汽車用導線現(xiàn)狀及發(fā)展前景

王 宇，姚旭東，歐文軍，王思軍

（上汽通用汽車有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430000）

一輛普通轎車上使用的導線用量在1000m左右，其成本占線束材料成本的30%左右 （圖1）。作為汽車線束非常重要的一個組成部分，導線本身的結(jié)構(gòu)和性能對線束乃至整車的電氣性能和機械性能都會有很大的影響。本文將通過對常用的導線絕緣材質(zhì)和導體材質(zhì)的分析來評估不同使用情況下導線種類的選擇，并對新形勢下的導線發(fā)展前景做簡單的闡述和分析。

圖1 線束材料成本分布

1 導線絕緣層材質(zhì)

導線的絕緣層材質(zhì)的性能決定了導線的機械性能及熱／化學性能，目前低壓導線常用的絕緣層材質(zhì)包括聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯 （PP）、聚乙烯 （PE）及其他聚酯類或者氟化高聚物等，耐溫等級介于85℃至150℃之間。其中聚氯乙烯 （PVC）最高只耐溫125℃，但其流動性好、易加工；聚丙烯 （PP）對環(huán)境友好、但加工相對困難；而聚乙烯 （PE）需使用添加劑來確保其足夠的機械性能及熱／化學性能，加工上需要多一道電子輻照交聯(lián)的工序，最高耐溫可達到150℃。

針對最常用的聚氯乙烯 （PVC）、聚丙烯 （PP）、聚乙烯（PE）材質(zhì)做更多維度的對比分析，如圖2所示。可以看出交聯(lián)聚乙烯 （XLPE）的綜合性能更優(yōu)。同時，結(jié)合材料本身的性能因素及成本考慮，從圖3也可以看出交聯(lián)聚乙烯（XLPE）在可以滿足較高性能的前提下，同時滿足較低成本的要求。

2 導線導體材質(zhì)

導線的導體材質(zhì)的性能決定了導線的電性能及其拉伸強度等，目前導線常用到的導體材質(zhì)有純銅、銅合金、鋁、銅包鋼等，其中銅合金包括CuAg0.1、CuMg0.2和CuSn0.3等［1］。導線導體材質(zhì)性能對比詳見表1。

針對導體的拉伸強度來說，鋁合金和銅合金相對純銅有更高的拉伸強度，而銅包鋼的拉伸強度最大；針對導體的電導率來看，純銅的電導率最大，銅合金次之。對于較大線徑導線的導體選擇，在綜合性能足夠的情況下，價格是其最主要考慮因素，而純銅相對銅合金有足夠的價格優(yōu)勢。同時考慮到表面抗氧化性能，鍍錫銅也是一個主要的選擇。但對于0.35mm2以下導線導體的選擇，因為其整體截面過小，機械性能是其需要考慮的最主要因素，銅鎂合金 （CuMg0.2）和銅鋅合金 （CuSn0.3）相對來說有比較大的優(yōu)勢，表2為不同線徑導線的導體選擇。

圖2 導線絕緣層材質(zhì)性能對比

圖3 導線絕緣層性價比

表1 導線導體材質(zhì)性能對比

3 超細導線的發(fā)展

目前汽車上常用的最小線徑的導線為0.35mm2，其用量占比在20%～35%，如圖4所示。而對于更小線徑的導線如0.08mm2／0.13mm2／0.22mm2導線，目前多處于探索性階段，實車的大量應用還未出現(xiàn)。其中部分整車廠會應用0.22mm2的導線作為往更小線徑導線的過渡。相對于0.08mm2或者0.13mm2的導線，0.22mm2有一個比較大的優(yōu)勢是可以使用和0.35mm2導線匹配相同的端子及其壓接模具，同時不會對接插件本身及模塊端產(chǎn)生影響，可以在現(xiàn)有設(shè)計、工藝生產(chǎn)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)導線線徑的降低，達到減重或降本的目的。但對于低電流的信號類回路，最終的方向是往0.13mm2的線徑或者更小的發(fā)展。

表2 不同線徑導線的導體選擇

圖4 整車導線各線徑用量比例分布

圖5 小線徑導線減重比例

相對于0.35mm2線徑導線，0.13mm2線徑導線在減重上有很大的優(yōu)勢。從圖5可以看出，可以達到60%的減重。除減重外，0.13mm2導線的應用還有兩個比較大的優(yōu)勢：①導線線徑的減小需結(jié)合端子、連接器及模塊端的同步變化，勢必帶來成本的大幅度降低；②導線線徑的減小會導致線束直徑的減小，降低線束的安裝難度，減少線束與其他管路的干涉問題。

