鋁導(dǎo)體電纜在汽車上的應(yīng)用

施愛偉

摘要：鋁的導(dǎo)電率僅次于銅，而比重還不到銅的1/3，以鋁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅作為汽車布線的導(dǎo)電材料，可以大大降低車內(nèi)電氣布線系統(tǒng)的重量，減少能源消耗從而減少排放，對(duì)車輛的安全、節(jié)能和環(huán)保都有好處。鋁的資源豐富，價(jià)格相對(duì)低廉 有利于車輛的成本控制。成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。本文分析了汽車使用鋁電纜的可行性，方式方法，存在的問題和解決途徑。以便于汽車電氣布線設(shè)計(jì)的時(shí)的優(yōu)化和選型。

關(guān)鍵詞：鋁芯電纜，鋁導(dǎo)體，鋁汽車電纜，線束，電纜組件

1．引言

汽車電纜一貫是以銅作為導(dǎo)體材料。用銅絞線作為導(dǎo)體的汽車電線，具有低的電阻，高的熱傳導(dǎo)率、抗疲勞和機(jī)械強(qiáng)度，而且加工容易，技術(shù)成熟。近年來，銅金屬的價(jià)格一升再升，使用銅金屬做導(dǎo)體的汽車電線的成本急劇增加，我國(guó)每年需要進(jìn)口大量銅，銅的價(jià)格受國(guó)際市場(chǎng)影響波動(dòng)非常大，給汽車電氣行業(yè)造成很多不確定因素。

我國(guó)鋁資源極為豐富，價(jià)格相對(duì)低廉。國(guó)內(nèi)電工用鋁和鋁合金產(chǎn)品品種齊全，貨源充足。以鋁代銅是一條降低成本的途徑，適合我國(guó)的國(guó)情。

鋁導(dǎo)體用于汽車電線不僅僅降低成本，而且也大大降低重量，對(duì)于車輛的安全節(jié)能很有好處?，F(xiàn)代車輛技術(shù)的發(fā)展趨向于節(jié)約燃料和改善車輛的和尾氣排放，另外從安全考慮將蓄電池從引擎蓋下目前趨于移到儲(chǔ)物倉中。電瓶線長(zhǎng)度達(dá)6m，要求電阻不大于1mΩ。這兩方面都直接與車輛的重量有關(guān)，這就提供了一個(gè)促進(jìn)因素去研究，是否有較輕的可用在車輛上的替代物，比如鋁。根據(jù)資料，轎車上每取得100公斤的質(zhì)量減少，平均每100公里可節(jié)省0.35 L燃料和每公里可減少9 g二氧化碳排放。此外，這種汽車的重量減少是在不影響旅游安全的情況下完成，因此在汽車行業(yè)的鋁部件的應(yīng)用大大減少了環(huán)境污染，并減少通過汽車尾氣管道溫室氣體的排放。鋁的回收很容易，從而可節(jié)省95％的原鋁生產(chǎn)所需的能源，有助于保護(hù)環(huán)境。

近年汽車的重量增加已引起人們的重視，盡管事實(shí)上，重量會(huì)直接轉(zhuǎn)換成燃料的消耗和尾氣的排放。這種趨勢(shì)是來自消費(fèi)者的喜好和制造商推薦更舒適，更安全的汽車，為改善這些車輛的性能參數(shù)而采用大型部件從而使重量增大。

汽車設(shè)計(jì)引進(jìn)鋁部件的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是提高了功率重量比，提高了車輛的加速和縮短制動(dòng)距離。此外，汽車的重量減少可以用較用小的剎車器即可取得滿意的剎車性能，即在路面出現(xiàn)緊急事故較輕的車是比較容易控制，從而提高了駕駛?cè)耍渌每?，道路上行人的安全系?shù)。

