汽车铝线束的开发过程

原创 线束世界 2024-05-20 07:53









铝线束的开发

Development for Expansion of Aluminum Wiring Harness


随着对减少车辆CO₂排放的需求不断增加,轻质线束的需求一直很高。通过用铝电线取代传统的铜电线,可以预期有效的减轻重量。然而,铝线存在导电性低、抗拉强度低等缺点,以及表面氧化膜厚、电偶腐蚀等问题。为了解决这些问题,我们开发了一种导电性和抗拉强度都有所提高的铝合金。我们还开发了一种独特的接头端子,即使在厚厚的氧化膜上也能保持低接触电阻和足够的导线保持力。我们已经建立了一种防腐技术,通过在端子的卷曲接头上涂上一种新的防腐蚀剂来防止电偶腐蚀。本文详细阐述了各自的解决方案



01

介 绍


在最近越来越严格的车辆二氧化碳排放法规下,减轻线束重量的需求不断增长。在这种情况下,铜价飞涨。2006年,住友电气株式会社(Sumitomo Electric Industries, Ltd.)启动了一项铝制线束的研发项目,旨在用铝线取代传统的铜导线,从而减轻线束的重量和价格。


从那时起,我们扩大了汽车铝电线的阵容,包括标准铝线和高强度铝线。我们的高强度铝线可以用作信号线和发动机线束。为了进一步扩大铝电线的使用,我们开发了关键部件,使制造由任何尺寸的电线组成的汽车铝线束成为可能。本文介绍了汽车电线和端子的技术发展,以及它们的防腐技术



02

汽车铝电线的发展


2-1  发展历史


2006年我们开始开发铝电线的时候,这种电线很少被使用,并且主要仅在欧洲用于大尺寸汽车电池电缆。通用的细铝电线并没有永久使用,而是暂时用于有限的用途。住友电气集团的四家公司建立了联合开发体系,致力于开发细铝电线(图1)。


图1 铝电线开发系统



2-2  新型铝合金的开发


住友电气已将标准和高强度铝合金作为汽车铝电气电线材料,并根据使用目的、位置和所需性能适当使用。我们的标准铝合金在强度和导电性之间有很好的平衡。我们开发了一种铝铁镁(Al-Fe-Mg)合金,其成分为1.05%质量的AI 和0.15%质量的Fe(图2)。为了提高新合金的强度,我们在具有优异导电性的Al-Fe合金中添加了Mg,并用于输电线路。


图2 标准铝合金设计



由我们的标准铝合金(标准铝电线)制成的电线具有120MPa的抗拉强度,同时保持其导电性为IACS的60%。它们可以用来代替大约一个尺寸大的传统退火铜电线。


由于铝的比重是铜的三分之一,因此与相应的铜电线相比,即使电线尺寸增加了一个尺寸,铝也能显著减轻电线的重量。


我们开发的高强度铝合金的强度高于退火铜的强度。传统的高强度铝合金不适合用于线束,因为这些合金由于伸长率低和韧性不足,在工作过程中急剧弯曲时会意外断裂。由于我们的高强铝合金材料具有较好的强度和韧性平衡,我们选择了铝镁硅(Al-Mg-Si)可热处理合金(强化沉淀合金)(图3)。


图3 高强度铝合金的选择与发展目标



最后,我们开发了一种高强度铝合金(Al-0.6mass%Mg-0.5mass%Si),抗拉强度为250 MPa或更高,伸长率为8%或更高,电导率为50%IACS或更高,均高于退火铜的数值(图4)。


新开发的高强度铝合金,其强度高于退火铜,使得可以生产出截面积为0.5mm²或更小的薄型电线(高强度铝电线)。我们的高强度薄型铝电线和标准铝电线可以显著降低布线束的重量。



2-3  铝制电线阵容


从2010年11月开始,用标准铝电线制作的线束开始用于汽车内饰。从2015年12月开始,用新开发的高强度铝电线制作的线束开始用于发动机舱。表1表2展示了我们目前量产的铝电线种类。


