线的特点

铝棒导线与常规导线相比,有很大的差异和特点。如图1所示,我们可以看到铝棒导线与传统导线的结构对比。首先,铝棒导线的横截面为长方形,整体为扁平导线。而扁平导线具有节省空间的特点。如:可以安装在地毯下方或者顶棚上方。其次,铝棒导线并不像传统导线一样,由多根铜丝/铝丝绞合在一起,故铝棒导线没有易弯曲的特性。

铝棒导线是同时具有刚性和一定柔性的导线,它在生产成型的时候就通过弯折工艺,有效控制了铝棒导线的成型结构。工差小,且结构稳定。铝棒导线的刚性优良特点和成型工艺使得铝棒导线在整车装配的时候更易安装,只需一个人就可以轻松完成装配。一定的柔性增加了铝棒导线的安装冗余,避免了安装不上的困扰。

最后,铝棒导线的整根铝棒的结构提高了铝棒导线的导电性能,使得铝棒导线等效于相同线径的铜线的导电性能,故它大大减轻整车导线的质量,有利于整车轻量化发展。

图1 铝棒导线和传统导线对比图

铝棒导线在汽车线束领域的应用

2 铝棒导线的应用

铝棒导线的规格范围为25~160mm2,通常可以承载的持续电流最大范围为80~180A。如表1所示,目前铝棒导线按耐温等级分为:A~F类,最高可耐温度分别为:85℃,100℃,125℃,150℃,175℃,200℃。我们常用的铝棒导线有:100℃铝棒导线绝缘层材料为PVC;125℃铝棒导线绝缘层材料为PA12;150℃铝棒导线绝缘层材料为TPE;200℃铝棒导线绝缘层材料为硅橡胶。基于以上特点,铝棒导线正逐渐开始应用于微混和纯电动车辆上,如图2所示。

表1 铝棒导线温度等级分类

铝棒导线在汽车线束领域的应用

例如:通用、奔驰、宝马、路虎、保时捷等知名OEM已经开始使用铝棒线束的设计。

图2 铝棒导线汽车应用示意图

铝棒导线在汽车线束领域的应用

2.1 铝棒导线的生产工艺

铝棒导线生产工艺流程如图3所示。由于铝棒导线具有一定的刚性和柔性,在弯折之前需要对铝棒导线进行校直。此步骤是保证后续XYZ轴弯折精度的前提。校直后的铝棒导线先用弯折机进行XY轴的弯折。弯折后,根据定义对铝棒导线进行头部和中间部位的剥皮,再将热缩管预装上。将导线通过超声波焊接的方式焊接到铝棒导线上,并在铝棒导线外包裹覆盖物。

图3 铝棒导线生产工艺流程图

铝棒导线在汽车线束领域的应用

之后,我们用弯折机对铝棒导线Z轴进行弯折。得到XYZ轴上都是满足定义的铝棒导线之后,进行组装,例如装配卡扣、支架等零件。最后,将完成组装的铝棒导线进行电性能测试,保证电性能。由于铝棒导线的特殊特性,它的生产工艺和传统导线的生产工艺有所不同,主要体现在铝线的校直和X/Y/Z轴的弯折上。铝棒导线弯折示意图如图4所示。

图4 铝棒导线弯折示意图

铝棒导线在汽车线束领域的应用

2.2 铝棒导线焊接方式介绍

为了保证铝棒导线在整车复杂的环境下,能进行有效的能力传递,避免出现压力降,我们需要提供高品质的焊接点。目前,铝棒导线常见焊接方式有摩擦焊接、超声波焊接和电阻焊接,如图5所示。

图5 铝棒导线焊接方式

铝棒导线在汽车线束领域的应用

1) 摩擦焊常用来焊接连接不锈钢的螺柱、螺母等紧固件与铝棒导线的连接,主要应用于搭铁功能。此外,铜或者黄铜与铝棒导线的焊接也可以适用摩擦焊。

2) 超声波焊可以将普通铜线或铝线与铝棒导线有效焊接在一起。还可以将铜/铝端子垂直铝棒导线90°焊接。

3) 电阻焊可以将铝线与铝端子有效地焊接在一起。

2.3 铝棒导线常见问题及改善方案

铝棒导线在应用过程中会出现的常见问题和改善对策可以总结归纳如下。

1) 铝棒导线与白车身尺寸匹配度差,装配时与车身不贴合,导致装配困难。这类问题的改善,要求铝棒导线从设计到生产都需要精准的控制。在设计时,铝棒导线的弯折和走向就要严格根据车身定义进行设置。铝棒导线在车身上的固定卡扣也建议选用有冗余范围的卡扣,以避免装配困难。铝棒导线在切线和弯折的时候需要有机器严格控制铝棒导线的尺寸和弯折角度。

2) 铝棒导线穿舱防水问题。如何完成铝棒导线从座舱到发动机舱的过渡且保证良好的防水性能是铝棒导线设计的一大重点难点。为了保证铝棒导线穿舱的易装配性,可以采用在铝棒导线上焊接传统导线来穿舱的方式解决此问题。传统导线的柔性一方面增加了铝棒导线的灵活性便于安装,一方面降低了对铝棒导线尺寸和精度的要求,更方便设计和应用。而穿舱的结构可以采用传统的橡胶护套穿舱,简单易设计,也可以采用在端子对接的穿舱设计。无论哪种设计,都需要保证穿舱结构与车身的良好配合,以实现优良的防水性能。

3) 铝棒导线焊接传统导线结构常出现走向布置不合理的情况。由于铝棒导线的扁平结构,它有节省布置空间的特性,故一般铝棒导线的布置都在车辆的地毯下方或内饰内部。而在铝棒导线上焊接传统导线就破坏了铝棒导线这一特性。焊接的传统导线不仅是圆形导线,而且公差大,尺寸不宜控制,后期装配在内饰内部的时候常出现干涉或者装配空间不足的问题。所以,焊接传统导线的方式是把双刃剑。我们在应用时应该尽量控制焊接传统导线的数量,并结合整车环境,尽量严格控制焊接位置和传统导线尺寸及公差。

3 结论

随着微混和纯电动车的发展,铝棒导线多方面的优良特性逐步被人们所熟知,铝棒导线在各OEM的应用越来越广泛。铝棒导线的特殊性是铝棒导线设计应用中的重点难点。本文对铝棒导线的特性和特殊的生产工艺进行了介绍,重点归纳了铝棒导线在设计和使用中的常见问题及改善方案,对铝棒导线在整车上的设计和使用有一定的指导意义。

本文来源《汽车电器》,作者:颜婧, 周畔宇, 方成, 王宇, 欧文军,上汽通用汽车有限公司武汉分公司

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