徐学林

摘要：随着各国对空气质量要求的进一步提高和非可再生资源——石油的枯竭，燃油车必然会慢慢退出历史的舞台，而新能源汽车在未来必将成为人们交通运输的主要工具。新能源汽车的特点必将是以电能运用为主，在电能的加载、控制和应用上离不开导电性能优越的材料。本文笔者主要从铜合金材料的特点出发，以新能源汽车为载体，对铜合金材料在新能源汽车上的汽车线束、接插件等应用场合进行研究，提出几种铜合金材料在新能源汽车上应用的技术路线。

关键词：铜合金材料;新能源汽车;汽车线束;接插件

0  引言

国务院发布《新能源汽车产业发展规划》为新能源汽车产业的未来发展指明了方向。《规划》中明确指出要加强充电桩、加氢等基础设施建设，加快形成快充电为主的高速公路和城乡公共充电网络;对作为公共设施的充电桩建设给予财政支持;鼓励开展换电模式应用;加大对公共服务领域使用新能源汽车的政策支持。从2021年起，国家生态文明试验区、大气污染防治重点区域新增或更新公交、出租、物流配送等公共领域车辆，新能源汽车比例不低于80%。另外充电站的主要电力设备为电力电缆及变压器，此外还包括断路器、熔断器、各种开关、接插件等;充电桩的主要用铜部件包括充电电缆、充电机模块、接插件及各种开关等。预计新能源汽车配套充电基础设施部分可带来约为十万吨左右的铜需求量。

铜合金材料是指在纯铜中加入一种或几种其他元素的合金，其特点是具有优良的导电性、导热性、耐蚀性和耐磨性及高强度、耐疲劳性。可以用于制作新能源汽车上发电机、高压电缆线、开关装置、变压器等电器元件也可以用于制作汽车上耐磨、耐腐蚀的零件如：同步齿轮环、轴瓦、制动系零件等。铜合金材料的耐磨性和抗腐蚀、抗疲劳性主要应用于机械零件，这已经在现有的燃油车上得到比较广泛的应用，这方面可以将其在燃油车上的应用方式完全移到新能源汽车上，在此不做过多的研究和讨论。

1  铜合金材料在新能源汽车线束上的应用

據国际铜业协会统计，传统汽车内燃机用铜23kg，混合电动汽车用铜40kg，插电混合电动汽车用铜60kg，电动汽车用铜83kg。汽车线束是控制汽车电气和电子元件功能的主要载体，是汽车的血管和神经，为各电子元件提供动力、传递和反馈信号。一整套汽车线束重量大概是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。根据汽车线束耐电压高低可以分为低压线缆和高压线缆，低压线缆主要用于燃油车，而高压线缆主要用于电动车线束，其承载电压约为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。导体重量一般占线缆的75%，成本占线缆的70-80%。

汽车线束的发展趋势主要向轻量化、高压承载能力和大容量、高效率发展。新能源汽车相对于燃油车的不同主要在于储能装置和能量转化装置不同，燃油车的储油箱在新能源汽车上就是电池（氢燃料车是氢氧燃料），燃油车的发动机在新能汽车上换成了电动机。电动机的可靠工作需要一套完整的驱动控制系统和高压输电系统，整车重量要高于燃油车。有研究表明倘若汽车重量减重10kg，那电动汽车的续航里程将提升2.5km。因此，新能源汽车的轻量化已迫在眉睫。目前新能源汽车轻量化的处理方法是采用铜铝合金材料替代现有的纯铜材料。铝相对于铜具有价格便宜和重量轻的优点，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。另外，有研究机构提出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。

新能源汽车采用的是大功率的电动机，其输电线束必须是能够承载高压大电流的线束，如果需要减少充电时间，也需要采用能承受高压大电流的高压线束。目前国内有企业针对新能源汽车线束线缆高压化的铜合金材料应用提供了解决方案，该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。

随着汽车向高度智能化方向的发展，新能源汽车的操控装置也必将朝着智能化方向发展，现在是通过按键控制的功能在将来几乎可以肯定完全通过语音控制能够实现，这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。