而針對0.13mm2線徑導線與0.35mm2線徑導線的對比分析，可以從中選出最優(yōu)的導體。綜合考慮拉伸性能和電阻兩個重要指標，銅鎂合金和銅錫合金作為0.13mm2線徑導線的導體是最優(yōu)的選擇。

以如下一款T3（125℃）的導線為例 （絕緣層材質(zhì)為PVC，導體材質(zhì)為銅錫合金），其降額曲線如下 （圖6）。

根據(jù)使用導線溫度的范圍，我們可以將整車環(huán)境大致分為3個部分：①乘客艙區(qū)域，溫度范圍為45～55℃；②前艙（除發(fā)動機區(qū)域外），溫度范圍為70～80℃；③發(fā)動機區(qū)域，溫度范圍為95～105℃。圖6可以看出，如果該導線應用在乘客艙區(qū)域，其達到的電流范圍為5.8～6.2A，可以替代部分當前使用0.35mm2導線的情景。

圖6 T3（125℃）導線降額曲線

但是0.13mm2線徑導線當前的應用范圍依然很小，與下面幾點問題相關(guān)。

1）絞線／焊點：0.13mm2線徑導線暫時不能應用于絞線；且僅用于點對點的連接，不能用于焊點部位。

2）端子：需使用0.64mm尺寸的端子確保壓接性能，且目前不能直接使用0.35mm2導線在用的端子、壓接模具及壓接參數(shù)，需要重新進行開發(fā)驗證。而驗證0.13mm2線徑導線用的端子時，由于端子壓接過程中導向路徑較小，需要加強對端子壓接品質(zhì)的有效管控［2］。

3）同步設(shè)計：導線或者其他任何線束零件無法作為輕量化的單一發(fā)起者，導線線徑的減小需要協(xié)同線束及子零件行業(yè)進行變更，只有逐步形成規(guī)模化之后才能真正帶來成本上的優(yōu)勢。

4 汽車對導線的影響

4.1 汽車電動化導線應用現(xiàn)狀

迫于各國發(fā)布的日益嚴苛的排放要求，目前各大車企，包括國際車企 （如大眾、寶馬、FCA、豐田、通用）及國內(nèi)車企 （如長安、北汽）都已經(jīng)發(fā)布了汽車電動化時間表，在2025～2030年左右將逐步開始停產(chǎn)或停售部分或者全部傳統(tǒng)燃油汽車，以盡快實現(xiàn)汽車電動化目標。

純電動汽車相比傳統(tǒng)燃油汽車減少了發(fā)動機，增加了三電系統(tǒng)，體現(xiàn)到導線上就是減少了整個發(fā)動機艙線束的使用，但鑒于當前對智能互聯(lián)的更高要求，各類功能模塊及其傳感器件的增加恰好抵消了因取消發(fā)動機艙線束而減少的導線用量。同時因三電模塊而增加了高壓回路的使用，其中包括35～50mm2的大線徑導線。以如下某純電動汽車項目高壓線纜應用為例，35～50mm2的高壓線纜使用量接近10m，而單純高壓線纜增加的成本在600元以上。某電動車型高壓線纜分布如圖7所示。

圖7 某電動車型高壓線纜分布

4.2 大線徑線纜的發(fā)展

針對當前大線徑線纜在整車上用量增加及單車成本壓力日增的事實，大線徑線纜的改進應用也是日益迫切。我們從以下3個方面來進行闡述。

1）絕緣層的改進。相對于普通低壓小線徑導線，由于高壓需求及本身線徑的增加，高壓線纜的柔韌性要求成為一個非常重要的指標。得益于較高的耐溫等級 （≥175℃）及優(yōu)異的柔韌性能，硅橡膠是目前最常用的高壓線纜的絕緣材料。但相對于整車150℃的使用要求，實際設(shè)計上存在一定的余量，設(shè)計成本較高。

為了在達到足夠的機械性能要求基礎(chǔ)上，同時實現(xiàn)較低的成本，絕緣層材料的選擇除了價格較高的硅橡膠外，也有些線纜廠家使用XLPE及其他組合形成的絕緣層。如下三層絕緣層，中間層使用柔韌性較好的熱塑性彈性體，最里層和外層使用XLPE，以滿足機械性能要求。通過試驗驗證，其耐彎折性能接近硅橡膠。特殊絕緣層結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 特殊絕緣層結(jié)構(gòu)