用低成本的鋁代替銅材方面國(guó)內(nèi)外都取得了重要突破，而日本在上世紀(jì)90年代即已制定了鋁汽車電線的標(biāo)準(zhǔn)JASO D603，最新版本是2011版。德國(guó)也制定了鋁汽車電線的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（LV112-2），鋁汽車電線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也在制定中（ISO 6722-2）。

2  鋁的特性

地殼中約含有8 ％的鋁的化合物，所以鋁是最普通的金屬元素。鋁大多數(shù)以鋁土礦的形式存在，這里面含有鋁和鐵的混合物。提煉過程首先轉(zhuǎn)化成氧化鋁，然后在熔爐里轉(zhuǎn)化成金屬的形式。鋁可以與其它元素融合，以獲得要求的物理屬性，比如銅、鎂、硅和鋅。鋁及鋁合金種類眾多，應(yīng)用在汽車導(dǎo)體的鋁主要為以下2類，：

電工鋁，1350（Al：99.5%），（1370（Al：99.7%）

合金鋁：1310-50（AiMgSi合金）8310等

鋁和銅之間的要點(diǎn)比較概括如下：

鋁線與銅線在重量和直徑相同的條件下，鋁線與銅線的長(zhǎng)度比 10：3。購買1 噸鋁線體積相當(dāng)于購買了3.3 噸銅線。

鋁的電阻率比銅的高，這意味著對(duì)于在一個(gè)給定的電壓降下，鋁導(dǎo)體必須有較大橫截面積。對(duì)應(yīng)95，70，50，35mm2的銅線，鋁線的截面積應(yīng)是：150，120，80，50。

鋁的價(jià)格比銅便宜得多，比重輕，在相同載流量的條件下，重量降低50%，成本降低80%

3．鋁導(dǎo)體在汽車電線上的應(yīng)用分析

a）  電瓶線

電瓶線截面積大。耗銅多，重量重，成本高，并且主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)艙里，空間開闊，不受體積增大的影響，最適合使用鋁導(dǎo)體。電瓶線用鋁可以采用價(jià)格低廉,性能優(yōu)良,導(dǎo)電率高的電工鋁

b） 線束原線，

線束原線在長(zhǎng)度上占有汽車導(dǎo)線的絕對(duì)比例，如果采用鋁線，為了保證相同的載流量，一般選擇的截面積要增大一個(gè)等級(jí)，外徑會(huì)隨之增大，這樣線束的體積會(huì)變大從而妨礙裝車，對(duì)于用線量很多的高檔次車輛是不合適的，但對(duì)于我國(guó)大量存在的低檔轎車，卡車和農(nóng)用車，也應(yīng)該是可行的。線束用線隨著截面積的變小，對(duì)于導(dǎo)體的機(jī)械性能要求更高，一般要采用合金鋁，國(guó)外通常使用131050鋁合金，這種材料機(jī)械強(qiáng)度好，導(dǎo)電率又高，國(guó)內(nèi)是否有合適材料，有待研究。

雖然目前銅包鋁線也比較普及，銅包鋁材料銅包鋁線的加工使用性能更好，拉制相對(duì)容易，容易接頭，壓端子。容易被用戶接受。但幾個(gè)關(guān)鍵因素制約著銅包鋁的普及。一是銅包鋁不易回收，浪費(fèi)資源。和循環(huán)經(jīng)濟(jì)不協(xié)調(diào)。二是銅包鋁價(jià)格貴，重量比鋁重，綜合成本高，重量和成本的減低有限。

4．尺寸、成本、重量分析

采用鋁線，一般在規(guī)格上提高一個(gè)檔次，即可滿足原有電纜載流量需要，無需改變?cè)薪泳€端子規(guī)格系列，以方便使用。根據(jù)銅導(dǎo)體和鋁導(dǎo)體的電阻率并結(jié)合其密度可以計(jì)算出成本節(jié)約量。在相同的電阻和載流量下，鋁導(dǎo)體和銅導(dǎo)體相比尺寸增大，而重量卻降低52%，成本減少86%。

