EVWIRE2020上海国际新能源汽车线束连接器技术展览会

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行业新闻

彭丽军:新能源汽车线束线缆用高性能铜合金发展趋势

2019-09-29 08:33:19



中国铜加工发展现状

铜及铜合金是国民经济建设和高新技术发展的重要基础材料


中国已经连续十年成为世界铜材生产和消费大国

2018年世界铜材产量(2655.6万吨)

2010-2018年世界铜材产量

大而不强,普通产品产能过剩,高端产品依赖进口

工业规模达到世界最大,整体装备和部分技术接近或达到国际先进水平;

工艺技术整体落后,生产效率低,资源能源消耗大;

基础研究不足,创新能力不强,原创成果少;

中低档产品竞争激烈,但高端制造用关键产品依赖进口。


高性能高精度铜合金板带材制造技术:以铜镍硅、铜铬锆、铍铜及铜箔为研究对象,开展相关基础研究,突破核心关键技术,开发高端铜及铜合金板带箔材关键产品,实现产品的国产化,满足我国高端制造业发展对引线框架、电子元器件、动力电池等用高性能、高精度铜及铜合金板带箔材的紧迫需求;

高性能铜合金特种加工材制造技术:以大直径高耐蚀铜合金管材、高性能铜合金镀膜丝线材以及高导热铜基复合热沉材料、自润滑铜基复合材料、高铁制动系统铜合金闸片为研究对象,通过发展铜合金特种加工材和粉末冶金铜基复合材料的基础理论、共性关键技术和产业化应用研究,建立铜合金特种加工材工业研究平台和成套制造技术产业化基地,填补我国高性能铜合金特种加工材技术空白,实现典型产品的产业化示范和应用,满足航空航天、电子信息、船舶工业、海洋工程、高速轨道交通等重点领域的应用需求。

汽车线束用铜合金材料发展趋势

新能源汽车的发展现状


国务院《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》到2020年,纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆。



与各大汽车集团长期的合作关系、强大的研发能力、深厚的技术底蕴、全球化配套能力和先进的管理水平,数十家外资合资线束企业占据了中国汽车线束市场80%以上市场份额。

汽车线束的组成

导线和端子占线束90%材料成本,90%线束重量,是线束的重要组成部分。


汽车线束的作用

汽车线束控制汽车主要的电气和电子功能,是汽车的血管和神经,提供动力、传递和反馈信号。

汽车线束重量20-30kg。

主线束:主要分布于发动机舱和底盘,舱内少部分;

发动机线束:主要分布在发动机上;

座舱线束:主要分布在舱内;

仪表舱束:分布在仪表板内;

小线束:左右前门线束、后门线束等


汽车线束控制汽车主要的电气和电子功能,是汽车的血管和神经,提供动力、传递和反馈信号。一根汽车线束重要大概是20-30kg。它分为主线束/发动机线束/座舱线束/仪表线束和小线束,不同位置的线束,工作温度也是不一样的,对线束铜合金材料的选择也是不一样。

汽车线束的线缆

汽车线束根据导体数量可以分为单芯线/多芯线。根据是否需要屏蔽,可以分为非屏蔽线和屏蔽线。根据电压线耐电压高低可以分为低压线缆,主要是燃油车,而电动车线束线缆一般为高压线缆,电压为600V。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。导体重要一般占线缆的75%,成本占线缆的70-80%。


汽车线束的端子

端子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,对端子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,根据端子连接器的形状,可以分为Y型/圆孔型和方型。


汽车线束的发展趋势

汽车线束的发展趋势主要有三个,一个轻量化。新能源汽车相对于燃油车增加了电池/驱动系统和高压线束,整车重要要高于前者。有人统计,倘若汽车重量减重10kg,将续航2.5km。因此,新能源汽车的轻量化已迫在眉睫。

另外,新能源汽车采用的是电力驱动,必须采用大功率的电机/大容量电池,如果需要减少充电时间,需要采用能承受高压大电流的高压线束;

