Mật độ và chi phí cao của dây đồng truyền thống trong ô tô đã thúc đẩy ngành công nghiệp tìm kiếm các vật liệu thay thế để đạt được giảm chi phí và nhẹ. Nhôm đã trở thành một sự thay thế lý tưởng cho đồng do độ dẫn tốt, mật độ thấp và chi phí thấp, nhưng nó cũng có vấn đề như cường độ thấp và quá trình oxy hóa dễ dàng. Bài báo tập trung vào các cáp năng lượng ô tô phần lớn và khám phá sâu những khó khăn kỹ thuật cần được giải quyết khi thay thế đồng bằng nhôm, bao gồm độ dẫn, cường độ, creep nén, oxy hóa và khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt. Bằng cách phân tích các tiêu chuẩn dây ô tô quốc tế, một nghiên cứu khả thi về việc thay thế đồng bằng nhôm đã được thực hiện, và một giải pháp kỹ thuật cụ thể đã được đề xuất: sử dụng dây nhôm tinh khiết 1 loạt với diện tích cắt ngang lớn hơn để thay thế dây đồng, theo nguyên tắc kháng tương đương; Cung cấp hai giải pháp kết nối dây và thiết bị đầu cuối: hàn ma sát và hàn siêu âm, và sử dụng ống co lại nhiệt dính hai tường để niêm phong. Bài viết cung cấp một con đường mới với giá trị tham chiếu cho các công ty ô tô để đạt được giảm chi phí và nhẹ.

Khai thác hệ thống dây ô tô là tất cả các thân xe. Dây truyền thống được làm bằng đồng điện phân có độ tinh khiết cao, được vẽ và bản lề bởi các quy trình đặc biệt. Do mật độ đồng cao, tổng trọng lượng của dây nối xe vượt quá 20kg và chi phí cao, mang lại áp lực chi phí cho các doanh nghiệp. Cuối cùng, ngành công nghiệp đang tích cực khám phá các vật liệu thay thế cho dây đồng để đạt được các mục tiêu giảm chi phí và nhẹ. Trong số các vật liệu dẫn phổ biến, nhôm là một thay thế lý tưởng. Nó có độ dẫn tốt, chỉ đứng sau đồng trong số các kim loại thường được sử dụng và có trọng lượng nhẹ. Mật độ của nó là khoảng 30% đồng và chi phí của nó chỉ là 20% ~ 30% đồng, nhưng nó có vấn đề như cường độ thấp và quá trình oxy hóa dễ dàng. Bài viết này đề xuất một giải pháp kỹ thuật tham khảo để thay thế đồng bằng nhôm cho cáp năng lượng ô tô mặt lớn.

1. Các vấn đề kỹ thuật cần được giải quyết khi thay thế đồng bằng nhôm

Nhôm vượt trội so với đồng về chi phí và chất lượng, và đã trở thành một điểm nóng để giảm chi phí và nghiên cứu nhẹ trong các công ty ô tô. Tuy nhiên, nhôm thay thế đồng vẫn phải đối mặt với một số khó khăn kỹ thuật.

1) Độ dẫn của nhôm kém hơn đồng. Nếu vấn đề được giải quyết bằng cách tăng diện tích mặt cắt ngang của dây nhôm, đặc tả dây nhôm cần được tăng thêm 1 ~ 2, điều này sẽ làm cho dây nhôm lớn hơn dây đồng. Không gian lắp đặt và bán kính uốn cần phải được xem xét khi sắp xếp dây nịt.

2) Nhôm có cường độ thấp. Sức mạnh cơ học chỉ là 1 / 3 của đồng, và nó dễ bị phá vỡ trong quá trình uốn. Khi xe đang lái, dây rung và dễ bị hỏng, vì vậy sức mạnh của dây nhôm cần được tăng lên.

3) Nhôm có hiện tượng creep nén đáng kể. Vào khoảng 80, creep tăng cường dưới áp lực, trong khi đồng cần phải ở trên 230 để hiển thị một mức độ nhất định của creep nén. Các đặc tính creep nén của nhôm sẽ khiến điểm kết nối nới lỏng khi thay đổi nhiệt độ và thời gian sau khi thiết bị đầu cuối bị uốn, ảnh hưởng đến hiệu suất điện của dây.