5．鋁電線存在的問題

5.1  接頭的問題

考慮到使用鋁作為銅的替代物的關(guān)鍵問題是采用一個(gè)可信賴的方式實(shí)現(xiàn)電纜與終端端子的互聯(lián)。幾種因素共同促成要做到這點(diǎn)與銅相比更加困難。

1） 當(dāng)曝露在空氣中時(shí)，金屬鋁表面會(huì)很快氧化。氧化鋁是電氣絕緣材料。電纜和接線端之間的表面電阻會(huì)顯著升高。

2） 鋁較低的抗張強(qiáng)度妨礙有效的使用傳統(tǒng)的壓接技術(shù)。盡管最初的壓接可能產(chǎn)生一個(gè)可接受的電阻。鋁在外力作用下冷變形，壓接的趨勢(shì)將最終導(dǎo)致分界面變得不密閉，促使氧化產(chǎn)生。

3） 鋁的高延伸系數(shù)加劇上面第2 部分概括的情況，比如接縫處試驗(yàn)溫度從環(huán)境條件和通過自加熱影響導(dǎo)致偏移。

基于上面概括的鋁的特性，遵循以下要點(diǎn)的任何過程都可能會(huì)是可行的：

1） 去除鋁的氧化面；通過用壓接端子接觸面替代導(dǎo)體的氧化表面。

2） 確保接縫是無縫的，密閉的；通過填充環(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） 接頭穩(wěn)固，防止冷和熱交變：一個(gè)全面的粘接劑線形收縮套管提供額外的對(duì)周圍環(huán)境的保護(hù)。

5.2        鋁線的拉制和絞合和韌煉

鋁的加工工藝相對(duì)困難，鋁的強(qiáng)度低，延展性差。過去拉鋁設(shè)備只有積蓄式鋁拉絲機(jī)，效率非常低。目前已經(jīng)發(fā)展到和銅一樣可以連續(xù)拉制，效率幾乎和銅相當(dāng)，甚至國(guó)外已經(jīng)發(fā)展出鋁的多頭拉絲技術(shù)，過去鋁線的拉制很少達(dá)到1mm以下，目前最小甚至可以達(dá)到0.08mm，并在電磁線和編織線上開始使用。我們需要的0.2到0.8mm鋁線在國(guó)內(nèi)已經(jīng)能夠生產(chǎn)和提供拉制設(shè)備。

鋁線的絞制相對(duì)困難，過去國(guó)內(nèi)只有正規(guī)絞的設(shè)備，單絲直徑較大。用束絞、復(fù)絞生產(chǎn)鋁絞線國(guó)內(nèi)沒有先例 ，需要探索，對(duì)于張力的控制會(huì)更嚴(yán)格。一般的束線機(jī)可能會(huì)難以勝任。如果控制不好，很容易斷絲，出席不均，表面發(fā)毛。不能正常生產(chǎn)和難于達(dá)到表面質(zhì)量要求，甚至影響電阻，外徑和接頭和線束加工。對(duì)于復(fù)絞，可能幾乎不可能成功，要么空隙較大，難于接頭和端子連接，要們?cè)斐杀砻鎰潅踔翑嘟z。

鋁線的韌煉不能太大，基本屬于半硬狀態(tài)，否則機(jī)械強(qiáng)度不夠，甚至難于加工。韌煉后的鋁線，對(duì)束線機(jī)的要求很高，一般設(shè)備難以達(dá)到要求，所以即使在國(guó)外，也經(jīng)常采用先絞后退后工藝，退火方式大致有幾種：一是電阻是連續(xù)退火，和目前的銅線退火一樣，這種主要問題是接觸輪容易磨壞電線表面；二是感應(yīng)式退火，和預(yù)熱器原理一樣，和導(dǎo)線接觸較少，減輕了摩擦，但這2種方式只是應(yīng)絞合前退火后小規(guī)格的電線絞合后退火，對(duì)于絞合后的大截面電線導(dǎo)體，難以找到這么大功率的退火設(shè)備。對(duì)于電瓶線的絞合后的退火，最現(xiàn)實(shí)的辦法就是采用傳統(tǒng)的地坑退火爐，即使在國(guó)外也是如此。

