【摘 要】隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，輕量化成為關(guān)鍵的研究方向。文章聚焦于鋁合金新能源汽車高壓電纜在輕量化進(jìn)程中的作用，詳細(xì)闡述鋁合金材料的特性使其在高壓電纜應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)，能有效減輕電纜質(zhì)量，從而為整車輕量化做出重要貢獻(xiàn)。進(jìn)一步分析在實(shí)際應(yīng)用中，鋁合金電纜面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)及解決方案，為新能源汽車高壓電纜的輕量化發(fā)展提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)，助力新能源汽車行業(yè)在輕量化道路上取得更大的突破。

【關(guān)鍵詞】新能源汽車；鋁合金導(dǎo)體；輕量化

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）10-0007-03

The Role of Aluminum Alloy New Energy Vehicle High-voltage Cables in the Process of Lightweight

PENG Lisha，WANG Zhihui，LIAO Jinren，OUYANG Xiangzhang

（Guangzhou Nanyang Cable Group Co.，Ltd.，Guangzhou 511356，China）

【Abstract】With the rapid development of the new energy vehicle industry，lightweighting has become a key research direction. This pa6dabc3c5dc166992b06b45090ad8a049per focuses on the role of aluminum alloy new energy vehicle high-voltage cables in the process of lightweighting. The detailed description of the characteristics of aluminum alloy materials gives them significant advantages in high-voltage cable applications，effectively reducing cable weight and making important contributions to vehicle lightweighting. Further analysis was conducted on the technical challenges and solutions faced by aluminum alloy cables in practical applications，providing theoretical support and practical guidance for the lightweight development of high-voltage cables in new energy vehicles，and helping the new energy vehicle industry achieve greater breakthroughs on the road to lightweighting.

【Key words】new energy vehicles；aluminum alloy conductor；lightweight

作者簡(jiǎn)介

彭立沙（1987—），男，高級(jí)工程師，主要從事電纜設(shè)計(jì)研發(fā)與工藝改進(jìn)等工作。

1 引言

新能源汽車作為汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向，近年來(lái)在全球范圍內(nèi)取得了顯著的增長(zhǎng)。各國(guó)政府紛紛出臺(tái)政策鼓勵(lì)新能源汽車的研發(fā)和推廣，市場(chǎng)份額逐年攀升。技術(shù)的不斷進(jìn)步使得新能源汽車在續(xù)航里程、性能和安全性等方面有了顯著提升。

輕量化是提高新能源汽車?yán)m(xù)航里程、降低能耗和提升性能的關(guān)鍵因素。通過減輕車輛質(zhì)量，可以降低動(dòng)力系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，提高能源利用效率，從而增加車輛的行駛里程和性能表現(xiàn)。新能源汽車高壓電纜的輕量化有助于降低整車質(zhì)量，提高能源效率，優(yōu)化車輛性能，對(duì)提升新能源汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。通過對(duì)高壓電纜輕量化及鋁合金導(dǎo)體代替?zhèn)鹘y(tǒng)銅導(dǎo)體的可行性進(jìn)行研究，對(duì)汽車輕量化起到巨大的推動(dòng)作用。

2 高壓電纜輕量化設(shè)計(jì)方案

電動(dòng)汽車電池高壓用線的耐壓等級(jí)和載流量與傳統(tǒng)汽車相比要高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍。為了保障電動(dòng)汽車安全運(yùn)行和有效工作，電動(dòng)汽車高壓用線至少需要滿足額定電壓AC 600V/DC 900V及以上電壓等級(jí)的電纜，額定溫度也要達(dá)到125～250℃才能滿足組件發(fā)熱的基本要求。由于其使用場(chǎng)合的特殊性和安全性，電纜需要滿足耐高低溫、阻燃、耐油、耐酸堿、耐摩擦和電磁屏蔽效果等性能要求，并能達(dá)到高電流、高電壓和柔韌度要求[1]。

2.1 導(dǎo)體

電纜導(dǎo)體的設(shè)計(jì)主要根據(jù)電纜的傳輸容量、安裝方式、使用環(huán)境等相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行。針對(duì)新能源汽車的使用需求，一般在保證良好導(dǎo)電性能的基礎(chǔ)上，還需保證良好的柔軟性能，以便于在車內(nèi)狹小空間內(nèi)布線施工，并應(yīng)保證良好的耐氧化能力、機(jī)械性能以保證足夠的使用壽命。

