汽車導線性能和應用分析

張子翥，王海吉

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 導線分類

汽車導線，顧名思義，用于根據傳輸信號或電流，保證整車內各用電器的工作。根據傳輸信號或電流的要求不同大致分為兩個種類：普通導線與特殊導線 （如MOST光纖、ABS輪速線、同軸導線、HSD高速信號傳輸線等）。

1.1 普通導線

普通導線主要分單芯導線和絞合導線 （圖1）。單芯導線指一個絕緣層內只有一路導體，主要用于電流或普通信號傳輸，是汽車線束中占比最大的類別。絞合導線是指2根或3根導線絞合在一起，用螺旋結構抵消電磁感應對小電流信號的影響。

圖1 單芯導線和絞合導線

1.2 特殊導線

同軸導線和HSD（高頻／高速信號傳輸線）主要用于整車收音機／導航／視頻信號的傳輸 （圖2）。這兩種導線因傳輸高頻或高速信號的特殊要求都存在屏蔽層或特殊的絞合方式，因此導線結構較復雜。

圖2 HF／HSD （高頻／高速信號傳輸線）

MOST光纖和ABS輪速線是另兩種特殊導線 （圖3）。MOST光纖線主要應用在高速信號傳輸，相比高速信號傳輸線有更高的傳輸速率和響應速度，傳導介質為光纖而非金屬材質。ABS輪速線本質上是雙絞線，但因布置位置特殊 （底盤副車架運動區域），導線選用超柔導線，且屏蔽層為整體注塑的形式。

圖3 特殊導線 （MOST光纖、ABS輪速線）

2 單芯導線類型

單芯導線在汽車線束各類型導線中應用最廣，而且作為各種汽車特殊導線最基本的組成部分，本單元將重點展開關于導線性能和應用的闡述。

2.1 單芯導線性能分析

按照導線材質分類主要有銅導線、合金導線和鋁導線；按照DIN-7722導線絕緣皮厚度分類主要有FLXX、FLRXX、FLUXX。考量導線的性能主要有如下幾個參數：材料成分、密度、導電率、拉伸強度、彎曲性能。參考表1列出的相同線徑下不同材質的導線性能參數可以得出如下結論：①銅導線導電率最優；②合金導線 （包括銅錫、銅鎂合金）拉伸強度最優；③鋁導線質量最優。

表1 不同材質導線性能參數

基于各類單芯導線的性能參數，結合導線的制造性和成本兩個因素，列出3種單芯導線的綜合排序。3種單芯導線綜合性能評價如圖4所示。

圖4 3種單芯導線綜合性能評價

根據表1和圖4的性能參數和綜合排序得出如下3個結論。

1）銅導線的導電率和壓接性能最佳，機械性能均衡，故適用于任何電流負載的回路中，但成本是3種材質最高的。這也是目前汽車線束總成在整車零件成本中占比較高的根本原因。

2）合金導線 （包括銅錫、銅鎂合金）機械性能最高，但導電率只有銅導線的70%，綜合導電率較低和機械強度高的特點，主要應用在小電流負載的信號回路中。0.13mm2合金導線是目前主要的產品，相比主流0.35mm2或0.5mm2銅導線在降低導線成本和輕量化兩個方面起到了積極的作用。值得一提的是，合金導線目前有銅錫和銅鎂兩種配方，銅鎂合金導線在各項性能中均稍優于銅錫導線。但考慮加工工藝的復雜程度和材料成本，目前銅錫合金導線有逐漸替代銅鎂合金導線的趨勢。

3）鋁導線的機械性能和導電率均排名墊底，但成本低、質量輕是最顯著的優勢 （成本和質量均約為銅的1／3）。考慮其較低的導電率 （約為銅的60%），較差的機械性能和復雜的端子壓接和密封工藝，小平方鋁導線 （10mm2以下）尚處在探索階段，目前主要應用在大平方回路中，例如蓄電池正／負極線、起動機／發電機線等。