表1 标准铝电线阵容


表2 高强度铝电线阵容



2-4  总结


自2010年我们的铝电线首次用于汽车以来,我们已经扩大了这些电线在车辆中的应用。同时,我们还扩大了铝电线产品系列。为了进一步扩大铝电线的应用、我们已经建立了电线生产系统电线生产系统,可以生产各种规格的电线,最大尺寸可达160平方毫米的各种规格电线。



03

铝电线的连接方法


电线的连接方法有两种。一种是端子连接,将电线连接到由铜或铜合金制成的端子上,另一种是将两对或多对导线相互连接。特别是压接方法用于连接铜电线。在这种方法中,将待连接的导线的一端放在一个称为“线筒”的u形端子中,然后将线筒与导线压接在一起,如图5所示。


图5 压接方法


然而,在某些应用中,压接铝电线无法确保必要的电气连接性能。作为传统压接方式的替代方案,我们开发了一种新的铝电线连接方式。



3-1  挑战


本节首先介绍在成功连接铝电线时需要应对的挑战。铜和铝的物理性质以及在这些材料表面形成的氧化膜的物理性质,如表3所示。由于氧化铝膜强度大且不导电,因此会干扰铝电线的电气连接。为了保证稳定的电气连接,有必要打破氧化膜。


表3 铜和铝氧化膜


线筒内壁上形成的不规则凹槽,被称为“锯齿”,被用作破坏氧化膜的手段。我们精心设计了锯齿的结构,使其深度足以连接各种类型的电线。然而,上述连接该方法在用于大尺寸电线的终端连接和涉及多根电线压接在一起的接头时产生了一个问题。特别是,该方法使一些元件导线与端子上的锯齿接触不良,从而增加了导线的接触电阻,图6所示。


图6 与压接连接有关的问题



3-2 超声波焊接


我们选择超声波焊接作为由多根元线组成的粗铝电线的终端连接方法。图7给出了我们使用的超声波焊接机的结构示意图。


图7 超声波焊接机结构示意图



超声波焊机将所有要连接的元件导线包裹在墙壁上,将其暴露在超声波能量下,并通过一种称为“喇叭”的工具对其施加压缩载荷。超声波能量会打破元件导线上形成的氧化膜,使元件导线裸露的表面能够直接粘合在一起。超声波焊接保证了元件导线的高质量连接,使其从最上端到末端连续连接。在压接中,随着电线尺寸的增加,与锯齿不接触的元件线的数量也会增加。因此,电线的接触电阻增大。相比之下,超声波焊接使得电线无论尺寸大小都可以稳定地保持非常低的接触电阻,如图8所示。


图8 电线尺寸与接触电阻的关系



在电池驱动的车辆中,由铝电线组成的大电流线束在电力传输和其他应用的使用次数越来越多,以减轻线束的重量,超声波焊接是确保使用中的铝电线拥有高度可靠的电气连接所必不可少的。



3-3  用于接线的压接端子


虽然超声波焊接也可用于拼接、压接端子,通常用于连接三根或三根以下的铜导线。我们开发了一种压接端子,也可以用来连接铝电线如图9所示,新型的压接端子在线筒的中心有一个内筒。当电线与新端子以常规方式压接时,电线仅在端子的中心部分受到强烈压缩,电线和内筒相互重叠。


图9 铝电线的接线端子



接线端子两侧的正常压接部分可确保必要的电线固定力。然而,如第3-1节所述,与锯齿不接触的元件线会增加电线的接触电阻。另一方面,在电线高度压缩的部分,电线会过度变形,以至于破坏在每根电线上形成的氧化膜。由于冷压焊接,元件导线以固态形式相结合在一起。图10为用于压接后溶解的压接端子。当电线用常规端子进行压接时,元件线之间不会相互粘接,在端子溶解时会分离。我们确认,新的压接端子的中心部分会对电线进行强烈的压缩,直到元件线粘合在一起。