銅具有良好的導(dǎo)電性能，在常見的金屬中，其電導(dǎo)率僅次于銀。這意味著電能在銅導(dǎo)體中傳輸時(shí)，能量損失較小，能夠高效地傳遞電力。銅易于加工成各種形狀和規(guī)格的導(dǎo)體，如絞線、單線等。銅的柔韌性使得電纜在安裝和使用過程中能夠承受彎曲、拉伸等應(yīng)力，不易斷裂。比如在布線時(shí)，銅質(zhì)電纜可以更容易地適應(yīng)復(fù)雜的線路走向。銅具有一定的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，能夠承受電纜在安裝、運(yùn)行過程中所受到的機(jī)械力。這保證了電纜在長(zhǎng)期使用中的穩(wěn)定性和可靠性，當(dāng)前大部分電纜均采用銅作為導(dǎo)體材料。

銅的比重為8.89g/cm3，所制成的電纜質(zhì)量較大，為汽車輕量化設(shè)計(jì)帶來(lái)較大負(fù)擔(dān)。鋁合金的比重在2.63～2.85g/cm3之間，由于其相對(duì)較低的密度，約為銅的三分之一，大幅減輕電纜的質(zhì)量，成為了替代銅作為導(dǎo)體的熱門選擇。

鋁合金電纜導(dǎo)體金屬的熔煉采用稀土、硼化處理等先進(jìn)工藝使其既能保持純鋁的電氣性能，同時(shí)解決了純鋁導(dǎo)體的延伸率、抗拉強(qiáng)度低和抗壓蠕變性能、柔韌性差等問題，從而大幅提高了機(jī)械性能[2]。鋁合金導(dǎo)體的電阻率介于銅和純鋁之間，鋁合金導(dǎo)體與銅導(dǎo)體的基本性能對(duì)比見表1，鋁合金在經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗图庸すに嚭?，能夠保持良好?dǎo)電性能，抗拉強(qiáng)度為60～90MPa，延伸率為35%～40%，可以滿足導(dǎo)體的機(jī)械性能要求。經(jīng)過特殊處理的鋁合金還具有較好的抗腐蝕性能，能夠在一些惡劣的環(huán)境條件下使用，如潮濕、有化學(xué)物質(zhì)侵蝕的場(chǎng)所。

由表1可知，鋁合金的導(dǎo)電率大約為銅的1.64倍，即采用鋁合金導(dǎo)體代替銅導(dǎo)體，截面需要做到銅導(dǎo)體截面的1.64倍，但是鋁合金的密度僅約為銅的三分之一，即使截面相應(yīng)增大，導(dǎo)體的質(zhì)量也可以降低50.2%（鋁合金導(dǎo)體質(zhì)量：截面×1.64×密度2.7；銅導(dǎo)體質(zhì)量：截面×密度8.89；鋁合金導(dǎo)體質(zhì)量/銅導(dǎo)體質(zhì)量=（1.64×2.7）/8.89=0.498；（1-0.498）×100%=50.2%），可以為汽車輕量化帶來(lái)巨大助力。

2.2 絕緣

絕緣是電線電纜必不可少的一部分，具有多方面的重要作用。首先是電氣絕緣，避免不同導(dǎo)體間發(fā)生短路，確保電能沿著電纜芯線安全傳輸。其次是機(jī)械保護(hù)，保護(hù)電纜芯線免受外界，如擠壓、拉伸、磨損等機(jī)械損傷。再者是防潮、防水等，阻止水分等液體侵入電纜內(nèi)部，防止因潮濕導(dǎo)致電氣性能下降和腐蝕。最后是耐化學(xué)腐蝕，抵御外界化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，保護(hù)電纜芯線不受其損害。新能源汽車內(nèi)部有大電流通過，勢(shì)必會(huì)引起電纜溫度升高，因此絕緣材料必須能承受較高溫度。新能源汽車一般采用耐溫125℃的交聯(lián)聚烯烴或耐溫等級(jí)為180℃的高抗撕硅橡膠料為絕緣。

2.3 屏蔽層

電纜傳輸大電流時(shí)對(duì)車內(nèi)其他信號(hào)線和器材（導(dǎo)航、多媒體、電子控制、自動(dòng)駕馭等）產(chǎn)生大干擾，會(huì)影響各種信號(hào)的傳播，如聲信號(hào)出現(xiàn)雜音、視頻信號(hào)失真等現(xiàn)象。對(duì)于以上問題，車內(nèi)高壓用線要通過屏蔽結(jié)構(gòu)解決。

目前市面上車內(nèi)屏蔽高壓電纜的屏蔽方式均為繞包鋁塑復(fù)合帶+銅絲編織的復(fù)合屏蔽方式，此方案具有優(yōu)良的屏蔽效果，也不會(huì)影響電纜的整體柔軟性和彎曲半徑，易于在汽車的狹小空間內(nèi)布線安裝，經(jīng)過本公司的實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)屏蔽效果和彎曲半徑均能滿足車企和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)要求[3]。

