鋁導(dǎo)體電纜在汽車(chē)上的應(yīng)用

施愛(ài)偉

摘要：鋁的導(dǎo)電率僅次于銅，而比重還不到銅的1/3，以鋁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅作為汽車(chē)布線的導(dǎo)電材料，可以大大降低車(chē)內(nèi)電氣布線系統(tǒng)的重量，減少能源消耗從而減少排放，對(duì)車(chē)輛的安全、節(jié)能和環(huán)保都有好處。鋁的資源豐富，價(jià)格相對(duì)低廉 有利于車(chē)輛的成本控制。成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。本文分析了汽車(chē)使用鋁電纜的可行性，方式方法，存在的問(wèn)題和解決途徑。以便于汽車(chē)電氣布線設(shè)計(jì)的時(shí)的優(yōu)化和選型。

關(guān)鍵詞：鋁芯電纜，鋁導(dǎo)體，鋁汽車(chē)電纜，線束，電纜組件

1．引言

汽車(chē)電纜一貫是以銅作為導(dǎo)體材料。用銅絞線作為導(dǎo)體的汽車(chē)電線，具有低的電阻，高的熱傳導(dǎo)率、抗疲勞和機(jī)械強(qiáng)度，而且加工容易，技術(shù)成熟。近年來(lái)，銅金屬的價(jià)格一升再升，使用銅金屬做導(dǎo)體的汽車(chē)電線的成本急劇增加，我國(guó)每年需要進(jìn)口大量銅，銅的價(jià)格受?chē)?guó)際市場(chǎng)影響波動(dòng)非常大，給汽車(chē)電氣行業(yè)造成很多不確定因素。

我國(guó)鋁資源極為豐富，價(jià)格相對(duì)低廉。國(guó)內(nèi)電工用鋁和鋁合金產(chǎn)品品種齊全，貨源充足。以鋁代銅是一條降低成本的途徑，適合我國(guó)的國(guó)情。

鋁導(dǎo)體用于汽車(chē)電線不僅僅降低成本，而且也大大降低重量，對(duì)于車(chē)輛的安全節(jié)能很有好處?，F(xiàn)代車(chē)輛技術(shù)的發(fā)展趨向于節(jié)約燃料和改善車(chē)輛的和尾氣排放，另外從安全考慮將蓄電池從引擎蓋下目前趨于移到儲(chǔ)物倉(cāng)中。電瓶線長(zhǎng)度達(dá)6m，要求電阻不大于1mΩ。這兩方面都直接與車(chē)輛的重量有關(guān)，這就提供了一個(gè)促進(jìn)因素去研究，是否有較輕的可用在車(chē)輛上的替代物，比如鋁。根據(jù)資料，轎車(chē)上每取得100公斤的質(zhì)量減少，平均每100公里可節(jié)省0.35 L燃料和每公里可減少9 g二氧化碳排放。此外，這種汽車(chē)的重量減少是在不影響旅游安全的情況下完成，因此在汽車(chē)行業(yè)的鋁部件的應(yīng)用大大減少了環(huán)境污染，并減少通過(guò)汽車(chē)尾氣管道溫室氣體的排放。鋁的回收很容易，從而可節(jié)省95％的原鋁生產(chǎn)所需的能源，有助于保護(hù)環(huán)境。

近年汽車(chē)的重量增加已引起人們的重視，盡管事實(shí)上，重量會(huì)直接轉(zhuǎn)換成燃料的消耗和尾氣的排放。這種趨勢(shì)是來(lái)自消費(fèi)者的喜好和制造商推薦更舒適，更安全的汽車(chē)，為改善這些車(chē)輛的性能參數(shù)而采用大型部件從而使重量增大。

汽車(chē)設(shè)計(jì)引進(jìn)鋁部件的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是提高了功率重量比，提高了車(chē)輛的加速和縮短制動(dòng)距離。此外，汽車(chē)的重量減少可以用較用小的剎車(chē)器即可取得滿意的剎車(chē)性能，即在路面出現(xiàn)緊急事故較輕的車(chē)是比較容易控制，從而提高了駕駛?cè)?，其他旅客，道路上行人的安全系?shù)。

