汽車電器的輕量化研究

王婷萍，任成鵬

（中國重型汽車集團有限公司技術發(fā)展中心，山東 濟南 250101）

汽車輕量化是節(jié)能減排、緩解環(huán)境資源壓力的重要途徑。根據相關報告的表述，車輛減重10%，耗油也會有近3.8%的降低，同時排出的CO2和NOx的百分比也會相應減少。作為汽車總成必不可少的組成部分，在完成了整車智能化后，整車電器的減重和材料的更新也應該是整車電氣設計人員認真考慮的問題。本文主要對電器系統的減重進行研究性探討。

1 汽車線束減重的解決方案

線束是汽車總成必不可少的組成部分，整車線束的質量也占有一定的比重，隨著汽車電子化和信息化的迅猛發(fā)展，汽車狹小的空間內所放置的電子電氣設備也逐漸增多，導線數量相應也不斷增加。因此導線的選型在線束輕量化中起到了舉足輕重的作用。

1.1 非屏蔽絞線的應用

目前對整車控制中易受干擾信號采用的連接線束有非屏蔽絞線和屏蔽線，相同長度的非屏蔽絞線比屏蔽線輕30%左右，因此導線的選擇可在信號源和執(zhí)行器技術許可范圍內，盡量選擇非屏蔽絞線。非屏蔽絞線和屏蔽線的定義、成本、加工、功能和應用的異同點見表1，設計人員可根據相關信號的要求進行合理選擇，但應注意不同系統的信號對絞距的要求是不同的，選用時應與相關控制器廠家進行確認，常用絞距為20mm、25mm等。

1.2 細線徑導線及小型化插接器的選用

導線線徑的選用是否合理，不但關系到線束的安全，還能有效降低成本。導線的截面積是根據用電設備的工作電流來選擇的，根據電器件標稱功率的大小，計算導線承載的電流。長時間工作的電氣設備可選擇實際載流量為60%的導線，短時間工作的用電設備可選用實際載流量在60%～100%之間的導線。由于導線的允許載流量會隨著溫度的升高而有所下降，所以選擇導線還需要根據導線布置所處的不同工作環(huán)境、溫度高低、用線長度和插接件的數量 （主要涉及電壓降的大小）進行導線截面積的確定。

表1 非屏蔽絞線和屏蔽線的定義、成本、加工、功能和應用的異同點

目前導線的種類主要按標準來區(qū)分，有日標線 （AVSS等）、國標線 （QVR等）、德標線 （FLRY）、美標線等幾大類，其中德標線的導線因其絕緣皮更薄、柔韌性更好、同樣線徑的導線要更輕一些的優(yōu)點被廣泛地選用。德標線FLRY是單芯無屏蔽薄壁PVC絕緣低壓電纜，按結構分有A型導體結構和B型導體結構。A型導體結構參數見表2，B型導體結構參數見表3。

表2 A型導體結構參數

表3 B型導體結構參數

表4 拉力值

細線徑導線的選用不僅考慮導線的電性能，還需要關注導線的絕緣強度、機械強度、延伸率等相關機械參數。在汽車的實際工況下，線束所處的工作環(huán)境是比較惡劣的，線束整體長時間處于振動、潮濕、炎熱或者灰塵很多的空間，因此對細線徑的導線要求也就比在普通電子電器行業(yè)中要求更高。

小型化插接器與細線徑導線的配合應用，也是汽車線束輕量化的一種方式。近年來高密度、小型化是插接器發(fā)展的趨勢之一，細線徑導線與小型插接器端子的壓接需要更新的壓接工藝，保證導線的電器性能和機械性能達到最優(yōu)狀態(tài)。表4是QC／T 29106中對端子與電線的連接強度 （拉力值）的要求。

在細線徑導線的實際應用中，許多大型線束供應商都在進行材料、工藝的創(chuàng)新和突破，如全球線束供應商德爾福公司推行的0.13mm2的汽車用細導線。該導線在材料應用上使用了銅鎂合金，添加了0.2%的鎂，使導線的機械強度有了較大提高，該品種導線的試驗測試已經超過了0.22mm2和0.35mm2的PVC導線的抗拉強度。同時為配合該品種導線的應用，德爾福并沒有直接使用傳統的0.3mm2導線的端子壓接工藝，而是研究開發(fā)了L型端子，利用一高一低的壓接翼技術，確保導線的機械性能和電器性能在同一個壓接高度上能同時達到最優(yōu)的狀態(tài)。為了更廣泛地普及0.13mm2導線的應用，該公司還開發(fā)了一種新型的Double-X壓接工藝，即將0.13mm2導線的剝頭剝長一些，然后對其進行折彎后壓接，折彎后相當于業(yè)界0.26mm2的導線，可以直接應用于0.3mm2端子體系的壓接工藝。

