汽车线束轻量化的发展趋势研究

来源：•作者：线束世界-Jimmy•2021-03-25 23:19

前言:

当前环境污染是关系民生的重大问题。对此国家在汽车行业提出了节能减排的措施及油耗要求。各汽车厂家都致力于降低整车制造成本的同时降低客户的使用成本(油耗)，轻量化已经成为各汽车生产厂家的重要课题，也是各车型能否进一步占领市场的关键。线束作为整车的重要零部件，占整车总重量的2%，而且随着汽车电子设备的逐渐增加而继续扩大。线束轻量化任务越来越被重视，本文从线束的各组成部件分析入手，对汽车线束的轻量化发展趋势做了简要阐述。

1、线束的重量组成结构前言

汽车线束的重量的组成75~80%是导线、15%是端子及接插件、10%是外包材料及其它。

1.1导线

传统汽车的导线都是铜合金导线，线径的使用由0.35~25mm，每辆汽车的导线使用如果首尾相连约2KM。以一辆B级轿车的重量来估算，导线的重量约25~30KG，汽车每行驶100KM，车辆将消耗近0.1kg的汽油。

导线做为线束重要的组成者，研究如果选用更轻，更可靠的替代产品成为线束轻量化领域的热门话题。近几年来，铝导线、特细导线、合金导线以及混合芯体导线层出不穷，越来越被线束厂家和主机厂所重视。

1.1.1电源线的轻量化方案

电源线因其承载电流大，线径粗，端子和导线的拉拔力强，所以利用铝导线代替铜导线的方案被越来越被线束生产厂家所接受。因为铝导线其导线特性和铜比较相近，重量比铜更轻。所以铝导线的使用前些年已经普遍应用于2.5mm~50mm的铜合金导线的替代上。此方案比较成熟，轻量化方面取得显著效果。

1.1.2信号线的轻量化方案

虽然铜和铝的导线性能上比较相近，但是其拉伸强度铝的性能远不如铜。小线径的轻量化方案，生产厂家采取的方案百花齐放。

(1)0.75mm铝导线的应用

有部分厂家没有放弃铝导线的使用，继续研究其合金的拉伸强度是否可以弥补其纯铝导线的不足。例如以某导线生产厂家的铝导线开发为例。为满足0.75mm的铝导线可代替0.5mm的铜导线为目标，设定铝合金导线的导电率目标满足58%IACS，拉伸强度目标满足110MPa。虽然纯铝的导电率能达到62%IACS，但是其拉伸强度只有70MPa。那么就需要在铝导线内增加第二种金属，最优的是Fe，但是分析Fe的比例后发现满足导电率的要求后加工性能下降。所以继续增加第三种元素，第三种元素既要满足加工性能对Fe缺陷的补偿即MS要小，又要拉伸强度的固溶量要高，所以Mg恰恰合适。

表1各元素的Misfit值和最大固溶量

这样掺有另外两种金属的铝合金就很好的替代了铜合金导线，即在导电率和拉伸强度上满足了设计要求，也大大降低了导线的重量。但是面临的问题却较为棘手。

CuO和Al2 O3的导电率10~7s/cm，都是不导电的物质，所以只能通过压接破坏其氧化膜来保证其导电率。但是压缩比与保持力也存在矛盾，对于Al合金的导线其合适的压接区域比Cu合金导线的区域更窄，更加不易于操作。所以厂家改善了端子压接槽形状来改善电线保持力和电流连通性能(图1)。

图1压接条件和阻抗对比

解决了压接课题，又面临着防腐问题。铝的金属活泼性比铜活泼，所以在与铜端子压接过程中，接触位置容易产生接触腐蚀。在硫化的环境下，金属铝很容易溶出。为了解决此问题，图2接触位置(包括压接部到端子后部)利用树脂材质热缩密封能有效的解决此问题。