2.2 鋁導線端子壓接特殊性說明

針對鋁導線的端子壓接性能主要有兩種失效模式：表面氧化和電化學腐蝕。其一因鋁的化學特性較銅活潑，暴露在空氣中表面極易產生氧化層。氧化鋁為絕緣材料，如沿用銅導線的壓接方式會造成電阻率升高進而導致電壓降過高引起電器功能失效等問題。其二電化學腐蝕，鋁較低的抗張強度妨礙有效地使用傳統的壓接技術。壓接時端子擠壓導線，使鋁導線產生冷變形，擠壓后導線內能升高，使其化學性能不穩定，且易被腐蝕，從而產生氧化，氧化后電阻升高導致電壓降過高引起電器功能失效。

針對如上2種失效模式，主要的解決措施有3種：①鋁導線預處理，去除鋁表面的氧化層，通過用壓接端子接觸面替代導體氧化表面。②確保壓接連接無縫，密封。壓接完成后填充環氧樹脂在終端和負載之間，然后在烤箱里迅速使接縫愈合。③增加粘接性線性收縮套管為端子和鋁導線的壓接區域提供額外的保護，使接頭穩固，防止冷熱交變對壓接區域產生影響。

3 特殊單芯導線

考慮目前整車主流的應用場景，本文將對超薄壁導線和超柔導線兩種特殊單芯導線展開分析。根據不同OEM整車制造商的線束設計橫向對比，這兩種單芯導線均有較成熟和廣泛的應用。

3.1 超薄壁導線

根據DIN-72551規范定義，按照導線絕緣層厚度分為FL、FLR、FLU系列，分別對應標準絕緣皮導線、薄壁絕緣皮導線、超薄壁絕緣皮厚度導線。隨著絕緣皮材料的發展，目前主流的DIN標導線基本都選用FLR系列，即薄壁導線。FL系列導線只在大平方導線 （16mm2以上）中有應用，如蓄電池正／負極線、起動機線等。

如表2所示，列舉了相同導線截面積 （0.5mm2）不同絕緣皮壁厚度的尺寸參數。得出3個結論：①超薄壁導線 （FLU）和薄壁導線 （FLR）的導體結構完全相同，因此導線的載流能力和端子壓接性能基本相同。②超薄壁導線 （FLU）的體積較薄壁導線 （FLR）降低約11%。③超薄壁導線 （FLU）較薄壁導線 （FLR）質量降低約7%。

表2 不同類型導線的基本參數

超薄壁導線 （FLU）的絕緣皮厚度較薄壁導線 （FLR）低，因此在導線絕緣皮的耐刮磨性能上比薄壁導線 （FLR）差。根據LV112／ISO6722的導線絕緣皮耐刮磨性能測試的要求，相同線徑下，薄壁導線 （FLR）的耐刮磨循環次數最高達1300次，而超薄壁導線 （FLU）最高耐刮磨循環次數只有450次，約為薄壁導線 （FLR）的1／3。

由上述關于超薄壁導線 （FLU）的性能和特性分析可得出以下3點結論。

1）超薄壁導線 （FLU）質量和體積相比薄壁導線（FLR）有較明顯的優勢。

2）因超薄壁導線 （FLU）導體結構和薄壁導線 （FLR）一致，故電性能和端子壓接特性與薄壁導線 （FLR）基本一致，在導線選型替換上關于電氣性能基本不需要做額外的驗證。

3）鑒于超薄壁導線 （FLU）的絕緣皮耐刮磨性能比薄壁導線 （FLR）低，在導線的替代上需要考慮實際的環境。參考主流OEM的設計方案，超薄壁導線 （FLU）主要應用在內艙靜態區域。

3.2 超柔導線

超柔導線顧名思義，導線的柔軟度相比普通導線高，在彎折工況下不易出現疲勞斷裂。柔性導線的特性主要由導體材質、導體絞合方式、絕緣層材質3個方面共同決定，可從這3個方面入手分析柔性導線相比普通導線的特殊性和主要應用場景。

1）導線的導體材質在導線的的機械性能方面起決定性作用，目前銅、合金、鋁3種材質各有優劣，針對柔性導線，主要考量兩個機械性能，即斷裂延伸率和拉伸強度 （表3）。由此可以得出結論：銅的斷裂延伸率最高，拉伸強度比銅錫合金低，故在導體材質綜合性能中銅是最佳選擇。