需要注意的是，在汽車運行過程中，電線絕緣受熱的作用性能是逐步退化直至失效。汽車電線應保證在車輛壽命期內絕緣材料具有需要的機械性能。除了外界溫度影響，電線導體的溫升和負荷電流有著直接的關系，這就需要對導線的電流進行合理匹配，不能因為輕量化而一味地選用細導線。

1.3 鋁導線的應用

鋁導線的應用在汽車輕量化設計中也會有相應考慮，銅和鋁的密度比重為3.29∶1，因此采用鋁線可以使整車線束的質量大大降低，然而鋁線因為存在空氣中易氧化、電氣性能和機械性能不穩(wěn)定等因素，阻礙了更廣泛的推廣，同時銅和鋁的導電率比為1∶0.629，鋁的導電性能稍弱于銅。但是這些技術難點正在被研究人員逐漸攻克，全球線束供應商德爾福公司開發(fā)了一種帶毛刺的端子，端子的壓接翼設計一個倒刺，在壓接過程中，倒刺可以刺破鋁導線的氧化膜，與導體里的新鮮鋁接觸，并且該接觸面是在無空氣的情況下進行的有效接觸，故而導電性能更佳。同時因為倒刺摳住鋁線，機械強度也有了顯著的加強。為了應對鋁導線會因電偶腐蝕造成的深層次的氧化，德爾福公司還采用了密封工藝來截斷銅鋁接觸面與空氣的接觸，阻止鋁線的氧化。

鋁合金導線的發(fā)展和應用也能解決鋁線在實際應用中的弱勢，摻有2種或2種以上金屬的鋁合金可以比較好地替代銅導線，鋁合金導線不僅在導電率和拉伸強度上滿足設計要求，同時也能大大降低線束的質量。目前符合法國標準（NF）汽車銅包鋁鎂合金導線工藝的導線的應用，已經能很好地解決鋁線在電氣性能和機械性能的劣勢，進一步促進了鋁線的發(fā)展和應用。

另外鋁的Busbar的應用可以解決車輛蓄電池線束的用線問題。鋁Busbar是由單根鋁棒加上絕緣材料成型而成的多層復合結構連接排，因為不是用很多根鋁線絞合而成，所以鋁Busbar沒有任何柔韌性，但是導電性能卻幾乎等同于相同外徑的銅導線，因此采用鋁Busbar的蓄電池線束，不僅在空間布局上不會有影響，同時還大大降低了整套線束的質量。但因其加工工藝比常規(guī)的鋁導線和銅導線要復雜得多，因此從經濟角度來分析，鋁Busbar越長，它的質量和成本才越有優(yōu)勢，對于部分蓄電池后置的車型來說是可以適當考慮的。

1.4 線束布置的優(yōu)化

對線束布置進行優(yōu)化設計，在設計初期應對電器部件的安裝位置進行合理布置，同時采用科學的布線路徑，將線束的路徑設置為最短。例如在整車底盤電器件的布置中，應將蓄電池、電器接線盒、起動機等導線分布較多和采用粗線徑連接的電器件布置在同側臨近的位置，這樣可以大大減少線束的長度和整體的質量。線束布置時可采用H型和E型相結合的布置形式，避免線束回轉重復，造成線束長度的增加進而增加線束整體的質量。

2 電器零部件的輕量化

隨著消費者對安全功能和其他電子產品需求的日增，電器零部件日益增多，電器件的創(chuàng)新和零部件的整合成為與輕量化相協調的重要趨勢。

1）電器件的創(chuàng)新主要涉及電器件材質的改進和創(chuàng)新，在保證安全和相關性能的基礎上，對塑料外殼可采用更輕的材料，使電器件本身質量降低；而對整車用的控制器和繼電器熔斷絲盒的設計應盡量減少額外的連接電線，選用小型化的繼電器和熔斷絲，減輕質量的同時還可減少電器件的體積。

2）零部件的整合簡化，對汽車采用的相關電子產品，結合各項功能應用，進行整合設計，減少零散部件的應用。同時根據電器控制原理，進行原理優(yōu)化，對回路進行合理設計，能合并的回路就合并，合理減少熔斷絲和繼電器的數量，也是汽車電器減重的一個思路。

3 總結

總之，隨著市場的需求越來越高，汽車電器的輕量化也是勢在必行，以上探討了汽車線束和電器件在輕量化方面的一些設計和應用。對輕量化的研究是無止境的，需要零部件廠商和整車廠互相促進，共同努力逐步實現汽車電器的輕量化。