用低成本的鋁代替銅材方面國(guó)內(nèi)外都取得了重要突破，而日本在上世紀(jì)90年代即已制定了鋁汽車(chē)電線的標(biāo)準(zhǔn)JASO D603，最新版本是2011版。德國(guó)也制定了鋁汽車(chē)電線的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（LV112-2），鋁汽車(chē)電線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也在制定中（ISO 6722-2）。

2  鋁的特性

地殼中約含有8 ％的鋁的化合物，所以鋁是最普通的金屬元素。鋁大多數(shù)以鋁土礦的形式存在，這里面含有鋁和鐵的混合物。提煉過(guò)程首先轉(zhuǎn)化成氧化鋁，然后在熔爐里轉(zhuǎn)化成金屬的形式。鋁可以與其它元素融合，以獲得要求的物理屬性，比如銅、鎂、硅和鋅。鋁及鋁合金種類(lèi)眾多，應(yīng)用在汽車(chē)導(dǎo)體的鋁主要為以下2類(lèi)，：

電工鋁，1350（Al：99.5%），（1370（Al：99.7%）

合金鋁：1310-50（AiMgSi合金）8310等

鋁和銅之間的要點(diǎn)比較概括如下：

鋁線與銅線在重量和直徑相同的條件下，鋁線與銅線的長(zhǎng)度比 10：3。購(gòu)買(mǎi)1 噸鋁線體積相當(dāng)于購(gòu)買(mǎi)了3.3 噸銅線。

鋁的電阻率比銅的高，這意味著對(duì)于在一個(gè)給定的電壓降下，鋁導(dǎo)體必須有較大橫截面積。對(duì)應(yīng)95，70，50，35mm2的銅線，鋁線的截面積應(yīng)是：150，120，80，50。

鋁的價(jià)格比銅便宜得多，比重輕，在相同載流量的條件下，重量降低50%，成本降低80%

3．鋁導(dǎo)體在汽車(chē)電線上的應(yīng)用分析

a）  電瓶線

電瓶線截面積大。耗銅多，重量重，成本高，并且主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)艙里，空間開(kāi)闊，不受體積增大的影響，最適合使用鋁導(dǎo)體。電瓶線用鋁可以采用價(jià)格低廉,性能優(yōu)良,導(dǎo)電率高的電工鋁

b） 線束原線，

線束原線在長(zhǎng)度上占有汽車(chē)導(dǎo)線的絕對(duì)比例，如果采用鋁線，為了保證相同的載流量，一般選擇的截面積要增大一個(gè)等級(jí)，外徑會(huì)隨之增大，這樣線束的體積會(huì)變大從而妨礙裝車(chē)，對(duì)于用線量很多的高檔次車(chē)輛是不合適的，但對(duì)于我國(guó)大量存在的低檔轎車(chē)，卡車(chē)和農(nóng)用車(chē)，也應(yīng)該是可行的。線束用線隨著截面積的變小，對(duì)于導(dǎo)體的機(jī)械性能要求更高，一般要采用合金鋁，國(guó)外通常使用131050鋁合金，這種材料機(jī)械強(qiáng)度好，導(dǎo)電率又高，國(guó)內(nèi)是否有合適材料，有待研究。

雖然目前銅包鋁線也比較普及，銅包鋁材料銅包鋁線的加工使用性能更好，拉制相對(duì)容易，容易接頭，壓端子。容易被用戶(hù)接受。但幾個(gè)關(guān)鍵因素制約著銅包鋁的普及。一是銅包鋁不易回收，浪費(fèi)資源。和循環(huán)經(jīng)濟(jì)不協(xié)調(diào)。二是銅包鋁價(jià)格貴，重量比鋁重，綜合成本高，重量和成本的減低有限。

