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銅材料在高壓線束領(lǐng)域中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間：2022年11月21日 | 文章來源：國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì) | 瀏覽次數(shù)：1,917 | 訪問原文
據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)分析，2022年9月，新能源汽車?yán)^續(xù)保持高速增長(zhǎng)，月度產(chǎn)銷再創(chuàng)歷史新高，市場(chǎng)占有率達(dá)到27.1%。2022年1-9月，新能源汽車產(chǎn)銷分別達(dá)到471.7萬輛和456.7萬輛，同比增長(zhǎng)1.2倍和1.1倍，市場(chǎng)占有率達(dá)到23.5%。在繁榮的市場(chǎng)背后，除了政策的大力扶持，新能源汽車技術(shù)的不斷發(fā)展也是重要的推動(dòng)力。新能源汽車的核心技術(shù)中，除了已經(jīng)被廣泛探討的三電技術(shù)外，作為新能源汽車電能傳輸“大動(dòng)脈”的高壓線束，隨著市場(chǎng)對(duì)新能源汽車安全可靠性的日益關(guān)注而受到行業(yè)廣泛的重視。
高壓線束在新能源汽車領(lǐng)域中的重要程度日益提升
動(dòng)力電池作為新能源汽車的核心之一，直接或間接為車輛提供能量；驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使用動(dòng)力電池提供的電量來驅(qū)動(dòng)汽車；電控系統(tǒng)主要管理驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力輸出。而將這些器件連接起來實(shí)現(xiàn)各自功能的，就是安裝在新能源汽車上的各類線束。與傳統(tǒng)汽車中的線束相比，新能源汽車線束不僅包含了傳送電信號(hào)和低電壓設(shè)備運(yùn)行所需電能的普通車用線束，高壓線束更是必不可少的重要組成。新能源汽車中的高壓線束承擔(dān)著安全可靠地傳輸驅(qū)動(dòng)車輛行駛所需電能的重要使命，對(duì)于新能源汽車安全性、可靠性和穩(wěn)定性都具有關(guān)鍵且重要的作用。
在新能源汽車中，高壓線束分為：動(dòng)力電池高壓電纜（連接動(dòng)力電池和高壓盒）、電機(jī)控制器電纜（連接高壓盒和電機(jī)控制器）、快充線束（連接快充口和高壓盒）、高壓附件線束（連接高壓盒到DC/DC、空調(diào)等）。與傳統(tǒng)汽車相比，動(dòng)力電池高壓電纜、電機(jī)控制器電纜、快充線束等是新能源汽車上新增加的高壓線束應(yīng)用。為滿足新能源汽車的特殊要求，新能源汽車用高壓線束的技術(shù)要求更加全面與嚴(yán)格，尤其對(duì)于高壓大電流模塊用到的高壓線束，因?yàn)楦吖β?、車?nèi)空間和布線設(shè)計(jì)的要求，需要具有耐大電流、耐高溫、阻燃、高柔性和EMC抗屏蔽性能等特點(diǎn)，以滿足新能源汽車在安全和動(dòng)力方面的要求。

例如在純電動(dòng)新能源汽車中，電源電壓一般在300 V以上、電流可以達(dá)到500 A，因此需要高壓線束具有更高的耐溫等級(jí)，一般在-40 ℃~125 ℃，部分需要達(dá)到150 ℃；其次要求高壓線束的允許工作溫升不超過55 K，以確保在大電流工作時(shí)，溫度穩(wěn)定在安全范圍之內(nèi)；此外，高壓線束的線徑大，工作電流達(dá)到500 A時(shí)，單芯導(dǎo)線線徑需要達(dá)到135 mm2，而更粗的線束會(huì)造成彎曲應(yīng)力變大，線束安裝時(shí)，接插件插拔力也會(huì)增大。如果高壓線束材料具有一定的柔性，將有助于抵消彎曲應(yīng)力，提升線束與接插件連接的可靠性；同時(shí)，為了保證防水與漏電安全，連接器要求的防護(hù)等級(jí)大于IP67，而且為了防止大電流產(chǎn)生的電磁干擾，高壓線束還有電磁屏蔽要求，一般要求銅絲編織屏蔽的覆蓋密度≥85%，其編織銅線直徑?＞0.1 mm。

需要注意的是，隨著800V系統(tǒng)的日漸普及，高壓線束的技術(shù)要求也將進(jìn)一步提升，對(duì)于整車線束布置帶來新的挑戰(zhàn)。首先需要面對(duì)的挑戰(zhàn)是高壓線束采用更大截面會(huì)帶來布線的困難，一般要求高壓線束的拐彎半徑應(yīng)大于高壓線束直徑的6倍以上；其次，高壓線束的布置需要考慮電磁兼容性（EMC）、干擾源，高壓連接線束建議遠(yuǎn)離易干擾部件及其連接線束，最好可以單獨(dú)布置。高壓線束與易干擾部件的連接線束的距離應(yīng)超過10 cm，同時(shí)，將線束布置在金屬車身的凹槽、夾角，或者緊貼金屬車身布置可以有效降低電磁干擾。

綜上所述，隨著新能源汽車高壓線束技術(shù)要求的提升，如何控制高壓線束的工作溫升，在滿足載流量條件下盡可能減小線束截面積，這對(duì)于高壓線束在新能源汽車中的安全使用和車內(nèi)空間的布置具有重要意義。而為了滿足高壓線束的工作溫升和優(yōu)化線束布置，就不得不考慮高壓線束的材料選擇。