2）屏蔽層的改進。如圖9為常用的高壓線纜結(jié)構(gòu)，共分為4層，從外到里分別為護套、編織+包帶、絕緣層、導體。其中屏蔽層由鋁箔層及銅絲編織層組成，而低頻信號通過銅絲編織層即可實現(xiàn)90%的屏蔽率，鋁箔層的作用則是用于高頻信號的屏蔽及較軟硅橡膠導線的剝皮加工，可以根據(jù)實際情況決定是否需要在銅絲編織層的基礎(chǔ)上再增加鋁箔。另外，銅絲編織管仍然存在繼續(xù)優(yōu)化的空間，通過使用銅絲和PET復合編織材料組成編織層取代純銅絲的使用，可以降低銅的用量以達到降本的目的，同時還可以減重及增加柔韌性。

圖9 特殊編織屏蔽層結(jié)構(gòu)

3）鋁導體的應用。導線成本占整車線束成本的30%左右，而導體的成本又占導線整體成本的50%～80%。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［3］。目前鋁導體在汽車線纜上的應用多體現(xiàn)在大線徑的蓄電池線或高壓線上。相對于銅導體，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在節(jié)省成本和減重上。如表3所示，相同應用條件下的鋁導線相對于銅導線來說，減重比例在20%以上。但鋁導體的應用仍然存在一定的問題。

表3 銅導體及鋁導體截面積對應表及減重幅度

鋁導線的連接：鋁導線與端子的連接是通過超聲波焊接的方式，而超聲波焊接是通過高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。這就要求鋁導體的表面的晶粒大小、位錯密度等有較高的要求。優(yōu)劣鋁導體的表面結(jié)構(gòu)對比如圖10所示。

整車布置的影響：由于當前汽車各項功能的增加，更多導線的使用導致線束整體截面積增加，對整車的安裝及管路布置造成很大壓力。而鋁導體等效替換銅導體也需要增加截面積，這就需要充分考慮到安裝過程中的人機評估及整車管路的布置要求。

圖10 優(yōu)劣鋁導體的表面結(jié)構(gòu)對比

4）鋁排或者銅排的應用。目前鋁排或者銅排的應用體現(xiàn)在電池組，但作為高低壓線纜已經(jīng)在部分車型上應用 （如奧迪A4／Q5車型）。對于汽車上的12V蓄電池或者輕混48V蓄電池，存在前置或者后置的情況。但當蓄電池后置時，單純的蓄電池電纜的長度可能就超過3m。使用鋁排或者銅排不僅可以通過特定的造型節(jié)省了空間，同時因為加工工序的減少而進一步節(jié)省了成本。

目前鋁排或者銅排僅在艙內(nèi)進行使用 （圖11），在橫向的柔韌性、耐彎折性等機械性能上，相對于普通的線纜還存在一定的差異。另外，同樣受限于結(jié)構(gòu)及其加工工藝，在鋁排或者銅排上還無法添加屏蔽層，雖然可以通過絕緣層中添加劑的增加來實現(xiàn)部分屏蔽的效果，但屏蔽效果有限。

4.3 總線發(fā)展對導線的影響

隨著汽車智能化及互聯(lián)化技術(shù)的發(fā)展，更多的電子模塊（自動駕駛輔助／視覺安全應用／娛樂系統(tǒng)等）、更大的數(shù)據(jù)傳輸量 （高分辨率數(shù)據(jù)等）、更高的交互需求 （ICM／MGI／ICI之間的相互交互等），對通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的帶寬要求。常規(guī)的LIN／CAN／MOST通信已經(jīng)無法滿足其數(shù)據(jù)通信要求，而車載以太網(wǎng)可以滿足高帶寬、高頻率的傳輸要求。總線類型對比詳見表4。

圖11 鋁排在實車上的應用

表4 總線類型對比

當前常用的汽車以太網(wǎng)線主要有以下3種結(jié)構(gòu)類型：非屏蔽雙絞線 （UTP）、屏蔽雙絞線 （STP）和屏蔽平行線（SPP）。如圖12所示，3種結(jié)構(gòu)類型可以覆蓋的傳輸速率不同，目前最常用的為單根線徑0.14～0.35mm2的非屏蔽雙絞線（UTP）和屏蔽雙絞線 （STP），相對于MOST總線，在具備價格優(yōu)勢的情況下可以實現(xiàn)更高的傳輸速率。而屏蔽平行線（SPP）因為加工過程中穩(wěn)定性不足，目前應用相對較少。

圖12 不同結(jié)構(gòu)車載以太網(wǎng)傳輸速率

5 結(jié)論

導線作為線束最重要的組成部分對整車電路的意義重大，同時也是汽車實現(xiàn)新四化目標的一個重要載體。本文以導線為主要研究對象，介紹了傳統(tǒng)導線及超細導線的發(fā)展現(xiàn)狀，并對當前汽車發(fā)展形勢下高壓線、鋁導線和車載以太網(wǎng)等的發(fā)展及其方向進行了闡述。