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。現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定可靠的優勢，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，在壓接區域易產生電偶腐蝕和間隙腐蝕，商用車發動機位置的惡劣振動環境，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，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。可通過式 （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。環境溫度取23℃進行計算，導線相對環境溫度升高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

商用車的振動環境較乘用車相比惡劣很多，尤其發動機位置最為惡劣，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