2.4 外護(hù)套

新能源汽車高壓電纜護(hù)套具有諸多重要作用。首先是電氣絕緣強(qiáng)化，進(jìn)一步增強(qiáng)電纜的電氣絕緣性能，保證高電壓傳輸?shù)陌踩€(wěn)定，防止高壓電泄漏導(dǎo)致危險(xiǎn)和故障，例如，避免電流意外泄漏影響車輛復(fù)雜電氣系統(tǒng)中其他部件的正常工作。其次是機(jī)械防護(hù)與抗磨損，保護(hù)電纜免受行駛中的振動(dòng)、顛簸以及與其他部件的摩擦損傷，因?yàn)槠囆旭傊须娎|會(huì)不斷受振和摩擦，良好的護(hù)套能降低電纜外皮的磨損與破損幾_{YDkw+L7ecHYIB6m9pLfBAQ==}率。再者是耐高溫和耐老化，能適應(yīng)汽車運(yùn)行時(shí)的高溫環(huán)境并抵抗老化，延長(zhǎng)電纜使用壽命，畢竟新能源汽車工作溫度可能較高，護(hù)套的耐高溫性能可保障其正常工作。還有耐化學(xué)腐蝕，抵御車輛內(nèi)部的油液、清潔劑等化學(xué)物質(zhì)侵蝕，保證電纜性能不受影響。

新能源汽車一般采用耐溫125℃的交聯(lián)聚烯烴或耐溫等級(jí)為180℃的高抗撕硅橡膠料為護(hù)套。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

輕量化汽車高壓電纜采用鋁合金導(dǎo)體、耐溫125℃的交聯(lián)聚烯烴或耐溫等級(jí)為180℃的高抗撕硅橡膠絕緣料、繞包鋁塑復(fù)合帶+銅絲編織的復(fù)合屏蔽、耐溫125℃的交聯(lián)聚烯烴或耐溫等級(jí)為180℃的高抗撕硅橡膠護(hù)套料。相對(duì)于傳統(tǒng)銅芯電纜，主要將鋁合金電纜截面加大一級(jí)后，進(jìn)行載流量、外徑、質(zhì)量的對(duì)比，以驗(yàn)證鋁合金導(dǎo)體電纜是否適合新能源汽車使用。

3.1 載流量對(duì)比

導(dǎo)體的載流量指的是通過導(dǎo)體的電流大小，通常用單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體的電荷量來(lái)表示，在電纜的選型中，載流量是一個(gè)非常重要的參數(shù)。鋁合金導(dǎo)體的導(dǎo)電率為銅導(dǎo)體的61.8%，載流量偏小，在實(shí)際選用鋁合金導(dǎo)體時(shí)，應(yīng)該選用更高1～2級(jí)的電纜規(guī)格，以滿足載流量的需求，具體選擇以車間需求為準(zhǔn)。銅芯電纜與鋁合金電纜載流量對(duì)比見表2。

由表2可知，當(dāng)車輛應(yīng)選用95mm2以上銅芯取代鋁合金電纜時(shí)，應(yīng)該按照實(shí)際車輛使用需求，有必要時(shí)需要選用高2級(jí)規(guī)格，電氣性能上完全能夠滿足新能源汽車的使用需求。

3.2 外徑對(duì)比

為滿足新能源汽車的電氣性能需求，相對(duì)于銅芯電纜，鋁合金導(dǎo)體電纜規(guī)格需要增大一個(gè)等級(jí)，相應(yīng)的電纜外徑也會(huì)隨之增加，為此將兩個(gè)等級(jí)的電纜外徑進(jìn)行對(duì)比，以便直觀反映電纜外徑的增加程度。銅芯電纜與鋁合金電纜外徑對(duì)比見表3。

由表3可知，電纜規(guī)格增大一個(gè)等級(jí)，外徑也在比例增大，但是增加值在1.8～2.5mm之間，相對(duì)于新能源汽車內(nèi)部的布線空間，還是可以接受的。

