汽車鋁導線的應用研究

韓光杰，付宏程，潘 盼，付 強

（1.安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.北汽新能源汽車股份有限公司，北京 100021；3.江蘇敏安電動汽車有限公司，江蘇 南京 211100）

1 前言

汽車線束是汽車上最重要的部件之一，它是汽車電路的組成部分，用來連接汽車上的各種用電設備，承擔著汽車起動和為整車各用電設備提供電源的功能，并且傳遞各種用電設備之間的導通信號，是對汽車進行電信號控制的載體，是實現整車電氣系統各項功能及要求的基礎。

常用汽車導線主要是由絕緣體 （被覆PVC）和導體 （線芯）兩部分組成，如圖1所示，部分特殊線束還有屏蔽層、外皮等，但無論哪種線束，導體都是線束實現電連接功能最重要的部分。

為了保證良好的電傳導特性，一般用于汽車導線的導體材料都是低氧的電工電解銅，是一種純度很高的銅材，采用多股絞合的方式做成銅質線芯，因此其比重和價格均比較高。銅價自2005年以來持續上升，如圖2所示，尤其是2017年更是大幅上漲30%左右，給線束生產企業帶來了巨大的成本壓力，因此行業內在積極尋找新的汽車導線導體替代材料。

圖2 銅價走向圖

另外，隨著國家排放法規的日益嚴格，對于整車油耗限值的要求也越來越高，因此各汽車生產廠商均在積極進行整車自重的降低。由于線束遍布全車，因此線束降重也成為必然趨勢。

2 鋁導線的應用

汽車導線導體最重要的參數是導電性能，因此尋找新的導體替代材料時必須首先考慮導電率。對比圖3的銅鋁金屬性能參數可以發現，鋁的導電率僅次于銅，約為銅的60%，雖然導電率下降了，但是可以通過增加導體截面積的方式來減小電阻，從而達到原有銅線的導電性能。重要的是，鋁的成本為銅的40%，而密度僅為銅的30%左右，因此鋁成為了導線導體理想的替代材料。

圖3 銅鋁參數對比

2.1 導線的組成

用于汽車上的單根導線總成如圖4所示，由端子、導線、防水塞 （有防水需求時）組成，從圖4中可以看出，導線的絕緣體和導體分別與端子相連接，其中導體與端子連接的部位是通過壓接方式實現的，在壓接前剝去導線的絕緣皮露出導體部分。

圖4 汽車導線總成的組成

2.2 鋁替代銅的難點

由于鋁本身的特性原因，當暴露在空氣中時，其表面極易與空氣發生化學反應，在導線導體表面形成氧化層。而氧化層具有絕緣特性，嚴重影響導線導體的導電性能。因此為了保證其良好的電氣連接，在進行鋁替代銅應用時，必須解決氧化問題。

圖5 常用端子結構及壓接后成品圖

如圖5所示，是汽車上常用的一種端子結構，其中端子的小腳是與導線導體相連接的部分。壓接為成品后可以看到，端子的大腳和小腳之間的導線導體是暴露在空氣中的，當導線導體為鋁時，則此處結構極易發生氧化，從而造成導電率下降，接觸電阻增加等不良后果。因此，為了改善鋁的應用效果，需更改此處的開放式結構。

2.3 鋁導線匹配新端子結構

2.3.1 端子差異介紹

為了解決氧化問題，適配鋁導線的端子壓接結構應有良好的密封結構，從而使得導體鋁不與空氣直接接觸。Tyco公司開發出了一種適合鋁線壓接的端子，如圖6所示是對應修改后新的端子結構。由圖中可以看出，該端子結構與原有端子結構的差別在于以下幾個方面：①端子整體為錐形結構；②小腳前端增加了前保護副翼，結構為倒錐型式；③原端子中的橫紋結構更改為魚翅鋸齒邊型式，做成密集的凸起；④大腳和小腳之間的開放區域增加了錐形過渡，形成了一個完整的整體。

圖6 Tyco開發的鋁導體端子結構及壓接成品圖

2.3.2 新端子優點

端子整體做成錐形結構，靠近導體部分小，靠近絕緣部分大，可有效提高壓接強度。前保護副翼結構做成倒錐形式，使得防護翼邊在壓接時可向兩側延伸形成卷邊結構，使得端子與導線導體的接觸面積最大化。圖7是Tyco開發的適配鋁線端子壓接和普通銅線壓接的剖面對比，從圖中可以明顯看出防護翼邊與導線導體有著更多的接觸面積，增加了導電效果，從而可彌補鋁本身導電率低的缺點。

圖7 鋁線與銅線壓接剖面對比

2.3.3 新端子結構密封

前保護副翼最前端的兩側尖角在壓接后可合并在一起，從而形成一個有效的封口保護，使得壓接前端無導線導體露出；中部增加的絕緣過渡區域，避免壓接部位在使用過程中一直暴露在空氣中發生氧化；后部的絕緣壓接筒直接壓接在線芯絕緣皮上，通過絕緣皮也形成了密封。從而使得整個端子的壓接區域不與空氣直接接觸，提升了氧化防腐效果，壓接徑向剖面如圖8所示。

圖8 壓接徑向剖面圖

2.3.4 新端子防退結構

在導線導體的絕緣皮剝離后沒有進行密封前，氧化過程是一直持續的。將原端子中的橫紋更改為魚翅鋸齒邊型式，如圖9所示，做成密集的倒錐型排列，此部分結構使得端子在壓接時可完全破壞鋁導體的表面氧化層，使得端子與導體有著更好的壓接效果，同時鋸齒邊的倒錐形結構，使得端子與導線導體有著良好的防退效果。

