鋁電源線在輕型商用車上的應用研究

賈文勇，董廣宇，于 萌，王 健

（一汽解放商用車開發(fā)院，吉林 長春 130011）

面對當前汽車尾氣污染、銅金屬資源的緊缺和整車的成本競爭，減輕汽車自身質量、降低油耗、減少排放和壓縮成本已成為當前汽車界研究的熱點?，F代汽車的構成中電氣設備的比重越來越大，作為汽車神經系統(tǒng)的線束是電氣設備中重要的組成部分，在此背景下汽車電線束的輕量化技術研究已成為必然趨勢，通過將電線束的質量降低，達到整車降重、降成本、提高燃油經濟性和減少排放的目的。

目前國內鋁電源線在乘用車上已成熟應用，例如大眾、通用和豐田等部分系列車型上的電源線均有采用鋁電源線，但在商用車上國內還沒有應用。由于鋁導線質量輕、成本低廉、資源儲備豐富且電氣性能穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，逐漸成為汽車用導線的最佳選擇。但鋁導線在應用中也存在一定的缺點，例如：鋁導線本身容易被氧化形成氧化鋁，不太容易焊接，鋁線和端子之間的連接較困難；加之鋁較柔軟，壓接之后的機械性能和電氣性能比較低，在壓接區(qū)域易產生電偶腐蝕和間隙腐蝕，商用車發(fā)動機位置的惡劣振動環(huán)境，對鋁導線的機械性能也是考驗。如果對上述問題加以改善或克服，那么鋁導線在商用車上的應用將成為可能。

1 基本參數對比

以銅材料為基準的對比，詳見表1。

表1 以銅材料為基準的對比

常溫下同等載流量的鋁電源線和銅電源線基本參數的對比見表2，樣品測量數據如表3所示。

由此可見，導線越長，相應地降重、降成本效果越明顯。

2 鋁導線與端子的連接工藝

目前汽車導線和端子主要材料為銅，表面鍍錫、鍍銀和鍍金等處理，銅在空氣中不容易被氧化，壓接后機械性能和電性能都非常穩(wěn)定，如圖1所示。由于鋁導線表面易被氧化形成氧化鋁，導電性也會很大程度的被削減，而且鋁較柔軟，應用傳統(tǒng)的壓接工藝很難保證其機械性能和電性能，如圖2所示。圖3和圖4是兩種有效的銅鋁端子壓接、焊接工藝，很好地解決了鋁導線在應用過程中的壓接瓶頸問題。

通過端子壓接位置的切片可以看出：鋁線和鋁端子通過擠壓或沖壓已融為一體，斷面光亮無孔隙，也就是說端子沖壓后內腔形成了一個真空區(qū)，杜絕了內部鋁線氧化，如圖5所示；同時，也使得鋁線的拉脫力足以承受各種惡劣的振動環(huán)境。

圖1 銅導線壓接工藝

圖2 鋁導線不適合壓接工藝

3 載流量計算分析

用鋁導線替代銅導線作為車輛起動用電源線，應按照等載流量原則進行分析計算：

表2 鋁、銅電源線的基本參數對比

表3 樣品實測

圖3 A種工藝示意

式中：I——導線在溫度T下的載流量，A；T——導線溫度，℃；T0——環(huán)境溫度，（23±5）℃；RT——溫度為T時的單位長度導線電阻，Ω／m；r1——導線絕緣層單位長度熱阻，℃·m／W；r2——導線表面和周圍空氣之間單位長度的散熱熱阻，℃·m／W。

圖4 B種工藝示意

圖5 工藝A、B端子壓接處切片

式 （1）中的RT可通過下式計算：

式中：R20——導線在20℃下的單位長度電阻，Ω／m；α20——20℃時的導體溫度系數，1／℃，對于銅導線α20，Cu＝0.00393／℃，鋁導線的α20，Al＝0.00403／℃。

式 （1）中的r1可通過下式計算：

式中：D——導線外徑，mm；d——導線導體直徑，mm；ρT——熱阻系數，℃·m／W，電線絕緣層材料的熱阻系數見表4。

表4 常用絕緣材料熱阻系數

式 （1）中的r2可通過下式計算：

式中：h——散熱系數，h值與導線的敷設方式有關?？赏ㄟ^式 （5）計算：

式 （5）中的Z、E、g為敷設參數，對單芯導線，其值由表5給出。

表5 空氣中導線的敷設參數

（ΔTs）1／4可通過迭代法進行計算，其計算公式為：

式中：ΔTd——介質損耗，忽略介質損耗時ΔTd＝0；KA——計算參數，對單芯導線，忽略介質損耗和導線絕緣層的損耗時，KA可用式 （7）計算：

對式 （6） 中的 （ΔTs）1／4取初始值為2，不斷帶入式 （6）中迭代計算，直至

可得（ΔTs）1／4的計算值。

商用車上所用銅電源線多為50mm2，根據GB／T 25085，其R20＝0.368mΩ／m，d＝10.5mm，D＝13.5mm。環(huán)境溫度取23℃進行計算，導線相對環(huán)境溫度升高55℃時的電流視為理論計算的載流量，則取T＝78℃。將上述所有已知量帶入式 （1）～（7），計算得50mm2銅導線理論載流量約為281A。

