铜在新能源汽车线束应用分析

来源：线束世界•作者：线束世界-Jimmy•2022-05-30 10:19

每辆燃油汽车和电动汽车的低压线束系统用铜量分别为 18kg 和 23kg。随着汽车驾驶智能性、舒适性的逐日提升，汽车提供越来越多的电子功能，如 ADAS、信息娱乐系统等，要求排布更多更复杂的低压线束系统。据 IDTechEX 和国际铜业协会 2017 年的研究数据显示，每辆燃油汽车的低压线束系统用铜量为 18kg，占燃油汽车用铜的大部分。随着电动汽车网联化、智能化程度加深，每辆电动汽车（包括纯电动车、混动车、插电式混动车）的低压线束系统用铜量分别达 23kg。

汽车的低压线束系统多采用无氧铜丝作为导体，紫铜合金带材作连接器。低压线束中的低压导线为铜质多丝软线，导体多采用无氧铜丝，铜含量在99.99%以上，不易受氧脆化；连接器主要采用T2、C10500 紫铜合金带材。过去一年，3mm 无氧铜丝的平均价格为 7.15 万元/吨，T2 紫铜棒的平均价格为 7.3 万元/吨。

每辆燃油汽低压线束系统用铜的价值量为 1291 元，每辆电动汽车为 1650 元。假设每辆汽车的高压线束系统中，85%的重量为铜导线、15%的重量为连接器，据测算，每辆燃油汽低压线束系统用铜的价值量为 1291 元，每辆电动汽车低压线束系统用铜的价值量为 1650 元。

屏幕截图 2022-05-30 100552.jpg

在传统低压线束以外，新能源汽车以高压电池包为动力来源，新增高压线束为传输载体。汽车线束是控制汽车电气和电子元件功能的主要载体，是汽车的血管和神经，为各电子元件提供动力、传递和反馈信号。根据汽车线束耐电压高低可以分为低压线缆和高压线缆，传统燃油车主要应用低压线缆，而电动车线束新增了高压线缆，其承载电压约为 600V。新能源汽车尤其是纯电动汽车，动力来源靠高压电池包提供，传输载体为高压线束，连接充电口座、高压电池包、逆变器、电机，车载充电机等大功率设备。高压线束主要包括：高压连接器、高压线缆，接地端子和扎带、外包材料、胶带、热缩套管、胶套、安装支架等辅材。

图：新能源汽车线束布置透视图

640 (1).png

图：新能源汽车高压线束连接示意图

640 (2).png

预计未来电动汽车高压系统仍将采用铜导线为主。在汽车“轻量化”的趋势下，汽车的部分零部件，如散热器，逐渐被铝材所代替，既轻便又经济。汽车线束的发展趋势主要向轻量化、高压承载能力和大容量、高效率发展。铝导线的应用有利于线束轻量化，近十年来铝导线在传统汽车上已经得到广泛应用，但目前仍鲜有将铝导线成功应用在电动汽车高压系统的案例。核心问题在于电气性能，铝的电导率只有铜的 60%，铝导线需要增加横截面积才能通过同样大小的持续电流，可参考 USCAR 推荐的铜、铝导线等量替换对照表。尽管铝导线可以减轻 45%的重量并节约一半左右的成本，但铝导线会带来一系列的电线铺设问题，比如占用更大空间、因线束变粗造成转弯半径增大。此外，铝的抗拉强度、膨胀系数都不如铜，而且铝导线表面极易形成氧化铝薄膜，起一定的绝缘作用，影响接触部位的电阻。预计未来电动汽车高压系统仍将采用铜导线为主。