現(xiàn)階段車用高壓線束主要采用銅材料作為導(dǎo)體（參見QC/T1037-2016），包括裸圓銅線和鍍錫軟圓銅線絞合而成。銅材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能（20 ℃環(huán)境下，銅的電阻為0.0185 Ωmm2/m，鋁的電阻為0.0294 Ωmm2/m）。在大電流情況下，其工作溫升更低，一方面可以減少輸電時(shí)發(fā)熱損失，另一方面銅材料優(yōu)良的導(dǎo)熱性能也確保了高壓線束的工作溫度穩(wěn)定在安全范圍之內(nèi)。同時(shí)，由于導(dǎo)電性優(yōu)良，在相同載荷下，銅導(dǎo)線的截面積可以更小，這可以有效幫助高壓線束的靈活布置，包括更小的拐彎半徑（高壓線束的拐彎半徑一般需要超過線束直徑的5~6倍以上）；此外，更細(xì)的線束可以降低彎曲應(yīng)力，安裝線束時(shí)，接插件插拔力較小，幫助降低安裝維護(hù)的難度，提高裝配的穩(wěn)定性和可靠性；而且，更小的截面積可以幫助高壓線束靈活布置于貼合金屬車身的凹槽、夾角，或者緊貼金屬車身布置以有效降低電磁干擾。

☆?除了良好的導(dǎo)電性能，銅材料作為高壓線束導(dǎo)體材料的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是較好的拉伸強(qiáng)度與彎曲性能。金屬銅具有較好的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度為200-240 MN/M2，伸長(zhǎng)率可達(dá)50%，其良好的塑性使其易于加工，具有很高的塑性變形能力，可采用壓延、擠壓和拉伸等壓力加工方法制成各種形狀和尺寸的制品，而用銅材料作為導(dǎo)體的高壓線束在使用過程中可以承受車輛行駛過程中發(fā)生的振動(dòng)與摩擦，具有較高的可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命。

☆?銅材料還具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，抗腐蝕性好，且易于焊接。車輛的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜惡劣，高壓線束和端子接頭不可避免會(huì)工作在潮濕、鹽霧等易腐蝕環(huán)境中。而根據(jù)傳統(tǒng)汽車線束的使用經(jīng)驗(yàn)，在潮濕、高溫和振動(dòng)的環(huán)境下，如與其他部件發(fā)生摩擦和碰撞，容易出現(xiàn)絕緣體磨損、接頭松動(dòng)、導(dǎo)線腐蝕等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致斷路或短路等故障的發(fā)生。由于高壓線束承載更高的電壓、更大的電流，并在端子和連接器上具有更大的應(yīng)力，所以安全要求更高，需要導(dǎo)體材料具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性。高品質(zhì)的銅材料既能確保端子和連接器長(zhǎng)期保持良好的接觸，避免電化學(xué)腐蝕的發(fā)生，也能減緩絕緣層老化或受損后，線束導(dǎo)體受腐蝕的影響。而該領(lǐng)域也是其他材料作為高壓線束導(dǎo)體需要進(jìn)行全面研究驗(yàn)證的主要難點(diǎn)之一。

高壓線束的發(fā)展——安全性與輕量化的平衡
安全性是高壓線束最重要的指標(biāo)，高壓線束的安全性設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在絕緣、耐壓保護(hù)、過載、連接器IP等級(jí)、等電位均衡性、高壓線束走線布置等方面。從安全性角度考慮，采用更好導(dǎo)電率和導(dǎo)熱性的材料有利于優(yōu)化高壓線束的能效、降低工作溫升；采用具有更佳抗拉強(qiáng)度與可塑性的材料有助于提升高壓線束在生產(chǎn)裝配和車輛運(yùn)行中面對(duì)振動(dòng)和摩擦情況下的可靠性，且有利于優(yōu)化線束的空間布置；采用化學(xué)性能更穩(wěn)定的材料可以防止腐蝕的發(fā)生，確保高壓線束端子與連接器的良好接觸，降低由于接觸不良帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。輕量化是新能源汽車和傳統(tǒng)汽車都共同關(guān)注的方向，而高壓線束是新能源汽車輕量化的重要領(lǐng)域。輕量化有助于提升能效、增加新能源汽車的續(xù)航里程，同時(shí)可以適當(dāng)降低成本。但在考慮輕量化方案時(shí)，需要確保系統(tǒng)安全性，且對(duì)于全系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)和全壽命成本進(jìn)行綜合考慮。首先，任何輕量化的方案不能以增加安全風(fēng)險(xiǎn)為代價(jià)，需要在安全范圍內(nèi)進(jìn)行輕量化。其次，輕量化設(shè)計(jì)不能僅僅考慮局部的優(yōu)化，而需要綜合考慮整車全系統(tǒng)的輕量化和成本。例如對(duì)于高壓線束材料的輕量化，除了要考慮對(duì)于線束本身的改變；還需要考慮其對(duì)于端子和連接件的影響，對(duì)于電磁屏蔽的改變，以及對(duì)于未來全車生命周期內(nèi)系統(tǒng)維護(hù)與維修的影響。

簡(jiǎn)而言之，高壓線束作為新能源汽車的血管與神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)于新能源汽車具有牽一發(fā)而動(dòng)全身的影響作用。高壓線束的安全性是新能源汽車整車安全性的基礎(chǔ)保障，其技術(shù)發(fā)展對(duì)于新能源汽車整車性能的提升具有重要作用。