圖9 魚翅鋸齒邊結構

2.3.5 端子UV環氧膠密封

在部分導通信號要求比較高的回路中，如ECU、BCM等控制單元的相關電子信號回路中，為了更好地提高防腐效果，還通過使用密封膠的形式提高密封效果。由于壓接部位既有PVC絕緣皮，又有線芯鋁導體，因此采用的密封膠必須同時可適用于此二種材料。同時汽車使用環境較為復雜，密封膠還必須有著良好的抗溫度沖擊能力。

UV（紫外線）環氧膠是UV樹脂類的一種細分產品，UV樹脂是一種相對分子質量較低的感光性樹脂，受光波照射后，能在較短時間內迅速發生物理和化學變化，進而交聯固化。UV環氧膠又稱紫外光固化膠，須通過紫外線光照才能固化，有著良好的防護性和快速固化性 （小于1 s）。無氣味性 （VOC）揮發物，對環境空氣無污染，而且在環保法規中限制或禁止的比較少，因此不會影響整車對于VOC的要求和法規符合性的審查以及公告的申報。UV環氧膠固化后為透明色，不會對原有產品外觀產生影響，如圖10所示。

圖10 UV環氧膠密封對比

2.4 鋁導線新端子工藝參數

匹配鋁線的端子與傳統銅線端子結構明顯不同，因此在線束生產過程中對于端子壓接工藝的管控也需要進行適應性修改，以充分確保壓接密封效果。

如圖11所示，在端子壓接過程中需要管控的工藝參數如下。

1）CB2：絕緣壓接寬度，關系到后端絕緣密封區的效果。

2）CB1：導線壓接寬度，此參數影響小腳區與導線導體的壓接接觸面積。

3）CB0：密封壓接寬度，關系到前密封口的密封效果。

4）CH2：絕緣壓接高度，同CB2參數，關系到后端絕緣密封區的效果。

5）CH1：導線壓接高度，同CB1，是影響導線導體壓接接觸面積的參數。

6）CH0：密封壓接高度，同CB0，關系到前密封口的密封效果。

圖11 端子管控壓接工藝

由前文的參數對比可以看出，鋁的抗拉強度降低比較明顯，約為銅的30%～45%，線束在生產過程中針對銅線的端子壓接力工藝參數不再適用于鋁，需要對應降低。經過實際工藝測試及試驗驗證，相同截面積下，對應鋁線芯的端子壓接力降至40%左右最為合適。表1列出了常用的幾種型號導線端子壓接力。

2.5 鋁導線在蓄電池線上的應用

汽車蓄電池線一般較粗，汽油機由于啟動功率較小，常用蓄電池線線徑為16 mm2、25 mm2，而柴油機由于啟動方式的不同，功率較高，一般常用線徑為25 mm2、35 mm2、50 mm2等，此類導線匹配的端子與一般的小線徑端子不同，常為鑄造、沖壓而成的大型結構端子，因此鋁線與端子的連接處理需要采用新的方式。

表1 銅鋁線芯端子壓接力對比表

普通蓄電池線的銅線芯是直接與端子相壓接而成，而由于鋁的抗拉強度降低，直接壓接后在長時間的使用中容易發生松動、變形，從而造成端子接觸不良等嚴重影響車輛性能的后果。神龍汽車某車型蓄電池線使用了一種新的連接方式，取消原有導線導體和端子的壓接過程，改為過渡連接的方式，在導線導體和端子之間增加了一個銅鍛造板，采用鋁線SONIC（超聲波）焊接銅鍛造連接點，結構如圖12所示，可分別適用導線截面積為25～42mm2、35～50mm2的線芯。

圖12 鋁線SONIC焊接銅鍛造連接點

連接點共分為2個部分，其中結構1為鋁線連接部位，采用SONIC焊接方式，將鋁線焊接至銅板上。結構2為端子壓接部位，結構一般為雙筒凹槽型式，該結構可以通過壓接的方式與端子相結合。處理完成后在外部增加熱縮管進行密封保護，如圖13所示，該種結構既實現了鋁線與銅端子的可靠性連接，又大大減小了連接部位的接觸電阻，保證了蓄電池線的起動性能參數要求。

圖13 鋁線與銅端子的壓接及密封

某些車型還有端子處存在并連分支的情況，若并聯分支為鋁線，則可直接使用SONIC焊接的方式實現。若并聯分支為銅線，則可使用原有銅線壓接工藝，直接與銅鍛造板壓接在一起，如圖14所示。

圖14 端子并壓連接方式及壓接成品圖

3 結束語

鋁線在質量和成本上的絕對優勢使得鋁替代銅成為一種必然的趨勢，而隨著新技術、新材料、新工藝的不斷發展及應用，鋁在導電性、抗氧化性、抗拉強度上的缺點已經逐步被解決。目前國外的合資車企已經形成了一定的規模應用，且應用情況良好。國內主流車企也在積極進行應用推廣，進行了小批量搭載，成果明顯。鋁線的大規模應用將使得整車線束成本大幅度降低，最高降幅可達40%～50%。而鋁的低密度使得整車線束質量降幅在30%以上，導線原線質量降低在60%以上。如此明顯的降本降重效果，使得鋁線的應用正在不斷擴大。