谈谈汽车线束中的铝导线

2020年11月5日 评论 256 2328字

与铜相比,铝导线可将车身线束总重降低47%,对一般汽车而言,可减少约1.8公斤(4磅)的车重。使用铝导线,是减轻汽车重量、提高燃油经济性并减少二氧化碳排放的一个简单妙招。

汽车线束,通常被认为是一辆车的中枢神经系统,其将车载电脑与车辆上的各项相关功能连接在了一起。汽车线束在车内电子技术含量和数量,逐渐成为评价汽车性能的一项重要指标。随着我国汽车工业持续增长,汽车线束产业也得到快速发展。

汽车线束重量约占汽车重量的1~2%。据统计,一辆高级汽车的线束使用量已达2km,重量在20~30kg。汽车每行驶100km,25kg重的线束消耗能量约50W,相当于燃烧0.1kg的燃油。研究表明,若汽车整车重量降低10%,燃油消耗可降低8%;车重每减轻100kg,百公里油耗可降低0.3~0.6L,CO2排放量可减少约5g/km。因此,汽车线束的未来发展趋势是更细、更轻、更薄。

汽车给人们生活带来了许多便利,但也一直在消耗地球上的自然能源。随着汽车电子化、信息化的快速发展,汽车电子电气功能越来越多。这些电子设备的大量使用,使车内的电气布线越来越长、越来越复杂,汽车线束重量的增加,也导致整车成本和能耗的增加。

在这种情况下,铝导线不失为一个良好的解决方案。

铝导线的优点

铝导线相对于铜导线还有其特有的优势,其中较为明显的就是成本较低。铜的密度为8.9g/cm3,铝的密度为2.7g/cm3,在导体规格相同的情况下,铜导体的重量是铝导体的3.3倍。然而,铝的导电率只相当于铜的60%左右,在传输相同电流的情况下,铝导体的横截面积相对较大。

综合上述因素,要是两种导线具有同样的载流量,铜导线的质量约为铝导线的两倍,加之铜铝价格的差别,较终等效铜导线成本是铝导线的7倍左右。值得注意的是,由于同等条件下铝导线横截面积相对较大,因此铝芯电缆的绝缘、保护等材料需求增加,相应削减了铝导线的价格优势。目前市场上普遍采用的铝合金电缆的价格只有铜芯电缆的75%左右。

另外,从安装成本角度考虑,由于铝导线相对较轻,其在安装过程中,不需要桥架及穿管,可以节约大量的安装材料,相比铜导线节省20%-50%的安装成本。

铝导线面临的挑战

1 接头的问题

考虑到使用铝作为铜的替代物的关键问题是采用一个可信赖的方式实现电缆与终端端子的互联。几种因素共同促成要做到这点与铜相比更加困难。

1) 当曝露在空气中时,金属铝表面会很快氧化。氧化铝是电气绝缘材料。电缆和接线端之间的表面电阻会显著升高。

2) 铝较低的抗张强度妨碍有效的使用传统的压接技术。尽管最初的压接可能产生一个可接受的电阻。铝在外力作用下冷变形,压接的趋势将最终导致分界面变得不密闭,促使氧化产生。

3) 铝的高延伸系数加剧上面第2部分概括的情况,比如接缝处试验温度从环境条件和通过自加热影响导致偏移。

基于上面概括的铝的特性,遵循以下要点的任何过程都可能会是可行的:

1) 去除铝的氧化面;通过用压接端子接触面替代导体的氧化表面。

2) 确保接缝是无缝的,密闭的;通过填充环氧树脂在终端和负载之间,然后在烤箱里迅速使接缝愈合。

3) 接头稳固,防止冷和热交变:一个全面的粘接剂线形收缩套管提供额外的对周围环境的保护。

2 铝线的拉制和绞合和韧炼

铝的加工工艺相对困难,铝的强度低,延展性差。过去拉铝设备只有积蓄式铝拉丝机,效率非常低。目前已经发展到和铜一样可以连续拉制,效率几乎和铜相当,甚至国外已经发展出铝的多头拉丝技术,过去铝线的拉制很少达到1mm以下,目前最小甚至可以达到0.08mm,并在电磁线和编织线上开始使用。我们需要的0.2到0.8mm铝线在国内已经能够生产和提供拉制设备。

铝线的绞制相对困难,过去国内只有正规绞的设备,单丝直径较大。用束绞、复绞生产铝绞线国内没有先例,需要探索,对于张力的控制会更严格。一般的束线机可能会难以胜任。如果控制不好,很容易断丝,出席不均,表面发毛。不能正常生产和难于达到表面质量要求,甚至影响电阻,外径和接头和线束加工。对于复绞,可能几乎不可能成功,要么空隙较大,难于接头和端子连接,要们造成表面划伤,甚至断丝。

铝线的韧炼不能太大,基本属于半硬状态,否则机械强度不够,甚至难于加工。韧炼后的铝线,对束线机的要求很高,一般设备难以达到要求,所以即使在国外,也经常采用先绞后退后工艺,退火方式大致有几种:一是电阻是连续退火,和目前的铜线退火一样,这种主要问题是接触轮容易磨坏电线表面;二是感应式退火,和预热器原理一样,和导线接触较少,减轻了摩擦,但这2种方式只是应绞合前退火后小规格的电线绞合后退火,对于绞合后的大截面电线导体,难以找到这么大功率的退火设备。对于电瓶线的绞合后的退火,最现实的办法就是采用传统的地坑退火炉,即使在国外也是如此。

3 铝材的选择

汽车电线选择的铝材不仅要求大电性能好,而且相对有较好的强度和伸率,甚至耐热性能,适合拉制较细的单丝和绞合加工,这样的铝材实际不是纯铝,需要添加少量的镁,硅或者是铁等元素。牌号众多,适应不同需要,不同规格和功能的电线合适的导体用铝牌号,有待于我们进一步研究。而真正的纯铝虽然高达65%的导电率,因机械性能,耐热性能无法满足要求,是不能使用的。

总结

在铝导线成本优势明显、我国铜资源相对匮乏等因素的影响下,行业内企业亦加大相关技术的研发力度。近几年我国铝合金电缆行业在低压电缆技术转型升级和产品更新换代方面取得很大的成就。伴随着技术的不断成熟及市场认可度的日益提高,我国“铝代铜”规模有望大幅提高。( 周庆文 线束世界 )

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