Do đó, công nghệ kết nối nhôm-đồng đòi hỏi thiết kế đặc biệt để đảm bảo hiệu suất điện đáng tin cậy trong suốt vòng đời sản phẩm.

4) Nhôm hoạt động hóa học. Nó dễ dàng bị oxy hóa khi tiếp xúc với không khí, tạo thành một màng oxit nhôm dày đặc và cứng. Oxit nhôm có đặc tính cách nhiệt mạnh mẽ và sẽ ảnh hưởng đến độ dẫn của dây nhôm. Khi nhôm tiếp xúc với các thiết bị đầu cuối đồng trong môi trường ẩm và năng lượng, dễ dàng tạo thành một phản ứng điện, gây ra sự ăn mòn điện hóa ở kết nối và ăn mòn dây dẫn nhôm. Tình huống này phải được tránh.

5) Nhôm và đồng có các hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Sau khi xen kẽ lâu dài và lạnh, kết nối dễ dàng nới lỏng, ảnh hưởng đến độ tin cậy của điểm kết nối.

2. Phân tích khả năng và các giải pháp kỹ thuật của nhôm thay thế đồng

1) Phân tích khả thi

Trên bình diện quốc tế, có ba tiêu chuẩn dây ô tô chính: Mỹ, Nhật Bản và châu Âu. Với sự tích hợp toàn cầu của công nghệ công nghiệp trong ngành công nghiệp ô tô, các tiêu chuẩn dây của các quốc gia khác nhau đang dần tiến gần hơn đến loạt các tiêu chuẩn quốc tế ISO. Hiện tại, hầu hết các OEM ô tô trong nước sử dụng dây lõi đồng và theo các tiêu chuẩn quốc tế ISO 19642-5 và ISO 6722-1. Hai tiêu chuẩn này có các yêu cầu kỹ thuật tương tự đối với dây lõi đồng ô tô và cả hai đều chỉ định điện trở suất, chịu được điện áp và các đặc tính khác của dây. Trong số đó, ISO 19642-5 có các yêu cầu chi tiết hơn về hiệu suất dây.

Dây nhôm nước ngoài đã được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp trong ít nhất 30 năm. Chúng lần đầu tiên được sử dụng trong ngành hàng không và bắt đầu được sử dụng trong lĩnh vực ô tô vào đầu thế kỷ 21. Vào năm 2013, tiêu chuẩn quốc tế chính thức ISO 6722-2 cho dây nhôm ô tô đã được phát hành và vào năm 2019, ISO 19642-6 tương tự đã được phát hành. Các tiêu chuẩn quốc tế ISO 19642-6 và ISO 6722-2 cung cấp các yêu cầu kỹ thuật cho đường kính dây dẫn, điện trở, điện trở suất thể tích cách điện, v.v. Do đó, thiết kế của chương trình cần xem xét toàn diện hai tiêu chuẩn quốc tế này.

Các dây dẫn bằng nhôm phải tương đương với các dây dẫn đồng và đáp ứng ba điểm: đầu tiên, chúng phải đảm bảo rằng chúng có độ dẫn tương tự và các tính chất khác với các dây dẫn đồng được thay thế, đảm bảo rằng hàm mạch ban đầu về cơ bản được duy trì trong khi thay thế vật liệu dây dẫn; thứ hai, ngăn dây nhôm bị oxy hóa; Thứ ba, đạt được kết nối đáng tin cậy giữa dây nhôm và đầu cuối, bởi vì vật liệu nhôm có độ cứng thấp và có thể mệt mỏi và phá vỡ sau khi uốn cong, uốn lượn và rung tần số cao.

2) Giải pháp thay thế cho dây dẫn đường dây điện

So sánh các tiêu chuẩn quốc tế ISO 19642-5 và ISO 6722-1 đối với các dây dẫn đồng, và ISO 19642-6 và ISO 6722-2 đối với các dây dẫn nhôm, có thể thấy rằng khi điện trở tương tự, dây dẫn nhôm cần một đặc điểm kỹ thuật lớn hơn để đạt được độ dẫn tương tự của dây dẫn đồng.

