铝导线在商用车上的应用研究

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当前汽车电线束的轻量化技术研究已成为必然趋势,通过将电线束的质量降低,达到整车降重、降成本、提高燃油经济性和减少排放的目的。本文线束工程师之家主要介绍下铝导线在商用车上的应用研究。

目前国内铝电源线在乘用车上已成熟应用,例如大众、通用和丰田等部分系列车型上的电源线均有采用铝电源线,但在商用车上国内还没有应用。由于铝导线质量轻、成本低廉、资源储备丰富且电气性能稳定可靠的优势,逐渐成为汽车用导线的最佳选择。但铝导线在应用中也存在一定的缺点,例如:铝导线本身容易被氧化形成氧化铝,不太容易焊接,铝线和端子之间的连接较困难;加之铝较柔软,压接之后的机械性能和电气性能比较低,在压接区域易产生电偶腐蚀和间隙腐蚀,商用车恶劣振动环境,对铝导线的机械性能也是考验。

1 基本参数对比

以铜材料为基准的对比,详见表1。

铝导线在商用车上的应用研究

常温下同等载流量的铝电源线和铜电源线基本参数的对比见表2,样品测量数据如表3所示。

由此可见,导线越长,相应地降重、降成本效果越明显。

2 铝导线与端子的连接工艺

目前汽车导线和端子主要材料为铜,表面镀锡、镀银和镀金等处理,铜在空气中不容易被氧化,压接后机械性能和电性能都非常稳定,如图1所示。由于铝导线表面易被氧化形成氧化铝,导电性也会很大程度的被削减,而且铝较柔软,应用传统的压

接工艺很难保证其机械性能和电性能,如图2所示。

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图3和图4是两种有效的铜铝端子压接、焊接工艺,很好地解决了铝导线在应用过程中的压接瓶颈问题。

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通过端子压接位置的切片可以看出:铝线和铝端子通过挤压或冲压已融为一体,断面光亮无孔隙,也就是说端子冲压后内腔形成了一个真空区,杜绝了内部铝线氧化,如图5所示;同时,也使得铝线的拉脱力足以承受各种恶劣的振动环境。

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3 载流量计算分析

用铝导线替代铜导线作为车辆起动用电源线,应按照等载流量原则进行分析计算:

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式中:I———导线在温度T下的载流量,A;T———导线温度,℃;T0———环境温度,(23±5)℃;RT———温度为T时的单位长度导线电阻,Ω/m;r1———导线绝缘层单位长度热阻,℃·m / W;r2———导线表面和周围空气之间单位长度阻,℃·m /W

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85mm2铝电源线载流量测试如图6分别在导线的A、B、C、D点粘接热电偶,将两根被测导线串联,如图7所示,共设置10个热电偶进行温度监测,以0.5A步长增加,直到达到预估载流量值或高于室温55℃时电流值中最小的一个,两种不同工艺的载流量测试结果如图8示

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由测试结果可以看出:当T端子压接部位温度高于环境温度55℃时,铝导线载流量为300A,与理论计算结果相近。

同等载流量铝、铜电源线端子压接点电压降和拉力电压降测试如图9所示。

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随机选取6根导线样本进行电压降测试,随机样本的电压降结果如表6所示。

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85mm2铝电源线初始压接电阻≤0.018mΩ /A,压接电阻变化≤0.002mΩ /A,对所有样本进行端子试验前后电压降测试,如图10所示。由测试结果可以看出A、B两种压接工艺端子部位试验前电压降小于标准要求一个数量级,试验后部分样本电压降达到标准要求数量级,且均远小于0.06mV /A。

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由图11、图12测试曲线可以看出:A型工艺有效的拉脱力均大于4800N,B型工艺有效的拉脱力均大于4400N,满足整车电源线拉脱力使用要求。

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6 抗振动与冲击性能

商用车的振动环境较乘用车相比恶劣很多,尤其发动机位置最为恶劣,起动电源线通常从蓄电池正极开始横跨变速器后与起动机相连,由于铝导线自身的一些特性缺陷,其抗振动和冲击性能是其能否在商用车上应用的主要瓶颈,MTS试验后导线不能出现断丝、绝缘皮损伤和电压降增加等影响整车起动性能的问题。振动试验如图13所示,振动试验参数选择见表7,冲击性能试验如图14所示,冲击试验参数选择见表8。

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7 铝电源线的绝缘防护

用同等载流量的铝导线代替铜导线后导线截面积增加加之新的焊接、压接工艺使得端子压接区域变长,如使用PVC做外部绝缘会因为硬度大,使得导线在整车上的走线布置困难,但PVC材料阻燃性好、耐磨和刮擦能力强。为改善因截面积增加导致走线布置困难的问题,也可以选择硅橡胶材料,其柔软、弹性好、耐高温和低温能力强,使用温度范围在-90~300℃,具有优良的耐候性,对高压电晕放电和电弧放电具有很好的抵抗性,缺点是抗撕裂能力差,可通过外敷波纹管等方式加以保护,如图15所示,根据不同的使用条件合理选择绝缘材料

通过对比分析同等载流量的铝、铜电源线的基本参数、性能和铝电源线端子压接技术和工艺的介绍,以及针对铝电源线所做的各项试验,证明了在轻型商用车上用铝电源线替代铜电源线在理论上是可行的。

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