汽车导线性能和应用分析

张子翥，王海吉

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

1 导线分类

汽车导线，顾名思义，用于根据传输信号或电流，保证整车内各用电器的工作。根据传输信号或电流的要求不同大致分为两个种类：普通导线与特殊导线 （如MOST光纤、ABS轮速线、同轴导线、HSD高速信号传输线等）。

1.1 普通导线

普通导线主要分单芯导线和绞合导线 （图1）。单芯导线指一个绝缘层内只有一路导体，主要用于电流或普通信号传输，是汽车线束中占比最大的类别。绞合导线是指2根或3根导线绞合在一起，用螺旋结构抵消电磁感应对小电流信号的影响。

图1 单芯导线和绞合导线

1.2 特殊导线

同轴导线和HSD（高频／高速信号传输线）主要用于整车收音机／导航／视频信号的传输 （图2）。这两种导线因传输高频或高速信号的特殊要求都存在屏蔽层或特殊的绞合方式，因此导线结构较复杂。

图2 HF／HSD （高频／高速信号传输线）

MOST光纤和ABS轮速线是另两种特殊导线 （图3）。MOST光纤线主要应用在高速信号传输，相比高速信号传输线有更高的传输速率和响应速度，传导介质为光纤而非金属材质。ABS轮速线本质上是双绞线，但因布置位置特殊 （底盘副车架运动区域），导线选用超柔导线，且屏蔽层为整体注塑的形式。

图3 特殊导线 （MOST光纤、ABS轮速线）

2 单芯导线类型

单芯导线在汽车线束各类型导线中应用最广，而且作为各种汽车特殊导线最基本的组成部分，本单元将重点展开关于导线性能和应用的阐述。

2.1 单芯导线性能分析

按照导线材质分类主要有铜导线、合金导线和铝导线；按照DIN-7722导线绝缘皮厚度分类主要有FLXX、FLRXX、FLUXX。考量导线的性能主要有如下几个参数：材料成分、密度、导电率、拉伸强度、弯曲性能。参考表1列出的相同线径下不同材质的导线性能参数可以得出如下结论：①铜导线导电率最优；②合金导线 （包括铜锡、铜镁合金）拉伸强度最优；③铝导线质量最优。

表1 不同材质导线性能参数

基于各类单芯导线的性能参数，结合导线的制造性和成本两个因素，列出3种单芯导线的综合排序。3种单芯导线综合性能评价如图4所示。

图4 3种单芯导线综合性能评价

根据表1和图4的性能参数和综合排序得出如下3个结论。

1）铜导线的导电率和压接性能最佳，机械性能均衡，故适用于任何电流负载的回路中，但成本是3种材质最高的。这也是目前汽车线束总成在整车零件成本中占比较高的根本原因。

2）合金导线 （包括铜锡、铜镁合金）机械性能最高，但导电率只有铜导线的70%，综合导电率较低和机械强度高的特点，主要应用在小电流负载的信号回路中。0.13mm2合金导线是目前主要的产品，相比主流0.35mm2或0.5mm2铜导线在降低导线成本和轻量化两个方面起到了积极的作用。值得一提的是，合金导线目前有铜锡和铜镁两种配方，铜镁合金导线在各项性能中均稍优于铜锡导线。但考虑加工工艺的复杂程度和材料成本，目前铜锡合金导线有逐渐替代铜镁合金导线的趋势。

3）铝导线的机械性能和导电率均排名垫底，但成本低、质量轻是最显著的优势 （成本和质量均约为铜的1／3）。考虑其较低的导电率 （约为铜的60%），较差的机械性能和复杂的端子压接和密封工艺，小平方铝导线 （10mm2以下）尚处在探索阶段，目前主要应用在大平方回路中，例如蓄电池正／负极线、起动机／发电机线等。