5.3  鋁材的選擇。

汽車電線選擇的鋁材不僅要求大電性能好，而且相對(duì)有較好的強(qiáng)度和伸率，甚至耐熱性能，適合拉制較細(xì)的單絲和絞合加工，這樣的鋁材實(shí)際不是純鋁，需要添加少量的鎂，硅或者是鐵等元素。牌號(hào)眾多，適應(yīng)不同需要，不同規(guī)格和功能的電線合適的導(dǎo)體用鋁牌號(hào)，有待于我們進(jìn)一步研究。而真正的純鋁雖然高達(dá)65%的導(dǎo)電率，因機(jī)械性能，耐熱性能無法滿足要求，是不能使用的。

6          結(jié)論

綜上所述，鋁導(dǎo)體在具體的應(yīng)用中，無論從技術(shù)方面還是從降低成本、減輕重量等方面來講，都是實(shí)用、可行的。為了優(yōu)化由銅轉(zhuǎn)換成鋁的潛在好處，應(yīng)用方面的選擇也是關(guān)鍵的。在動(dòng)力線的特殊區(qū)域中使用鋁，可能是非常有利的。而鋁汽車電線制造的關(guān)鍵在于導(dǎo)體絞制技術(shù)如何突破，滿足線束加工的需要。

參考資料：

1． “Aluminum Alloys for Wire Harnesses in Automotive Engineering”  S. Koch  BHM Berg und Huttenmannische Monatshefte vol.152 2007

2． “Aluminum Power Cable for Automotive Applications” Kevin Foster and Howard Evans LEONI Wiring Systems　UK Ltd.2003 SAE International

4． “Standard automotive cables with aluminium conductors” LEONI IN TIME 4/2006

5． “Lightweight: LEONI  Aluminium battery cables” LEONI IN TIME 2/2005

8．自動(dòng)車アルミ化の技術(shù)戦略  大久保正男 アルミゥム 12卷61號(hào)（2005）

9．自動(dòng)車用アルミ電線の端子接続技術(shù)の開発   三菱電線工業(yè)時(shí)報(bào) 103號(hào) 

名詞解釋：

電工鋁(electrical aluminium)

            用作電導(dǎo)體的工業(yè)純鋁。國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定導(dǎo)電用工業(yè)純鋁的最低鋁含量為99.5％。中國(guó)的1050A(L3)就是這種純度的工業(yè)純鋁。其雜質(zhì)含量不大于(％)：Fe0.3、Si0.35、Cu0.015、(Fe+Si)0.45，其他雜質(zhì)每種0.03。1050A的導(dǎo)電性能好，電導(dǎo)率為62％/IACS，相當(dāng)?shù)戎亓裤~電導(dǎo)率的兩倍；導(dǎo)熱性能好，蓄熱小，散熱性強(qiáng)；塑性高，易加工成很細(xì)的電線和很薄的導(dǎo)電箔，耐折、抗彎曲；可對(duì)焊連接；耐腐蝕，與絕緣漆、絕緣塑料和絕緣橡膠等有很好的相容性；質(zhì)輕，易搬運(yùn)和布線。但1050A的強(qiáng)度低，板材退火狀態(tài)的σb =76MPa，σ2=28MPa，δ=39％；冷作硬化狀態(tài)的σb =159MPa，σ0.2=145MPa，δ=7％。因此，在作高空架線使用時(shí)，應(yīng)制成鋼芯絞線，-般可作承載小和不承載的母線、電線、電纜、軟線以及其他電導(dǎo)體。近年來的研究工作表明，電工鋁中加入少量的稀土金屬有除氣、除渣、細(xì)化晶粒作用，可提高抗拉強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、耐熱性、耐磨性和塑性加工性能。