汽车铝芯蓄电池线的应用＊

赵平堂

（1.鹤壁汽车工程职业学院，河南 鹤壁 458030；2.天海集团汽车电器工程研究院，河南 鹤壁 458030）

电动化、轻量化、智能网联化的相互融合推动着汽车技术的发展。随着汽车油耗标准的不断降低，轻量化成为汽车节能减排的重要手段之一。汽车功能的增加，电子控制技术的普遍应用，连接各个电器件的线束也越来越复杂，汽车线束也变得越粗越重。汽车线束质量约占汽车质量的1%～2%［1］。据统计，一辆高级汽车的线束使用量已达2 km，质量在20～30 kg。汽车每行驶100 km，25kg的线束消耗能量约50 W，相当于燃烧0.1kg的燃油。汽车线束及其附件的未来发展趋势是更细、更轻、更薄。汽车电线的轻量化材料及关键技术具有重要的意义。

电线束由连接器、电线及附件组成。电线束中70%以上为电线，电线中最粗、最重的是铜蓄电池线。在商用基础上，铝导线是铜导线的最佳代替品，铝的比重轻，只有铜的1/3（铝为2.7t/m3，铜为8.89t/m3），导电率为铜的60%。对于目前高涨的铜价而言，铝的市价却只有铜的20%左右，故铝芯蓄电池线正在汽车线束上得到应用。

1 铝芯蓄电池线防止电偶腐蚀的方法

Cu标准电极电位为0.337 V，Al的标准电极电位为-1.662 V，二者相差较大，当铜、铝直接接触时，在空气中水分、二氧化碳和其他杂质的作用下产生电偶腐蚀，造成铜铝连接处的接触电阻增大而易发生安全事故。因此铝线在蓄电池线中应用时防止电偶腐蚀非常重要。

1.1 摩擦焊接

防止铜铝电偶腐蚀的方法一般采用铜铝端子（图1）［2］，铜铝端子压接端为铝，与铝导线压接，另一端为铜，与蓄电池接线柱连接。铜铝摩擦焊接，其原理是机器转动时互相摩擦而产生高温，并在高压后焊接成一体，良好焊接后，焊接面完全没有空隙，没有空气介入的焊接面而不会产生腐蚀。此原理看似简单，但正式生产并不容易，要有较高的生产工艺及设备才能生产。

铜铝摩擦焊接首先铜材及铝材的纯度要求较高，铜材一般采用1号或2号铜，铝材应采用1号铝。可通过改变摩擦焊接截面的结构（图2）来增加摩擦焊接的断裂强度［3］，焊接的铜铝材料反复弯曲，其断裂处不在焊接面（图3），为强度合格。焊接后要除去飞边，铜端经过锻压成型，铝端通过精密车床加工而成。采用热缩管对铝质压接端与铜质连接端结合部位进行二次密封［2］，可进一步防止铜铝电偶腐蚀。

图1 铜铝端子

图2 铜铝端子焊接锥型截面图

图3 反复弯曲前后的摩擦焊接材料

1.2 超声波焊接

不仅摩擦焊接可以防止电偶腐蚀，通过铝线和铜端子的超声波焊接也可防止铜铝接触的电偶腐蚀［4］。取铝线头部剥皮，使线材外露，铝线头放置于端子的焊接区，未剥皮段卡合于焊接端子的开口处，启动超声波焊接机，超声波焊接机的焊头将铝线头和端子压紧，同时产生振动实现铝线与端子的高频摩擦，并靠本身摩擦产生的热量实现铜铝的融合。

1.3 端子电镀法

电偶腐蚀发生的条件之一就是铜铝直接接触，通过铜端子压接端真空镀铝［5］，然后压接铝线，也可防止电偶腐蚀的发生；也可采用铝端子的连接端镀铜的方法防止电偶腐蚀的发生。电镀法相对于摩擦焊接成本较低。铜端子压接端真空镀铝：首先对铜端子要进行化学抛光，然后对电器连接端缠绕耐温阻止蒸镀材料，再对电缆压接端蒸发镀铝10μm。蒸发镀铝后电器连接端缠绕耐温阻止蒸镀材料。

2 压接方法

对于铝蓄电池线的压接既要保证压接后拉脱力符合USCAR21标准的要求，同时压接电阻也要达到USCAR21标准的要求。由于铝容易氧化，表面氧化膜较厚，常规压接方式的压接电阻不能满足标准的要求，为此我们开发了四方双压接、六方双点压接等用于铝线的压接方式，并获得国家专利授权。

2.1 四方双压接

一种四方双压接的汽车铝芯蓄电池线（图4）［2］，包括铝芯线和连接端子，连接端子包括铜质连接端和铝质压接端，铝质压接端为设有腔室的筒状体，筒状体的筒壁上沿横向设有4个第一压接凹槽和4个第二压接凹槽，所述的第一压接凹槽和第二压接凹槽均沿筒状体的中心线均匀分布。第一压接凹槽为4个，第二压接凹槽为4个，采用四面压接的压接方式［2］，使与之相连的线束压接性能更好，并保证压接电阻符合USCAR21要求。

图4 一种四方双压接的铝芯蓄电池线

2.2 六方双点压接

六方双点压接的铝蓄电池线（图5）［6］，包括纯铜端子、压接端、铝电缆、六方双凹点压接组成。六方双点压接是指六方压接的每平面有双凹点。凹点保证了拉脱力和压接电阻符合USCAR21标准要求。

图5 六方双点压接的铝蓄电池线

3 铝线增强方法

汽车铝芯蓄电池线，虽然质量减轻，成本降低，但面临纯铝导体的伸长率低、抗蠕变性能差而易松弛、机械强度差而易折断、容易过载发热，存在安全隐患等问题，影响其推广应用。为此我们开发了汽车铝合金蓄电池线，能够在减轻质量，降低成本的同时有效提高汽车蓄电池线的抗拉强度、弯曲性能、抗蠕变性能，能够保证电路在长时间过载和过热时保持连续性能稳定。

铝合金蓄电池线中，铝合金芯线中各元素为铝、铁、铜、镁［5］。铜元素可增加合金在高温时候的电阻稳定性；铁元素可提高抗蠕变性与压紧性，避免由于蠕变引起的松弛问题；镁元素在同样的界面压力下，能够提高接触点而具有更高的抗拉强度。

4 降低压接电阻

铝易氧化，在铝线及铜铝端子铝表面存在一层导电性不良的氧化膜。一般铜铝端子的铝端内表面为光滑圆孔结构，与铝线压接时往往出现压接电阻偏高的现象。为解决此问题，将铜铝端子的铝压接孔设计为牙型螺纹结构（图6），螺距为2 mm，或与压接孔平行内齿型结构（图7）［3］。两种压接孔结构在压接时可以刺破铝线表面的氧化膜，使压接电阻降低10%以上。

图6 牙型螺纹结构铜铝端子

图7 内齿结构铜铝端子

5 结论

通过摩擦焊接、超声波焊接及表面处理法可以解决铝蓄电池线中铜铝结合的电偶腐蚀问题。四方双压接、六方双点压接能够保证铝蓄电池线的压接电阻和拉脱力符合USCAR21标准的要求。内齿结构铜铝端子和螺纹结构的铜铝端子能在铝线压接时使压接电阻进一步降低。铜铁镁铝合金代替纯铝可以改善铝蓄电池线的抗拉强度、弯曲性能、抗蠕变性能，能够保证电路在长时间过载和过热时保持连续性能稳定。