4．尺寸、成本、重量分析

采用鋁線，一般在規(guī)格上提高一個(gè)檔次，即可滿足原有電纜載流量需要，無(wú)需改變?cè)薪泳€端子規(guī)格系列，以方便使用。根據(jù)銅導(dǎo)體和鋁導(dǎo)體的電阻率并結(jié)合其密度可以計(jì)算出成本節(jié)約量。在相同的電阻和載流量下，鋁導(dǎo)體和銅導(dǎo)體相比尺寸增大，而重量卻降低52%，成本減少86%。

5．鋁電線存在的問(wèn)題

5.1  接頭的問(wèn)題

考慮到使用鋁作為銅的替代物的關(guān)鍵問(wèn)題是采用一個(gè)可信賴(lài)的方式實(shí)現(xiàn)電纜與終端端子的互聯(lián)。幾種因素共同促成要做到這點(diǎn)與銅相比更加困難。

1） 當(dāng)曝露在空氣中時(shí)，金屬鋁表面會(huì)很快氧化。氧化鋁是電氣絕緣材料。電纜和接線端之間的表面電阻會(huì)顯著升高。

2） 鋁較低的抗張強(qiáng)度妨礙有效的使用傳統(tǒng)的壓接技術(shù)。盡管最初的壓接可能產(chǎn)生一個(gè)可接受的電阻。鋁在外力作用下冷變形，壓接的趨勢(shì)將最終導(dǎo)致分界面變得不密閉，促使氧化產(chǎn)生。

3） 鋁的高延伸系數(shù)加劇上面第2 部分概括的情況，比如接縫處試驗(yàn)溫度從環(huán)境條件和通過(guò)自加熱影響導(dǎo)致偏移。

基于上面概括的鋁的特性，遵循以下要點(diǎn)的任何過(guò)程都可能會(huì)是可行的：

1） 去除鋁的氧化面；通過(guò)用壓接端子接觸面替代導(dǎo)體的氧化表面。

2） 確保接縫是無(wú)縫的，密閉的；通過(guò)填充環(huán)氧樹(shù)脂在終端和負(fù)載之間，然后在烤箱里迅速使接縫愈合。

3） 接頭穩(wěn)固，防止冷和熱交變：一個(gè)全面的粘接劑線形收縮套管提供額外的對(duì)周?chē)h(huán)境的保護(hù)。

5.2        鋁線的拉制和絞合和韌煉

鋁的加工工藝相對(duì)困難，鋁的強(qiáng)度低，延展性差。過(guò)去拉鋁設(shè)備只有積蓄式鋁拉絲機(jī)，效率非常低。目前已經(jīng)發(fā)展到和銅一樣可以連續(xù)拉制，效率幾乎和銅相當(dāng)，甚至國(guó)外已經(jīng)發(fā)展出鋁的多頭拉絲技術(shù)，過(guò)去鋁線的拉制很少達(dá)到1mm以下，目前最小甚至可以達(dá)到0.08mm，并在電磁線和編織線上開(kāi)始使用。我們需要的0.2到0.8mm鋁線在國(guó)內(nèi)已經(jīng)能夠生產(chǎn)和提供拉制設(shè)備。

鋁線的絞制相對(duì)困難，過(guò)去國(guó)內(nèi)只有正規(guī)絞的設(shè)備，單絲直徑較大。用束絞、復(fù)絞生產(chǎn)鋁絞線國(guó)內(nèi)沒(méi)有先例 ，需要探索，對(duì)于張力的控制會(huì)更嚴(yán)格。一般的束線機(jī)可能會(huì)難以勝任。如果控制不好，很容易斷絲，出席不均，表面發(fā)毛。不能正常生產(chǎn)和難于達(dá)到表面質(zhì)量要求，甚至影響電阻，外徑和接頭和線束加工。對(duì)于復(fù)絞，可能幾乎不可能成功，要么空隙較大，難于接頭和端子連接，要們?cè)斐杀砻鎰潅?，甚至斷絲。