表3 不同導體機械性能對比

2）導體的絞合方式對導線最終的柔軟程度起到重要的作用。根據DIN-72551規范定義，導體的絞合方式分為-A（對稱導體結構），-B（非對稱導體結構），-C（不對稱細線多股導體結構）3種。超柔導線選用-C的絞合方式即不對稱細線多股導體結構。如圖5所示，3種不同的導體絞合方式，其中-C的絞合方式最為復雜成本最高。

3）導線絕緣層的材料選擇對導線的性能和柔軟程度同樣至關重要，如表4所示，列舉了目前汽車導線常用的幾類絕緣皮材料性能參數，根據拉伸強度和斷裂延伸率的性能，其中TPE為最佳。目前汽車上所使用導線的絕緣層材料大多是PVC，能夠滿足一般區域的常規柔韌性要求，并且相比于PE、PP材料擁有更好的絕緣品質及性能；交聯塑料各方面性能居中，但設備投資及生產成本較高；TPE材料具有出色的柔韌性和彈性，能夠滿足某些對柔韌性有特殊需求的區域。此外，TPE材料還擁有良好的耐高、低溫性，耐油性等，并且加工工藝簡單。因此，汽車用柔性導線的絕緣層材料主要以TPE為主。

表4 不同絕緣層材質的性能參數

經過關于導線導體材質、導體絞合方式、導線絕緣層材質3點的分析，可以看出超柔導線因其特殊的性能要求，材質和加工工藝的選擇相比常規導線都有本質的區別。因此超柔導線的加工復雜程度和生產成本比常規導線高，在整車線束設計中超柔導線只應用在幾個特殊的環境。考慮到超柔導線的機械特性，即比常規導線更加柔軟，不易疲勞斷裂。在整車相對運動較大的區域一般會選用超柔導線，目的是增加線束的疲勞耐久性能，在相對運動頻繁的區域，在整車的生命周期內保證信號和電源傳輸可靠進而提高整車功能的可靠性。目前主要的應用環境有ABS線束和滑移門線束 （拖鏈結構），如圖6所示。

圖6 超柔導線的應用環境

ABS線束，布置在車身與副車身之間，隨車輛行駛產生頻繁的相對運動，需要導線具備更高的抗疲勞耐久性能。

滑移門線束布置在滑移門和車身的連接處，因滑移門的運動特性導致門和車身的相對運動范圍較大，進而滑移門線束也會產生較大的運動形變。此類設計多采用超柔導線和拖鏈支架的結構共同保證滑移門線束的機械性能，提高可靠性。傳統開合式車門因門線束與車身連接處相對運動較小，一般不用超柔導線的設計，主要通過線束預留長度和車門的開合耐久試驗共同保證設計可靠性。

4 汽車導線設計趨勢總結

隨著整車電氣化發展，人機交互的功能需求日益增長，車載電器的數量和復雜程度也日益增加，汽車線束作為整車的神經網絡，導線用量上升成為大趨勢。如何在有限的車身空間中布置線束，如何保證零件質量在合理區間，如何在功能增加線束復雜程度上升的情況下保證成本是一項異常艱巨且復雜的工作。通過關于單芯導線材質和性能、特殊單芯導線特性的分析和應用研究，我們可以總結出目前汽車導線的設計發展趨勢，旨在為今后的線束設計提供一個視角。導線設計的發展趨勢總結為3點：減重、省空間、低成本。

圖7 線束散件質量分布

導線作為線束總成中質量占比最大的零件 （圖7），導線減重對線束總成有重要的貢獻。0.13mm2導線、鋁導線、超薄壁導線的應用是今后的發展方向。另外0.13mm2導線、超薄壁導線相比于傳統0.35／0.5mm2導線有更小的體積，在省空間方面也起著重要作用。低成本方案從線束總成的角度有很多類型，涉及導線主要是最大程度降低銅的使用，將0.35／0.5mm2導線替代為0.13mm2，或者大平方導線選用鋁導線均為有效且成熟的解決方案。