2.2 铝导线端子压接特殊性说明

针对铝导线的端子压接性能主要有两种失效模式：表面氧化和电化学腐蚀。其一因铝的化学特性较铜活泼，暴露在空气中表面极易产生氧化层。氧化铝为绝缘材料，如沿用铜导线的压接方式会造成电阻率升高进而导致电压降过高引起电器功能失效等问题。其二电化学腐蚀，铝较低的抗张强度妨碍有效地使用传统的压接技术。压接时端子挤压导线，使铝导线产生冷变形，挤压后导线内能升高，使其化学性能不稳定，且易被腐蚀，从而产生氧化，氧化后电阻升高导致电压降过高引起电器功能失效。

针对如上2种失效模式，主要的解决措施有3种：①铝导线预处理，去除铝表面的氧化层，通过用压接端子接触面替代导体氧化表面。②确保压接连接无缝，密封。压接完成后填充环氧树脂在终端和负载之间，然后在烤箱里迅速使接缝愈合。③增加粘接性线性收缩套管为端子和铝导线的压接区域提供额外的保护，使接头稳固，防止冷热交变对压接区域产生影响。

3 特殊单芯导线

考虑目前整车主流的应用场景，本文将对超薄壁导线和超柔导线两种特殊单芯导线展开分析。根据不同OEM整车制造商的线束设计横向对比，这两种单芯导线均有较成熟和广泛的应用。

3.1 超薄壁导线

根据DIN-72551规范定义，按照导线绝缘层厚度分为FL、FLR、FLU系列，分别对应标准绝缘皮导线、薄壁绝缘皮导线、超薄壁绝缘皮厚度导线。随着绝缘皮材料的发展，目前主流的DIN标导线基本都选用FLR系列，即薄壁导线。FL系列导线只在大平方导线 （16mm2以上）中有应用，如蓄电池正／负极线、起动机线等。

如表2所示，列举了相同导线截面积 （0.5mm2）不同绝缘皮壁厚度的尺寸参数。得出3个结论：①超薄壁导线 （FLU）和薄壁导线 （FLR）的导体结构完全相同，因此导线的载流能力和端子压接性能基本相同。②超薄壁导线 （FLU）的体积较薄壁导线 （FLR）降低约11%。③超薄壁导线 （FLU）较薄壁导线 （FLR）质量降低约7%。

表2 不同类型导线的基本参数

超薄壁导线 （FLU）的绝缘皮厚度较薄壁导线 （FLR）低，因此在导线绝缘皮的耐刮磨性能上比薄壁导线 （FLR）差。根据LV112／ISO6722的导线绝缘皮耐刮磨性能测试的要求，相同线径下，薄壁导线 （FLR）的耐刮磨循环次数最高达1300次，而超薄壁导线 （FLU）最高耐刮磨循环次数只有450次，约为薄壁导线 （FLR）的1／3。

由上述关于超薄壁导线 （FLU）的性能和特性分析可得出以下3点结论。

1）超薄壁导线 （FLU）质量和体积相比薄壁导线（FLR）有较明显的优势。

2）因超薄壁导线 （FLU）导体结构和薄壁导线 （FLR）一致，故电性能和端子压接特性与薄壁导线 （FLR）基本一致，在导线选型替换上关于电气性能基本不需要做额外的验证。

3）鉴于超薄壁导线 （FLU）的绝缘皮耐刮磨性能比薄壁导线 （FLR）低，在导线的替代上需要考虑实际的环境。参考主流OEM的设计方案，超薄壁导线 （FLU）主要应用在内舱静态区域。

3.2 超柔导线

超柔导线顾名思义，导线的柔软度相比普通导线高，在弯折工况下不易出现疲劳断裂。柔性导线的特性主要由导体材质、导体绞合方式、绝缘层材质3个方面共同决定，可从这3个方面入手分析柔性导线相比普通导线的特殊性和主要应用场景。

1）导线的导体材质在导线的的机械性能方面起决定性作用，目前铜、合金、铝3种材质各有优劣，针对柔性导线，主要考量两个机械性能，即断裂延伸率和拉伸强度 （表3）。由此可以得出结论：铜的断裂延伸率最高，拉伸强度比铜锡合金低，故在导体材质综合性能中铜是最佳选择。

