Применение алюминиевой проволоки в высоковольтных жгутах проводов для новой энергетики

В связи с быстрым распространением электромобилей (ЭМ), гибридных электромобилей (HEV/PHEV) и систем накопления энергии, электрическая архитектура транспортных средств развивается в сторону более высокого напряжения, силы тока и плотности мощности. Для повышения производительности и снижения веса и стоимости автомобиля традиционные медные жгуты проводов постепенно перестают соответствовать общим требованиям оптимизации новых энергетических систем.

На этом фоне «высоковольтные жгуты проводов из алюминиевого провода» стали ключевым направлением инвестиций для крупных OEM-производителей, производителей аккумуляторов и компаний, занимающихся распределением электроэнергии высокого напряжения.

В данной статье систематически рассматривается ценность алюминиевого провода в области высоковольтных жгутов проводов для новых источников энергии, включая свойства материала, электрические характеристики, вопросы надежности, области применения, распространённые заблуждения и будущие тенденции.

Ⅰ.Почему в транспортных средствах на новых источниках энергии начинают использоваться алюминиевые провода?

1. Значительные преимущества в снижении веса

Плотность алюминия примерно на 30% меньше плотности меди, что позволяет снизить вес жгута проводов на 35–50% при той же допустимой нагрузке.

Для новых энергетических транспортных средств, содержащих сотни высоковольтных цепей, включая зарядные системы, высоковольтные распределительные щиты, нагреватели PTC и электроприводы «три в одном», снижение веса может значительно увеличить запас хода.

2. Более конкурентоспособные цены на материалы

Цена алюминия на сырье составляет примерно от 1/3 до 1/2 от цены меди. Учитывая десятки метров высоковольтной проводки в автомобиле, это может сэкономить 20–40% затрат на высоковольтную проводку.

3. Немного более высокое сопротивление, но компенсируемое за счет структурной модификации

Несмотря на то, что алюминиевый провод имеет более высокое сопротивление, чем медный, требования по токопроводящей способности платформ 400 В/800 В могут быть полностью удовлетворены с помощью таких методов, как увеличение площади поперечного сечения, использование многожильных скрученных структур и гальванопокрытие поверхности.

4. Больше подходит для передачи больших токов и на большие расстояния.

Алюминий демонстрирует стабильные характеристики при высокой плотности тока и передаче на большие расстояния, что делает его пригодным для использования в линиях высокого напряжения большой протяженности между основной шиной и аккумуляторной батареей в электромобилях.

II. Основные технические аспекты алюминиевой проволоки в высоковольтных жгутах проводов

1. Структура проводника: алюминиевый провод — это не просто вопрос «изменения материалов».

Алюминиевые провода, используемые в транспортных средствах на новых источниках энергии, обычно делятся на следующие три категории:

• Провода из автомобильного алюминиевого сплава серии AA-8000
• Многожильные алюминиевые проводники
• Алюминиевые проводники с медным покрытием (CCA) используются для измерения высокого напряжения в неосновных ветвях цепи.

По сравнению с традиционной алюминиевой проволокой, используемой в отделке домов, автомобильные алюминиевые сплавы содержат микроэлементы, такие как кремний и железо, что придает им большую гибкость и сопротивление сдвигу.

2. Технология клеммных соединений: самая большая проблема при монтаже алюминиевых проводов

Алюминий склонен к окислению, имеет низкую твердость и проявляет значительную ползучесть, поэтому клеммы имеют решающее значение для обеспечения безопасности алюминиевых жгутов проводов.

Распространенные отраслевые решения включают:

• Луженый алюминиевый вывод для защиты алюминиевых проводов от коррозии
• Сварка трением алюминия с медью и другими разнородными металлами
• Ультразвуковая сварка алюминия
• Технология соединения шин для переходных пластин из алюминия в медь

Цель этих технологий:

• Снижение контактного сопротивления
• Предотвращение тепловыделения, вызванного окислением
• Повышение стойкости к вибрации в течение длительного срока службы
• Предотвращение локального искрения в условиях высокого напряжения

3.Совместимость изоляционного материала и конструкции оболочки

Алюминиевая проволока обычно используется:

• XLPE (сшитый полиэтилен)
• ETFE/XL-FEP
• Высокотемпературный термоэластопласт

Это связано с тем, что алюминиевый провод имеет иные характеристики рассеивания тепла, чем медный, поэтому для поддержания толщины изоляции и диэлектрической прочности требуется более стабильный изоляционный материал.

4. Электромагнитная совместимость и конструкция безопасности высокого напряжения

Алюминиевые провода, используемые в линиях электропередачи высокого напряжения (HV), в основном располагаются в зонах с высоким уровнем радиации и требуют тщательного экранирования.