鋁線的韌煉不能太大，基本屬于半硬狀態(tài)，否則機(jī)械強(qiáng)度不夠，甚至難于加工。韌煉后的鋁線，對(duì)束線機(jī)的要求很高，一般設(shè)備難以達(dá)到要求，所以即使在國(guó)外，也經(jīng)常采用先絞后退后工藝，退火方式大致有幾種：一是電阻是連續(xù)退火，和目前的銅線退火一樣，這種主要問(wèn)題是接觸輪容易磨壞電線表面；二是感應(yīng)式退火，和預(yù)熱器原理一樣，和導(dǎo)線接觸較少，減輕了摩擦，但這2種方式只是應(yīng)絞合前退火后小規(guī)格的電線絞合后退火，對(duì)于絞合后的大截面電線導(dǎo)體，難以找到這么大功率的退火設(shè)備。對(duì)于電瓶線的絞合后的退火，最現(xiàn)實(shí)的辦法就是采用傳統(tǒng)的地坑退火爐，即使在國(guó)外也是如此。

5.3  鋁材的選擇。

汽車(chē)電線選擇的鋁材不僅要求大電性能好，而且相對(duì)有較好的強(qiáng)度和伸率，甚至耐熱性能，適合拉制較細(xì)的單絲和絞合加工，這樣的鋁材實(shí)際不是純鋁，需要添加少量的鎂，硅或者是鐵等元素。牌號(hào)眾多，適應(yīng)不同需要，不同規(guī)格和功能的電線合適的導(dǎo)體用鋁牌號(hào)，有待于我們進(jìn)一步研究。而真正的純鋁雖然高達(dá)65%的導(dǎo)電率，因機(jī)械性能，耐熱性能無(wú)法滿足要求，是不能使用的。

6          結(jié)論

綜上所述，鋁導(dǎo)體在具體的應(yīng)用中，無(wú)論從技術(shù)方面還是從降低成本、減輕重量等方面來(lái)講，都是實(shí)用、可行的。為了優(yōu)化由銅轉(zhuǎn)換成鋁的潛在好處，應(yīng)用方面的選擇也是關(guān)鍵的。在動(dòng)力線的特殊區(qū)域中使用鋁，可能是非常有利的。而鋁汽車(chē)電線制造的關(guān)鍵在于導(dǎo)體絞制技術(shù)如何突破，滿足線束加工的需要。

參考資料：

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8．自動(dòng)車(chē)アルミ化の技術(shù)戦略  大久保正男 アルミゥム 12卷61號(hào)（2005）

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名詞解釋?zhuān)?/span>

電工鋁(electrical aluminium)

            用作電導(dǎo)體的工業(yè)純鋁。國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定導(dǎo)電用工業(yè)純鋁的最低鋁含量為99.5％。中國(guó)的1050A(L3)就是這種純度的工業(yè)純鋁。其雜質(zhì)含量不大于(％)：Fe0.3、Si0.35、Cu0.015、(Fe+Si)0.45，其他雜質(zhì)每種0.03。1050A的導(dǎo)電性能好，電導(dǎo)率為62％/IACS，相當(dāng)?shù)戎亓裤~電導(dǎo)率的兩倍；導(dǎo)熱性能好，蓄熱小，散熱性強(qiáng)；塑性高，易加工成很細(xì)的電線和很薄的導(dǎo)電箔，耐折、抗彎曲；可對(duì)焊連接；耐腐蝕，與絕緣漆、絕緣塑料和絕緣橡膠等有很好的相容性；質(zhì)輕，易搬運(yùn)和布線。但1050A的強(qiáng)度低，板材退火狀態(tài)的σb =76MPa，σ2=28MPa，δ=39％；冷作硬化狀態(tài)的σb =159MPa，σ0.2=145MPa，δ=7％。因此，在作高空架線使用時(shí)，應(yīng)制成鋼芯絞線，-般可作承載小和不承載的母線、電線、電纜、軟線以及其他電導(dǎo)體。近年來(lái)的研究工作表明，電工鋁中加入少量的稀土金屬有除氣、除渣、細(xì)化晶粒作用，可提高抗拉強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、耐熱性、耐磨性和塑性加工性能。