屏幕截图 2022-05-30 100618.jpg

电动汽车高压线束包括连接器、线缆等，导电性能要求高。高压线束主要包括：高压连接器、高压线缆，接地端子和扎带、外包材料、胶带、热缩套管、胶套、安装支架等辅材。在高压线束系统中，线缆的重量占比一般为 75%左右，成本占比 35%左右；连接器的重量占比一般为 15%左右，成本占比 55%左右。电动汽车将以电能运用为主，在电能的加载、控制和应用上离不开导电性能优越的材料。线束导体材料一般为退火纯铜，根据汽车不同位置使用要求，也会采用一些铜合金。

640 (3).png

电动汽车高压线缆要求能够承受高电压、大电流。新能源汽车采用的是大功率的电动机，其输电线束必须是能够承载高压大电流的线束。高压电缆由导体、绝缘、护套、屏蔽、铝箔、包带、填充物等组成，行业标准参照《QC-T1037 道路车辆用高压电缆汽车行业标准》、《新能源汽车用高压电缆 TCAS 356-2019》。电动汽车高压线缆的特点是：（1）高电压，乘用车一般使用额定电压 600VAC/900VDC、商用车一般使用额定电压 1000VAC/1500VDC；（2）大电流，常用在250A，部分大功率电机可用到 400A。

640 (4).png

铜合金化可大幅提升线缆的性能，维兰德研制的高性能合金已成功应用于汽车上。对铜合金进行微合金化，保证合金具有接近纯铜合金导电率的前提下，提高合金的强度，同时可以提升材料的耐高温性能。使用大量直径非常小的单丝进行绞合，可以达到轻质化，同时有更好的耐弯曲，提高导体柔软性。例如国际铜业加工巨头维兰德研制了 WITRONIC 系列合金性能，在保证导电率的前提下，拥有更高的抗拉强度，已经成功将C70250 和C19400 高性能铜合金应用于汽车工业。

汽车高压线束系统若应用高性能铜合金线材，单车用铜的价值量约为 305 元。据国际铜业协会（ICA）统计数据表面，每辆电动汽车（包括纯电动车、混动车、插电式混动车）的高压线束系统重约 5kg，其中的高压线缆占比为 75%，重约 3.75kg。2021 年 12 月至 2022 年 1 月，维兰德C70250 合金的平均售价为 8.13 万元/吨，则每台电动乘用车的高压线缆用铜合金的价值量约为305 元。

640 (5).png

640 (6).png

维兰德WITRONIC 系列合金性能参数及价格

连接器的接触件是完成电连接功能的核心部件，占线束重量的 15%左右。连接器位于电缆两端，连接导线与适当的配对元件，起着电气连接和信号传递作用。连接器通常由接触件（端子和插针）和外覆的塑料构成。汽车线束的接触件是汽车连接器完成电连接功能的核心部件，是汽车线束端子压接和保证线束正常工作的关键。因此，对接触件用铜合金材料的力学/导电/尤其抗应力松弛和折弯成型性能有很高的要求，其重量一般占线束的 15%左右。

640 (7).png

640 (8).png

接触件铜材要求耐高温、加工成型性良好、内部弹性均匀、耐蚀性好、导电、导热率高和可焊性好。《电连接器接触件总规范》(GJB1216)规定：最高工作温度 125℃接触件一般使用铜合金，没有规定材料类别。连接器现行标准仅规定了接触件的工作直径、镀金层厚度、分离力和保持力等主要技术参数，并未规定铜合金材料牌号、规格和状态。我国连接器行业没有经历正向设计阶段，都是仿制产品，接触件铜材牌号、规格、状态等源于国外标准。为防止刚性插针插拔时弯曲损伤，插针常选用具有较高机械强度的黄铜（H62、HPb59-1 等）制作。为保证弹性插孔插合时接触可靠，防止塑性变形和应力松弛，插孔常选用具有较高弹性极限与疲劳极限和适当弹性模量的锡青铜（QSn4-3、QSn6.5-0.1 等）、铍青铜（C17200、QBe2 等）或镍硅青铜（C70250 等）制作。接触件铜材还要求其加工成型性良好、内部弹性均匀、耐蚀性好、导电、导热率高和可焊性好等。