Tiêu chuẩn thành phần hợp kim nhôm và nhôm châu Âu EN 573-3: 2003 quy định rằng các hợp kim nhôm và nhôm có thể được chia thành 8 chuỗi. Trong số đó, Series 1 là dây nhôm tinh khiết có hàm lượng nhôm hơn 99%; Sê-ri 2 đến 8 hợp kim nhôm là hợp kim composite dựa trên nhôm mới được phát triển bằng cách thêm các tỷ lệ khác nhau của SI, Fe, Cu, Mg, Mn, Nano-Cetamics và Vật liệu nano carbon vào nhôm tinh khiết. Ma trận là một hợp kim được xử lý nhiệt. Trong điều kiện đảm bảo độ dẫn nhất định, độ bền kéo của hợp kim nhôm được tối đa hóa, trong khi đảm bảo độ giãn dài đầy đủ.

Các đặc điểm của dây nhôm tinh khiết 1 loạt là độ dẫn cao, độ dẫn nhiệt tốt, độ bền kéo 60 ~ 110MPa và độ giãn dài của dây dẫn lớn hơn 12%. Đây là dây dẫn nhôm được sử dụng phổ biến nhất cho cáp ô tô. Loại dây nhôm này phù hợp với dây điện có đường kính lớn.

Tóm lại, nguyên tắc kháng tương đương có thể được tuân thủ để thay thế dây đồng bằng dây nhôm tinh khiết bằng diện tích cắt ngang lớn hơn và điện trở của dây trước và sau khi thay thế là như nhau hoặc gần. Ví dụ, diện tích mặt cắt ngang của dây đồng ban đầu là 35mm2 và điện trở tối đa của dây dẫn trên một đơn vị chiều dài ở mức 20 là 0,527mΩ / m. Thông số kỹ thuật của dây dẫn bằng nhôm với tham số điện trở gần nhất cần được tăng lên 60mm2. Tại thời điểm này, điện trở tối đa của dây dẫn trên một đơn vị chiều dài ở mức 20 ℃ là 0,525mΩ / m.
3) Sơ đồ kết nối giữa dây và thiết bị đầu cuối
Giải pháp hàn Friction

Công nghệ hàn ma sát có nguồn gốc từ hơn một trăm năm trước. Nó sử dụng nhiệt được tạo ra bởi ma sát của bề mặt tiếp xúc phôi để làm cho phôi biến dạng về mặt nhựa dưới áp lực, do đó đạt được hàn. Công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực dân sự và hàng không vũ trụ.

Thiết bị điều khiển phôi để tạo ra nhiều nhiệt bằng ma sát, làm giảm độ cứng của kim loại, cải thiện độ dẻo và làm cho các nguyên tử kim loại khuếch tán và mát mẻ và kết tinh lẫn nhau để tạo thành một mối hàn ma sát chắc chắn. Đồng thời, ma sát tốc độ cao phá hủy màng oxit trên bề mặt kim loại và cải thiện độ dẫn của khớp hàn. So với hàn phản ứng tổng hợp truyền thống, hàn ma sát có các đặc điểm sau: Đầu tiên, khớp hàn có cường độ cao, chất lượng ổn định, tính nhất quán thành phần tốt và cường độ chung tương đương với vật liệu gốc; Thứ hai, nó tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường, không cần que hàn và khí bảo vệ, không có khí độc hại hoặc có hại được tạo ra trong quá trình hàn, và thiết bị tiêu thụ ít năng lượng; Thứ ba, hàn ma sát có thể đạt được hàn các vật liệu không giống nhau, khớp không có lỗ chân lông hoặc vùi và không có sự ăn mòn điện hóa.

Trong dung dịch này, thiết bị đầu cuối composite bằng đồng bằng đồng bằng đồng "L" áp dụng một quy trình hàn ma sát quay để kết nối tấm đồng được rèn kết thúc và xi lanh nhôm tinh khiết đuôi. Tấm đồng giả mạo được sử dụng để lắp ráp vào pin hoặc bộ khởi động. Nó được làm bằng đồng thau, có độ bền cao, không dễ bị phá vỡ trong quá trình lắp đặt, và chất đóng đinh bề mặt có thể làm giảm bớt sự ăn mòn điện hóa gây ra bởi sự tiếp xúc giữa đồng thau và thân xe. Xi lanh nhôm tinh khiết là một cấu trúc rỗng cột được sử dụng để kết nối dây dẫn nhôm. Sau khi dây dẫn bằng nhôm được đặt vào xi lanh nhôm tinh khiết bởi các thiết bị đặc biệt, nó bị uốn cong bởi thiết bị rèn. Dây nhôm tinh khiết và xi lanh nhôm tinh khiết được làm bằng cùng một vật liệu và có cùng hệ số giãn nở nhiệt, có thể tránh bị gãy mỏi khi nhiệt độ cao và thấp thay thế do sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt.