3.3 質(zhì)量對(duì)比

在滿足新能源汽車需求的基礎(chǔ)上，將電纜截面增加一個(gè)等級(jí)后，對(duì)鋁合金電纜與銅芯電纜的質(zhì)量進(jìn)行了細(xì)致入微的對(duì)比。這一對(duì)比過程不僅僅是簡(jiǎn)單的數(shù)值考量，更是對(duì)新能源汽車在輕量化發(fā)展道路上的一次深入探索。通過精確的測(cè)量和分析，能夠清晰地看到兩種不同材質(zhì)電纜在質(zhì)量上的差異，從而以最為直觀的方式反饋出電纜部分的減重情況。這種直觀的呈現(xiàn)對(duì)于新能源汽車的設(shè)計(jì)與制造至關(guān)重要，它為工程師們?cè)谶x擇電纜材質(zhì)和優(yōu)化電纜設(shè)計(jì)方面提供了有力的依據(jù)。同時(shí)也更加深刻地展示了鋁合金電纜在新能源汽車輕量化進(jìn)程中所具有的巨大潛力，為推動(dòng)新能源汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路和方向。銅芯電纜與鋁合金電纜質(zhì)量對(duì)比見表4。

由表4可知，鋁合金電纜規(guī)格增加一個(gè)等級(jí)后，相對(duì)于銅芯電纜，質(zhì)量減輕的質(zhì)量和比例均尤為明顯，新能源汽車輕量化可以得到巨大的推動(dòng)。

4 需要克服的問題

鋁是最常用來(lái)制作合金的金屬，單就鋁材料而言其性能較為活潑，機(jī)械強(qiáng)度差，容易折斷，不能承受較大的拉力和扭力。鋁合金還有很多阻礙其用做導(dǎo)體的不利屬性，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是鋁合金表面易形成致密且堅(jiān)硬的氧化層，該氧化層在保護(hù)導(dǎo)體不受腐蝕的同時(shí)，還兼有很強(qiáng)的絕緣特性，因此，要實(shí)現(xiàn)良好的電氣連接，需在端子壓接時(shí)徹底破壞氧化層；二是鋁-銅連接處易形成電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致兩種金屬中較活潑的金屬（鋁）發(fā)生溶解[4]。

鋁合金的硬度一般比銅低，這使得鋁合金電纜接線端子在安裝和使用過程中更容易受到外力的損傷。例如，在擰緊螺栓時(shí)，如果用力不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致接線端子變形，影響連接的緊密性。較低的硬度也可能使接線端子在受到振動(dòng)、沖擊等外力作用時(shí)更容易松動(dòng)，從而降低連接的穩(wěn)定性。

在長(zhǎng)期的高溫和應(yīng)力作用下，鋁合金電纜接線端子可能會(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象，即材料在恒定應(yīng)力下隨時(shí)間緩慢變形，會(huì)導(dǎo)致連接松動(dòng)，接觸電阻增大，甚至引發(fā)電氣故障。

所以將鋁合金電纜用于新能源汽車上時(shí)，為保證汽車的使用壽命和電氣穩(wěn)定性，接線端子的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性尤為重要。當(dāng)前一般采用銅鋁過渡端子、在鋁合金導(dǎo)體端子壓接區(qū)內(nèi)側(cè)增加鋸齒狀結(jié)構(gòu)，再結(jié)合超聲波焊接或激光焊接等新連接方式，可以克服鋁合金電纜的連接缺陷。

5 結(jié)論

通過對(duì)鋁合金電纜與銅芯電纜的性能、載流量、外徑、質(zhì)量等進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，可以清晰地看到鋁合金電纜在多個(gè)方面展現(xiàn)出的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

從性能角度來(lái)看，鋁合金電纜雖然在某些特性上與銅芯電纜略有不同，但經(jīng)過不斷的技術(shù)研發(fā)和優(yōu)化，它完全能夠滿足新能源汽車的使用需求。

在輕量化方面，鋁合金電纜可謂表現(xiàn)卓越。與傳統(tǒng)的銅芯電纜相比，其質(zhì)量大幅降低。這對(duì)于新能源汽車而言意義重大。新能源汽車對(duì)輕量化的追求極為迫切，更輕的電纜有助于減少整車質(zhì)量，從而提高能源利用效率，增加續(xù)航里程。車輛在行駛過程中，因質(zhì)量減輕，無(wú)論是加速、制動(dòng)還是操控性能都能得到顯著提升，為駕駛者帶來(lái)更加舒適和安全的駕乘體驗(yàn)。

而在經(jīng)濟(jì)性方面，鋁合金電纜同樣優(yōu)勢(shì)突出。一方面，鋁合金的原材料成本相對(duì)銅而言較低，隨著鋁合金生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步和成熟，其制造成本也在逐漸降低。另一方面，由于鋁合金電纜質(zhì)量輕，在運(yùn)輸和安裝過程中也能節(jié)省大量的成本。對(duì)于新能源汽車制造商而言，采用鋁合金電纜可以顯著降低制作成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，不僅有利于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，也能讓消費(fèi)者以更加實(shí)惠的價(jià)格購(gòu)買到新能源汽車，從而推動(dòng)新能源汽車的普及和推廣。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯 楊凱麟）