随着新能源汽车的发展,只要之前通过按键控制的功能几乎可以通过语音控制,需要线束能传输更高的速度和容量,线束智能化越来越明显。


铝相对于铜具有价格和重量轻的优点,被看成线束轻量化的重点发展材料,特别是随着铜包铝制备技术的不断成熟,更看成铜合金材料理想替代者。但是,纯铝与铜包铝合金材料的导电率只有60%IACS,要达到相同的载流量,导线线径要比铜导线粗,增加布线困难。另外,由于铝材料本身的性质容易被氧化,又较柔软,所以压接之后的机械性能和电气性能比较低。另外铝和铜接触会产生电偶腐蚀,压接过程中对其防护也是一个难题。最后,铜包铝合金材料的使用回收也是目前一大难题。

线束线缆高压化、轻质化和智能化铜合金解决方案

设计了抗电磁干扰屏蔽结构,利用内导体和外导体(屏蔽)共同作用,电缆内的磁场成同心圆分布,而电场从内导体指向并止于外导体,使电缆周围外部的电磁场为零,从而确保电动车正常运行。

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。


高性能镀膜铜合金丝材制备过程

单丝尺寸:最小0.08mm;绞线尺寸、性能满足MIL-DTL-29606A对宇航用线缆的要求。


线束高压化、轻质化和智能化,端子用铜合金材料解决方案

端子向着更小的尺寸、更薄的厚度、更轻的重量,使用性能更加稳定方向发展

对端子用铜合金材料的强度、导电、抗应力松弛、成型性能等综合性能提出更高的要求。


锡磷青铜

水平连铸法制备,需要长时间均匀化处理,典型牌号C5191合金,市场需求量约18万吨,产量约20万吨,应用最广的连接器、端子材料。但是合金的生产工艺为水平连铸,生产效率低,由于锡含量偏高,存在锡偏析,需要长时间均匀化退火,加上锡本上价格比较贵,产品成本比较高。


由于Sn价格贵,在保证力学性能/电学性能不低于C5191合金前提下,添加其它微量合金元素替代Sn,开发新型的铜基材料。


开发的材料在力学性能与C5191合金相当的前提下,显著提高了导电率。这款材料已成功应用于神舟九号飞船和天宫一号的在轨对接工程,圆满完成了飞船及航天员数据对接。目前公牛集团电连接器大部分采用此款材料,相关的技术也获得了中国有色金属协会和浙江省的科技进步奖。这款材料相对于传统的C5191合金具有性价比优势。


另外,我们与宁波兴业共同对Cu-Ni-Si合金的产业化技术进行研究,实现了带材的产业化生产,


相关产品的物理性能与国外KME,Wieland的同类产品相当


在折弯成型性能方面与国外同类产品相当。可以作为目前新能源汽车线束线缆实现三化,端子用铜合金材料主打材料。


铜铬锆合金生产关键技术

大规格高品质铜铬锆合金铸坯的非真空铸造技术

半连续铸造技术:铬元素±0.02wt%,锆元素±0.02wt%

铜铬系合金的高温固溶处理及形变热处理技术

铬含量的多少将直接影响固溶温度,固溶处理与后续形变热处理的合理匹配是直接决定合金性能。

铜铬系合金的折弯成形与力学性能调控技术

铜铬系合金的强化机制主要依靠时效强化和加工硬化,强化方式合理匹配将有利于折弯成形和强度的调控。


铜铬锆合金凭借其优良的导电导热等性能,深受研究学者和市场青睐。但是由于锆元素容易在非真空环境下氧化,造成成分不均匀,限制材料的使用。我们团队与宁波兴业开展产学研合作,突破了大规格等技术,实现产品的产业化,性能与国外KME同类产品相当。此款材料相对于前面两种材料具有更高的导电率性能可以作为未来线束线缆用端子铜合金材料。

总结

在国家相关政策的刺激下,新能源汽车迎来快速发展的时期,对线束的需求量也逐渐增大,对线束的重量、耐压和智能化程度提出更高的要求;

铝和铜包铝等轻质合金材料虽然在价格和重量上优于铜,但是线束用材料的更换涉及到后续端子材料种类的选择、连接方式,属于系统工程,前景很好,需要解决的问题很多;

铜及铜合金在强度和导电性方面存在优势,是目前线缆的主流材料,但如何在保持优良性能的同时进行减重,同时材料的成本不能明显增加,是线束用铜合金材料发展趋势。

来源: 上海有色金属网