Общие методы:

• Экранирование оплеткой из алюминиево-магниевого сплава
• Экранирование оплеткой из меди + композитный экран из алюминиевого проводника
• Внешний экранирующий слой из алюминиевой фольги

Целостность экранирования напрямую влияет на помехоустойчивость контроллеров OBC/DC-DC/двигателей.

III. Типичные сценарии применения алюминиевых проводов в транспортных средствах на новых источниках энергии

1. Высоковольтный главный кабель аккумуляторной батареи (кабель высокого напряжения аккумуляторной батареи)

Используется для соединения аккумуляторной батареи, распределительной коробки и порта быстрой зарядки; это наиболее продуманный сценарий применения алюминиевых проводов.

2. Платформа 800 В, сильноточный путь

Мощные системы электропривода «три в одном» предъявляют высокие требования к сечению кабеля, и алюминиевый провод здесь обеспечивает значительные преимущества.

3. OBC (бортовое зарядное устройство) и PDU (блок распределения питания)

Для высоковольтных шин большой протяженности алюминиевый провод позволяет сэкономить средства и вес.

4. Мощная система терморегулирования

Алюминиевые провода постепенно начинают использоваться в высоковольтных ветвях PTC-нагревателей и системах аккумуляторных тепловых насосов.

IV. Распространенные заблуждения: Алюминиевые провода менее безопасны, чем медные?

Заблуждение 1: Алюминиевые провода легко ломаются.

Алюминиевые сплавы Hyundai серии AA-8000 полностью соответствуют требованиям автомобильного класса по прочности на разрыв и гибкости.

Заблуждение 2: Алюминиевые провода легко окисляются.

Эту проблему можно полностью решить с помощью лужения, использования стойких к коррозии клемм и уплотнительных колец круглого сечения.

Заблуждение 3: Алюминиевые провода выделяют больше тепла.

Тепловыделение зависит от контактного сопротивления. Правильная обработка выводов и опрессовка позволяют сделать рабочую температуру алюминиевых проводов сравнимой с температурой медных проводов.

Заблуждение 4: Алюминиевый провод не подходит для высокого напряжения.

Фактически, высоковольтные кабели — это область, где алюминий превосходит все ожидания (например, 99% линий электропередач изготовлены из алюминия).

V. Процесс испытаний и проверки алюминиевых высоковольтных жгутов проводов

Чтобы соответствовать требованиям автомобильного класса, алюминиевые жгуты проводов обычно должны пройти следующие испытания:

• Испытания кабелей по ISO 6722-1 / 6722-2
• Стандарты высоковольтных жгутов LV216 / LV214
• Вибростойкость: 100–200 ч, класс VI
• Циклическое изменение температуры: от –40°C до 150°C
• Коррозия в соляном тумане: более 500 ч
• Долговременный мониторинг контактного импеданса
• Испытание на стойкость к высоковольтной дуге (HVIL)
• Испытание на тепловой удар и влагостойкость

Эти проверки гарантируют долговременную стабильность алюминиевого провода высоковольтного жгута.

VI. Перспективы замены медной проволоки алюминиевой

С развитием высоковольтных платформ, быстрой зарядки и мощных электроприводов высоковольтные жгуты из алюминиевых проводов станут одной из основных технологий для новых энергетических транспортных средств.

VII. Инженерное производство алюминиевых высоковольтных жгутов проводов: важность сотрудничества со специализированными заводами

Разработка алюминиевых высоковольтных жгутов проводов сопряжена с чрезвычайно высокой инженерной сложностью, включая методы обжима клемм, соединения разнородных металлов, подбор изоляционных материалов, обеспечение вибростойкости и защиту от коррозии в соляном тумане. Поэтому многие производители новых энергетических транспортных средств сотрудничают с поставщиками, имеющими опыт в производстве алюминиевых жгутов проводов, такими как WIRE HARNESS ASSEMBLY (специализированная фабрика по изготовлению жгутов проводов под управлением Kaweei). Эти фабрики, как правило, располагают такими возможностями, как сварка трением, ультразвуковая сварка металлов, проверка обжима клемм под высоким током и испытания на выдерживаемое напряжение, что обеспечивает долгосрочную и стабильную работу алюминиевых высоковольтных жгутов проводов в условиях напряжения 400/800 В.

VIII. Заключение

Применение алюминиевой проволоки в высоковольтных жгутах проводов для новых энергетических транспортных средств — это не просто вопрос «замены материала», а результат скоординированных разработок в области материаловедения, технологий электрических соединений, стандартов безопасности и архитектуры транспортного средства.

Для производителей оригинального оборудования алюминиевая проволока снижает затраты и расширяет возможности снижения веса; для цепочки поставок такие технологии, как алюминиевые клеммы, сварка трением и ультразвуковая сварка, являются ключевыми конкурентными преимуществами.

С наступлением эры быстрой зарядки напряжением 800 В алюминиевая проволока перестанет быть «заменителем», а станет одним из основных решений для высоковольтных систем.