图2端子压接的防腐

(2)铜合金的特细导线

信号线的导线利用率一直很低，0.5mm/0.35mm的铜导线可以承受10A左右的电流(环境温度24℃)，但是信号线内真正流通的电流往往只有几毫安，这样资源的浪费成为很多线束生产厂家关注的焦点。0.13mm2、0.08mm2、0.05mm2导线已经问世，在多家企业应用。

如何降低线径，使低线径的导线既能满足信号传输的要求，也能满足压接的拉伸强度，端子插入的柱力等是特细铜导线普遍使用和更广泛推广的关键问题。为了满足机械性能的要求，在铜导线中增加合金同样是决此问题的方法。CuSn、CuAg、CuMg和铜包钢是这几年来各线束生产厂家青睐的产品。

以0.35mm导线与铜合金0.13mm的导线为例，其电气性能相差不多，但是重量减少了60%，整体外径也下降了20%。这些数据显示了其优秀的市场前景和经济效益。但是，并不是意味着0.13mm的铜合金导线可以完全替代0.35mm的铜导线。了解物理的都知道，金属的承载电流能力随温度而变化，而且这种变化随着电阻的增大而更加明显。一般来说，110度以下的环境中，0.35mm的铜导线和0.13mm的铜合金导线的性能差异不大，可以再信号线中替换。所以，这就制约了0.13mm导线的使用环境，在驾驶室内可以普遍使用，但是发动机舱内就需要根据所处位置仔细计算使用了。

虽然，0.13mm的铜合金导线由很大的市场前景，但是其机械强度和插入插件的柱力都是未来深入研究的方向。不同于铝导线的方式，因为其线径过小，其合金内即使参入新的合金也很难满足机械性能、电气性能的同时满足经济效益需求。所以有些线束厂家跳出了金属强度的限制，在导线的外包上寻求解决方案。可喜的是，至今为止很多厂家都需找到了很好的代替资源。

原有导线绝缘层为PVC、XLPE材质，内部含有卤素等有毒物质。

图3 PPE与PVC的对比

近几年世界环保组织对汽车环保提出再回收的标准后，新型无卤素绝缘层被研发出来PPE。其成分安全，环保，又特殊的阻燃性特性。被越来越多的厂家应用。由PVC更改为PPE材料。同规格的0.35mm导线，直径降低了27%，面积降低了47%(图3)。

如果对铜合金的导线更详细的分析，可以知道，CuSn的金属强度特性比较优秀，CuAg的电气性能比较优秀。这在导线压接和性能选择上可以作为不同的参考依据。

(3)混合材质的特细导线

在成本节约和能源控制方面日系企业一直都是实至名归的第一位。最早在SUMITOMO研发的一款0.13mm2导线为最细的导线，其采取的是用混合材质的方式，采用中心为一种铜材质，外围为另外一种材质，并且中心和外围的铜丝线径也不相同。虽然这种导线也满足的传输的电性能要求，但是缺点也很明显:制作工艺繁琐，生产成本高，不能超声波焊接，端子的压接属于非常规性压接，需要特殊设备。因此当时并未得到推广。但是现在任有很多厂家在此方面继续研究，在更细的导线上采取此种方案(图4)。

图4 | 混合材质的特细导线

2、接插件的小型化

导线与接插件的发展一直都是相辅相成的，随着导线的特细化发展，接插件的小型化也越来越快。各接插件的生产厂家，都大力开发小型化的接插件。自20世纪90年代中期开始0.64片宽的端子就已经问世。典型的有TE的MQS端子和SUMITOMO的0.64端子。这种小型端子可以使用在信号传输上，可以很大的降低1.5片宽的使用率，直接降低接插件的规格尺寸。

以某公司的20极0.64双排插件为例，横截面积低于同类1.5片宽的插件75%，体积是60%。插件的连接主要性能是老化后接触电压降和插件的机械强度。为了满足其性能要求，在接插件的自锁结构上优化设计。在端子的选材上合金的选择更加严格(图5)。