2  铜合金在新能源汽车线束端子上的应用

汽车线束的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。汽车线束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。目前应用比较成熟的应该算是铜铬系合金，其凭借优良的导电导热等性能，深受市场青睐。铜铬系合金的高温固溶处理及形变热处理技术大多还处于理论研究水平，并未实现产业化的生产。目前有铜铬锆合金在汽车接线端子上得到应用，但此合金锆元素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决定合金性能的直接因素。另外，铜铬系合金的折弯成形与力学性能调控技术也比较困难，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。还有，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，因此并未实现大量的应用。铜铬合金的利用发展根据应用场合，全面考察合金元素协同作用对铜铬系合金的综合性能的影响，选择合理的替代元素。目前，国内有企业通过大量的研究，突破了铜铬合金系材料的各项技术，实现铜铬合金材料产品的产业化，性能与国外同类产品相当。综合来看，铜铬合金材料具有更高的导电率，性能可以作为未来新能源汽车线束线缆用端子的理想选择。

3  几种铜合金材料应用于新能源汽车的可行性分析

铜镍硅合金：此合金是以铜镍合金为基础加入硅的白铜。如表1所示，铜镍硅合金主要指含0.5-7.5%Ni、0.05-4%Si，余量为铜和其他元素和杂质，各成分含量的不同，材料的性能也有区别，这需要具体实验测量。此类合金材料冷加工性优越、热成型好，冷热钎焊和气体保护焊性能也比较好，具有高强度、高彈性、较好的导电性能及良好的抗应力松弛性能。制造需要良好的成型性能、又有高耐力松弛能力和导电性能的高强度零件，可以用于新能源汽车如触点弹簧、接插件、引线框架等器件。

铜锡合金：俗称青铜，是我国冶金行业里最早出现的合金，古代主要应用于兵器、乐器及生活用品中。表2所示，为几种常见的铜锡合金材料的化学组成，其特点是铸造性能优越﹑减摩性能好和机械性能好，可以用于制造新能源汽车上轴承、蜗轮、齿轮等需要耐磨的零件。此外在合金中加入微量的铍元素和磷元素后具有比较好的弹性和导电、导热性能，适宜制造新能源汽车上精密弹簧和使用频率较高的接插元件。

铜锌合金：俗称黄铜，如表3所示，此类合金是以添加锌元素为主的铜合金。此合金具有非常优越的冷加工性能，非常适合电子元件的批量生产特点。此外在合金中加入微量的铝、镍、锰、锡、硅、铅等元素，可以显著提升合金材料的强度、抗磨性和耐腐蚀性，同时也具备良好的导电和导热性能，适于新能源汽车上电池组件及需要经常插拔的接线插头元件。

4  总结

高性能铜合金材料普遍具有高强度、耐磨性、耐腐蚀性等机械性能，同时也具备良好的导电性、导热性和抗松弛性，是作为新能源汽车线束、电池附属配件、接插件理想的材料。随着新能源汽车的兴起，它们必将广泛地应用于新能源汽车的散热系统、电子电力系统、制动系统及液压等系统，是汽车的重要元器件的关键基础原材料。新能源汽车行业已成为铜合金材料重要的应用领域之一;随着新能源汽车向着电动化、智能化方向发展，对铜合金材料的综合性能提出更高的要求。鉴于材料成本和车型材料固定化，目前新能源汽车元器件材料主要以铜锌合金、铜锡合金和部分铜镍合金为主。高性能铜合金的推广使用，需要在产-教-学-研-用五方的共同努力下进行，共同推进新能源汽车行业和铜合金加工行业向高端方向发展。

参考文献：

[1]刘前立，赵高杨.汽车接插件用Cu-Ni-Sn合金的特性研究[A].中国仪器仪表学会仪表材料分会会议论文集，2014.

[2]方小亮，郑合静.铜基粉末冶金摩擦材料的应用及展望[J].粉末冶金技术，2020（04）：313.

[3]付龙虎.汽车用铜材表面电泳沉积氧化铝纳米膜[J].电镀与环保，2019（05）：4-6.

[4]孙乐春.汽车电气系统轻量化研究[J].吉林大学学报，2019.