表3 不同导体机械性能对比

2）导体的绞合方式对导线最终的柔软程度起到重要的作用。根据DIN-72551规范定义，导体的绞合方式分为-A（对称导体结构），-B（非对称导体结构），-C（不对称细线多股导体结构）3种。超柔导线选用-C的绞合方式即不对称细线多股导体结构。如图5所示，3种不同的导体绞合方式，其中-C的绞合方式最为复杂成本最高。

3）导线绝缘层的材料选择对导线的性能和柔软程度同样至关重要，如表4所示，列举了目前汽车导线常用的几类绝缘皮材料性能参数，根据拉伸强度和断裂延伸率的性能，其中TPE为最佳。目前汽车上所使用导线的绝缘层材料大多是PVC，能够满足一般区域的常规柔韧性要求，并且相比于PE、PP材料拥有更好的绝缘品质及性能；交联塑料各方面性能居中，但设备投资及生产成本较高；TPE材料具有出色的柔韧性和弹性，能够满足某些对柔韧性有特殊需求的区域。此外，TPE材料还拥有良好的耐高、低温性，耐油性等，并且加工工艺简单。因此，汽车用柔性导线的绝缘层材料主要以TPE为主。

表4 不同绝缘层材质的性能参数

经过关于导线导体材质、导体绞合方式、导线绝缘层材质3点的分析，可以看出超柔导线因其特殊的性能要求，材质和加工工艺的选择相比常规导线都有本质的区别。因此超柔导线的加工复杂程度和生产成本比常规导线高，在整车线束设计中超柔导线只应用在几个特殊的环境。考虑到超柔导线的机械特性，即比常规导线更加柔软，不易疲劳断裂。在整车相对运动较大的区域一般会选用超柔导线，目的是增加线束的疲劳耐久性能，在相对运动频繁的区域，在整车的生命周期内保证信号和电源传输可靠进而提高整车功能的可靠性。目前主要的应用环境有ABS线束和滑移门线束 （拖链结构），如图6所示。

图6 超柔导线的应用环境

ABS线束，布置在车身与副车身之间，随车辆行驶产生频繁的相对运动，需要导线具备更高的抗疲劳耐久性能。

滑移门线束布置在滑移门和车身的连接处，因滑移门的运动特性导致门和车身的相对运动范围较大，进而滑移门线束也会产生较大的运动形变。此类设计多采用超柔导线和拖链支架的结构共同保证滑移门线束的机械性能，提高可靠性。传统开合式车门因门线束与车身连接处相对运动较小，一般不用超柔导线的设计，主要通过线束预留长度和车门的开合耐久试验共同保证设计可靠性。

4 汽车导线设计趋势总结

随着整车电气化发展，人机交互的功能需求日益增长，车载电器的数量和复杂程度也日益增加，汽车线束作为整车的神经网络，导线用量上升成为大趋势。如何在有限的车身空间中布置线束，如何保证零件质量在合理区间，如何在功能增加线束复杂程度上升的情况下保证成本是一项异常艰巨且复杂的工作。通过关于单芯导线材质和性能、特殊单芯导线特性的分析和应用研究，我们可以总结出目前汽车导线的设计发展趋势，旨在为今后的线束设计提供一个视角。导线设计的发展趋势总结为3点：减重、省空间、低成本。

图7 线束散件质量分布

导线作为线束总成中质量占比最大的零件 （图7），导线减重对线束总成有重要的贡献。0.13mm2导线、铝导线、超薄壁导线的应用是今后的发展方向。另外0.13mm2导线、超薄壁导线相比于传统0.35／0.5mm2导线有更小的体积，在省空间方面也起着重要作用。低成本方案从线束总成的角度有很多类型，涉及导线主要是最大程度降低铜的使用，将0.35／0.5mm2导线替代为0.13mm2，或者大平方导线选用铝导线均为有效且成熟的解决方案。