Ưu điểm của giải pháp này là: Tấm đồng giả mạo có thể đáp ứng các yêu cầu lắp ráp và ống nhôm kết nối dây nhôm có thể tránh bị gãy mỏi gây ra bởi các hệ số giãn nở nhiệt khác nhau của thiết bị đầu cuối đồng truyền thống và không chỉ giải quyết vấn đề.

Sau khi thiết bị đầu cuối được kết nối với dây dẫn bằng nhôm, một ống co lại có thành hai có thể được sử dụng để niêm phong. Các ống co lại có nhiệt, khả năng chống ăn mòn và khả năng chống mài mòn. Sau khi được làm nóng bởi các thiết bị đặc biệt, các bức tường bên ngoài co lại và keo rắn trên tường bên trong tan chảy vào keo lỏng, bao phủ phần kết nối đầu cuối và bề mặt của da cách nhiệt. Sau khi làm mát và hóa rắn, nó có thể đạt được khả năng chống niêm phong và ăn mòn, và ngăn chặn sự ăn mòn oxy hóa ở khớp.
Dung dịch hàn

Từ những năm 1980, công nghệ hàn kim loại siêu âm đã được áp dụng để hàn dây, sử dụng năng lượng rung tần số siêu âm để tổ chức lại cấu trúc mạng phân tử kim loại và kết nối các kim loại tương tự hoặc khác nhau. Khớp hàn đạt được liên kết luyện kim mà không làm tan chảy vật liệu cha mẹ, thuộc về hàn trạng thái rắn và có thể tránh được sự thay đổi và quá trình oxy hóa của hàn thông thường.

Công nghệ hàn siêu âm được sử dụng rộng rãi trong việc kết nối dây và dây, dây và thiết bị đầu cuối. Quá trình hàn rất nhanh và các tham số quá trình có thể được theo dõi trong suốt quá trình. Khớp hàn là một đầu nối kim loại tinh khiết, không dễ bị ảnh hưởng bởi sự lão hóa, leo và mệt mỏi. Kết nối là chắc chắn, độ tin cậy cao và điện trở tiếp xúc thấp.

Công nghệ này có thể kết nối các vật liệu tương tự hoặc khác nhau, chẳng hạn như đồng và nhôm. Vì kim loại được hàn trực tiếp, không cần thêm chất hàn hoặc thông lượng. Ngoài ra, hàn siêu âm có ứng suất nhiệt thấp trên vật liệu và về cơ bản không thay đổi tính chất của vật liệu hàn và các vật liệu xung quanh. Hàn siêu âm có một quá trình đơn giản, độ bền chung, độ dẫn tốt và một loạt các thông số kỹ thuật của dây dẫn có thể được hàn. Các dây dẫn có diện tích cắt ngang 160mm2 hoặc thậm chí lớn hơn có thể được hàn. Tương tự như công nghệ hàn ma sát, công nghệ hàn siêu âm phù hợp cho sự kết nối của các vật liệu và hình thức không giống nhau, như đồng và nhôm, dây và tấm, và được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp dây và cáp. Do đó, giải pháp này sử dụng các thiết bị đầu cuối bằng đồng, được kết nối với các dây dẫn bằng nhôm tinh khiết thông qua công nghệ hàn siêu âm, và được uốn và cố định bằng móng vuốt ở đầu của các thiết bị đầu cuối để tăng cường độ tin cậy của kết nối. Tương tự, ống co lại dính hai thành hai thành có thể được sử dụng để niêm phong kết nối để ngăn chặn sự ăn mòn oxy hóa ở khớp.

3. Tóm tắt

Dựa trên tình hình hiện tại về chi phí cao và trọng lượng nặng của dây đồng ô tô, bài viết này nghiên cứu các tiêu chuẩn hiệu suất của dây đồng và nhôm, và đề xuất một giải pháp kỹ thuật để thay thế dây đồng bằng dây nhôm, cung cấp một cách mới cho các doanh nghiệp để giảm chi phí và giảm cân.