對比銅鋁導線的R20值可知，85mm2線徑的鋁導線R20＝0.365mΩ／m，與50mm2銅導線R20最為接近，因此初選85mm2鋁導線作為50mm2銅電源線的替代選擇。根據ISO 6722-2，85mm2厚壁鋁導線的導體內徑d＝13.6mm，最大外徑D＝16.8mm。取同樣的環(huán)境參數進行計算，85mm2鋁導線理論載流量約為307A。由此可見，85mm2鋁導線的理論載流量高于銅導線，能夠滿足汽車電源線的大電流要求。

4 85mm 2鋁電源線載流量測試

如圖6分別在導線的A、B、C、D點粘接熱電偶，將兩根被測導線串聯，如圖7所示，共設置10個熱電偶進行溫度監(jiān)測，以0.5A步長增加，直到達到預估載流量值或高于室溫55℃時電流值中最小的一個，兩種不同工藝的載流量測試結果如圖8示。

圖6 熱電偶粘貼位置

圖7 載流量測試模型

圖8 兩種不同工藝的載流量

由測試結果可以看出：當T端子壓接部位溫度高于環(huán)境溫度55℃時，鋁導線載流量為300A，與理論計算結果相近。

5 同等載流量鋁、銅電源線端子壓接點電壓降和拉力電壓降測試如圖9所示。

圖9 電壓降測試

隨機選取6根導線樣本進行電壓降測試，隨機樣本的電壓降結果如表6所示。

表6 隨機樣本的電壓降

85mm2鋁電源線初始壓接電阻≤0.018mΩ／A，壓接電阻變化≤0.002mΩ／A，對所有樣本進行端子試驗前后電壓降測試，如圖10所示。由測試結果可以看出A、B兩種壓接工藝端子部位試驗前電壓降小于標準要求一個數量級，試驗后部分樣本電壓降達到標準要求數量級，且均遠小于0.06mV／A。

由圖11、圖12測試曲線可以看出：A型工藝有效的拉脫力均大于4800N，B型工藝有效的拉脫力均大于4400N，滿足整車電源線拉脫力使用要求。

6 抗振動與沖擊性能

商用車的振動環(huán)境較乘用車相比惡劣很多，尤其發(fā)動機位置最為惡劣，起動電源線通常從蓄電池正極開始橫跨變速器后與起動機相連，由于鋁導線自身的一些特性缺陷，其抗振動和沖擊性能是其能否在商用車上應用的主要瓶頸，MTS試驗后導線不能出現斷絲、絕緣皮損傷和電壓降增加等影響整車起動性能的問題。振動試驗如圖13所示，振動試驗參數選擇見表7，沖擊性能試驗如圖14所示，沖擊試驗參數選擇見表8。

表7 振動試驗參數

表8 沖擊試驗參數

7 鋁電源線的絕緣防護

圖10 所有樣本試驗前后的電壓降

用同等載流量的鋁導線代替銅導線后導線截面積增加，加之新的焊接、壓接工藝使得端子壓接區(qū)域變長，如使用PVC做外部絕緣會因為硬度大，使得導線在整車上的走線布置困難，但PVC材料阻燃性好、耐磨和刮擦能力強。為改善因截面積增加導致走線布置困難的問題，也可以選擇硅橡膠材料，其柔軟、彈性好、耐高溫和低溫能力強，使用溫度范圍在-90～300℃，具有優(yōu)良的耐候性，對高壓電暈放電和電弧放電具有很好的抵抗性，缺點是抗撕裂能力差，可通過外敷波紋管等方式加以保護，如圖15所示，根據不同的使用條件合理選擇絕緣材料。

8 結束語

圖11 A型工藝拉脫力

圖12 B型工藝拉脫力

本文通過對比分析同等載流量的鋁、銅電源線的基本參數、性能和鋁電源線端子壓接技術和工藝的介紹，以及針對鋁電源線所做的各項試驗，證明了在輕型商用車上用鋁電源線替代銅電源線在理論上是可行的。由于輕型車的使用工況和環(huán)境與乘用車最為接近，相比中重型車的使用工況較好，但仍需搭載大量的整車路試試驗在不同的工況下加以驗證，一旦時機成熟，該新材料的應用給商用車電線束降重和降成本方面帶來的優(yōu)勢將是革命性的。

圖13 振動試驗

圖14 沖擊試驗

圖15 PVC和硅橡膠絕緣層