屏幕截图 2022-05-30 100703.jpg

故障电弧导致的新能源汽车火灾比例高达 60%，对新能源汽车安全带来巨大威胁。随着新能源汽车产业的快速发展，其火灾危险性也逐渐显现。据统计，由于电气系统故障产生故障电弧导致的新能源汽车火灾比例高达 60%。新能源汽车电力系统中电气设备的增加和自动化程度的提高，导致车载线路的复杂化和电压等级的提高；另外，充电插拔和车辆颠簸都会增加电弧产生的几率。故障电弧对新能源汽车电气系统带来巨大威胁。

640 (9).png

铜材品质是影响接触件性能的根本因素。铜材是制作连接器导电核心零件——接触件的基础材料，其品质是直接影响连接器接触件电接触可靠性的关键因素。在所有影响因素中，接触件铜材品质是最根本的，也是最基础的。在不同环境下使用的连接器接触件插合后，接触电阻由收缩电阻、膜层电阻和导体电阻三部分组成，铜材品质对组成接触电阻的这三部分电阻都有影响。收缩电阻除正压力还取决于设计结构（尺寸精度）外，正压力、表面物理特征（细晶结构）和表面粗糙度都与铜材品质有关；膜层电阻取决于铜材的耐腐蚀性和防护镀层质量；导体电阻取决于材料类别，如标准规定 1mm 的镀金接触件接触电阻；铜合金 5mΩ、铁合金 15mΩ。

640 (10).png

国产铜合金材已部分实现进口替代，镍钴硅铜等合金成功应用于新能源汽车连接器。连接器小型化，使制作接触件所选铜带越来越薄、丝材越来越细。近年来我国洛阳铜业、博威合金等铜加工骨干企业为实现替代进口目标，瞄准航空、航天、通讯等高端应用领域紧缺的高强度、高电导、高精度的接触件铜材，开展铍铜、钛铜、镍硅铜、镍钴硅铜、铬锆铜、铁铜和碲铜等系列合金熔铸、轧制、热处理、精整等工艺攻关，取得了许多研发和产业化生产成果。目前部分铜合金带、丝材已能替代进口，镍钴硅铜、铬锆铜和碲铜等合金成功应用于新能源汽车连接器。

微信图片_20220530100912.png

汽车高压线束连接器若采用高性能铜合金，单车用铜材的价值量约为 67 元。维兰德推出了C18070 高性能 CuCrSiTi 合金，导电率达到 83%IACS，能够在高温环境下保持较高的弹性和热应力松弛抗性，是大电流连接器的理想解决方案。据国际铜业协会（ICA）统计数据表面，每台电动乘用车的高压线束系统重约 5kg，其中的高压连接器占比为 15%，重约 0.75kg。2021 年 12 月至 2022 年 1 月，维兰德 C70350 合金的平均售价为 8.89 万元/吨，则每台电动乘用车的高压连接器用铜合金的价值量约为 67 元。

640 (11).png

至 2025 年，中国电动汽车线束铜材市场规模合计 188 亿元，其中高压线束市场规模 33 亿元。据IDTechEx 数据，每台电动汽车的低压线束需要无氧铜丝 23kg，至 2025 年我国电动汽车的无氧铜丝需求达 21.7 万吨，市场规模达 155 亿元。假设每台电动汽车的高压线束分别需要线缆 3.89kg、连接器 0.5kg，至 2025 年，我国电动汽车的高压线缆的需求为 3.5 万吨，高压连接器的需求为 0.7万吨，则高压线束的市场规模为 33 亿元。中国电动汽车线束铜材市场规模合计 188 亿元，2021-2025 年复合增速 30%。

微信图片_20220530100934.png

热门话题

推荐文章

线束软件

从小米SU7看新能源产线如何更加绿色与智能

18020

铜在新能源汽车线束应用分析

评论