Автомобильные провода: эволюция от меди к алюминию

Авторы и источники / Правообладателям

Традиционно медь служила основным материалом для токопроводящих жил кабельных изделий – от проводки в жилых домах до автомобильных жгутов проводов. Несмотря на преимущества меди (электрические характеристики, продолжительность срока службы), наблюдается тенденция замены меди алюминием в проводах для автомобильной отрасли, особенно в производстве гибридных автомобилей.

Первым и главным преимуществом алюминия по сравнению с медью является то, что он намного легче.

Второй фактор в пользу алюминия – его доступность с точки зрения стоимости. Если когда-т медь была самым доступным металлом на земле, то сейчас ситуация изменилась. Увеличение спроса на медь на развивающихся рынках (главным образом, Китай и Индия), а также сокращение добычи медной руды в общемировых масштабах привели к тому, что цены на медь взлетели ещё выше. Алюминий, который в прошлом реально считался драгоценным металлом, становится всё более доступным благодаря разработке передовых методов добычи и очистки.

Фактически, трудно понять, почему, несмотря на такие факторы, как стоимость и вес, медь продолжает использоваться для производства автомобильных проводов и кабельных сборок. Использование алюминия вместо меди может привести к снижению общей массы, увеличению срока службы, снижению расходов и сокращению выбросов даже от гибридных автомобилей.

Тем не менее ситуация не так проста, как кажется. Производители жгутов проводов не могут просто переоснастить свои технологические линии на использование алюминия вместо меди. Существует ряд проблем, которые необходимо преодолеть.

Самым главным фактором здесь является нагрев. Используемый в кабельных сборках алюминий имеет склонность к «ползучести» при нагреве, происходящем в различных зонах современных автомобилей, включая гибридные транспортные средства. Вследствие этого соединения не могут оставаться стабильными с течением времени. В результате того, что алюминиевые жилы автомобильных кабелей будут подвергаться ползучести и сжатию, соединения жил в конце концов ослабнут. Следовательно, в первую очередь необходимо разработать метод соединения, который останется стабильным, несмотря на ползучесть алюминия.

В качестве одного из решений этой проблемы предлагается использование алюминиевых элементов для изготовления кабеля и медных элементов для соединения. Однако медь и алюминий не очень хорошо сочетаются из-за очень высокого электрохимического потенциала между этими двумя металлами. Если соединения кабелей с алюминиевыми жилами будут выполнены из меди, образующаяся в результате коррозия приведёт к тому, что вся система станет неэффективной. Кроме того, сращивание меди и алюминия не такой простой процесс.

По мере развития технологии ситуация может измениться, но состояние производства в настоящее время делает этот процесс достаточно трудно выполнимым. И всё же на стадии разработки находится метод соединения предложенный BMW Group совместно с представителями разработчиков высоковольтных технологий и передачи электроэнергии. Предлагаемый принцип выполнения электрического соединения алюминиевых элементов получил кодовое название LEIKO.

По существу, LEIKO представляет собой клетку из листового металла, которая повышает стабильность соединения и также помогает поддерживать нажимную пружину контакта. Этот метод позволяет превратить нежелательный фактор ползучести в преимущество. Например, поскольку элементы контакта не удерживают соединение вместе, в этом сценарии, фактор ползучести фактически стабилизирует контакт. Предполагается, что этот метод выполнения соединения обеспечит длительность его срока службы не менее 10 лет, причём на протяжении всего этого периода будет сохраняться постоянный контакт.

Благодаря уникальным элементам клинообразной формы соединение фактически становится более прочным с течением времени. При нагревании коэффициент ползучести способствует тому, что клинообразные элементы всё больше сближаются и образуют более прочный контакт. Дальнейшие инновационные решения, в том числе применение драгоценных металлов в качестве покрытия для соединителей, обеспечили значительные дополнительные преимущества.

Конечно, существует ещё одна проблема при замене меди алюминием. Удельная проводимость алюминия ниже, чем у меди, которая является вторым после серебра лучшим металлическим проводником. Для того чтобы преодолеть проблему низкой электропроводности алюминия необходимо делать автомобильные кабели с алюминиевыми жилами большего диаметра (примерно на 60% больше, чем в случае медных проводов).

Проблемы увеличения массы здесь не существует, так как даже при увеличении диаметра на 60% кабель с алюминиевыми жилами будет иметь меньший вес, чем кабель с медными жилами исходного диаметра. Проблема здесь состоит в том, что из-за большего диаметра автомобилестроителям придётся делать более широкие отверстия для монтажа проводки.

Ещё одна проблема заключается в ограниченных знаниях о старении алюминия в критических условиях эксплуатации в автомобиле. И, наконец, следует также учитывать соображения безопасности при использовании автомобильных кабелей с алюминиевыми жилами. Алюминий приобрёл плохую репутацию из-за пожаров, возникающих о алюминиевой проводки в домах, и был впоследствии запрещён в США в 1960-е годы. Эта проблема не была забыта, и производители электромобилей должны будут решить проблему безопасности.  

Несмотря на то, что этот металл используется крупными автомобильными компаниями (а именно: General Motors) уже на протяжении десятилетий, всё ёщё недостаточно изучены вопросы безопасности (вероятности пожара) при широком применении алюминия в салоне автомобиля. Необходимо согласование международных стандартов безопасности, прежде чем применение алюминия станет широко распространённым. Некоторые производители делают попытки создания одножильных алюминиевых кабелей, способных выдерживать высокие температуры (до 125 С).

Первоначальные конкретные результаты исследований подтвердили следующие преимущества использования алюминия (вопрос старения ещё изучается):

• Стандартные значения радиуса изгиба одинаковы для меди и алюминия
• Снижение массы жгутов автомобильных проводов с алюминиевыми жилами
• Снижение стоимости электрических транспортных средств
• Сокращение вредных выбросов от электромобилей

По прогнозам экспертов, принимавших участие в International Conference Advanced Automotive Cabling 2013 (г. Штутгарт, Германия),  к 2020 году во всех электромобилях будут использоваться только кабели с алюминиевыми жилами, по крайней мере, для высоковольтных приложений. При этом те же самые эксперты предполагают, что алюминий также  будет использоваться в проводах низкого напряжения к этому времени, просто из-за роста цен на медь. Если эти прогнозы окажутся верными, производителям кабельных изделий предстоит серьёзная работа, в частности, в области автоматизации производства.

Самой важной проблемой остаётся разработка метода соединения кабелей с алюминиевыми жилами. Кроме описанного выше метода, имеются и другие предложения, но для успешного широкого использования алюминия в автомобилестроении необходим
окончательно утверждённый метод.