图10 强压缩部分的导线状态



我们可以通过在强压缩部分将元件线粘合在一起来大幅降低接触电阻。因此,如图11所示,新开发的压接端子已被证实能够在大范围的压接条件下满足所需的接触电阻,这是传统端子无法实现的。


图11 强压缩部分的影响



3-4 总结 


新建立的超声波焊接技术以及新开发的具有强压缩构件的专用压接端子,能够满足表4所示的各种电线连接要求。我们将有效地利用这项技术和端子,扩大铝电线的使用范围。


表4 铝电线连接方法

                           电线连接方法的建立



04

防腐技术


4-1 铝和铜之间的电偶腐蚀


如果潜在的贵金属铝和潜在的碱铜之间的接头与电解质(如盐溶液)接触,这些金属就会形成以铝为阳极,铜为阴极的电池。铝作为阳极溶解,在溶解液中的现象称为“电偶腐蚀”(图12)。

图12 铝和铜之间的电偶腐蚀



如果铝电线压接端子与电解液接触,则铝导体将通过上述电偶腐蚀机制(图13)彻底溶解到电解液中。如果铝本身与电解质接触,则会加速腐蚀。

图13 铝电线压接端子的腐蚀



4-2 铝电线的常规防腐技术及 

      与该技术相关的一个问题  


我们开发了铝电线的防腐技术,目前将这些技术用于铝电线的批量生产。这些技术通过热固性树脂或紫外线涂层来保护卷曲的接头免受水的侵害 (图14)。

图14 常规防腐技术




这些技术通过在铝导体上涂上一层硬树脂,从而防止其溶解。然而,这些技术有一个缺点,即与不使用这些技术时的端子尺寸相比,它们增加了卷曲端子的外部尺寸。因此,在使用传统端子时,有些导线没有被压接。为了克服上述缺点,我们开发了一种新的防腐技术,它不会影响压接导线或压接连接器的形状。



4-3 铝制电线新型防腐技术


我们选择了柔软的凝胶状防腐蚀材料,即使防腐蚀材料干扰连接器,也不会增加将导线插入卷曲连接器所需的力。我们还开发了一种新的防腐蚀剂,额外为我们的防腐蚀剂提供了一种新的吸附铜的能力。这种新型防腐蚀剂不需要在铝导体上涂上涂层,但通过保护暴露在端子表面的铜,限制了铝导体的溶解。


为了有效地利用新型防腐蚀剂来保护端子表面暴露的铜,需要在压接端子的复杂表面上精心涂抹防腐蚀剂。为了满足这一需求,我们还开发了一种技术,可以在所有必要的区域上精心涂抹防腐剂。因此,我们建立了一种新的防腐系统,作为传统系统的替代方案(图15)。


图15 铝电线压接端子示意图和涂有新型防腐剂的端子的外观


4-4 总结


我们建立了一种防腐技术, 可用于保护室内使用的各种压接电线。我们使用这种技术制作的电线于2017年首次用于车辆。为了进一步扩大铝制线束的使用范围,我们一直在推动一种创新的新型防腐技术的开发,该技术可以将线束定位在发动机舱的非水密区域。



05

结 论


为了使铝制线束可用于车辆,我们不断开发新的电线、端子及相关技术。自2010年我们的铝制线束首次用于车辆以来,我们一直致力于增加每辆车使用的线束数量。与此同时,我们还扩大了电线的阵容。


截至2018年10月,有10家汽车制造商(8家日本制造商和2家非日本制造商)在其共计50款车型中使用了我们的铝制线束。随着未来自动驾驶技术的进步和驱动系统的电气化,每辆车上安装的传感器和ecu的数量将会增加。


相应地,汽车应用的线束将需要进一步增加组件电线的数量。此外,汽车制造商为了提高其制造的汽车的性能,对更高电压、大电流器件的需求将产生对尺寸超过标准化尺寸上限的电线的新需求。


甚至在未来,铜价预计将持续上涨。用铝电线替代线束中的所有铜电线,可将线束重量减轻 25%以上。因此,铝线束的需求预计将进一步增加。



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