【马自达技报】新款Roadster的轻量线束开发——电线的铝材化

2016-10-310阅读0

  摘要

  新款Roadster继承来自初代Roadster的“人车合一”理念,全公司齐心合力,对轻量化进行了不懈追求。对于“连接”电子部件的线束,以往我们通过“由系统整合减少电线数量的省线化”、“使电线直径变细的细线化”和“以最短距离连接电子部件的短线化”来减轻线束的重量。此次,我们把在新款Roadster上采用“电线导体铝材化”轻量化新技术作为目标,在减速能源再生系统“i-ELOOP”上导入了轻量化线束。通过将该线束置换为铝材电线,使一辆汽车使用的线束减轻了500g,这大约相当于线束总重量的3%。本文将介绍开发过程与实现的手段。

  Summary

  The New Roadster pursues the “Jinba-Ittai” concept inherited from its original model, and Mazda developed it with an insatiable determination for weight reduction. In wiring harness taking a role “to connect” all electric equipment parts, the weight reduction is conventionally done by reducing wire number through system integration, by thinning wire diameter and by shortening wire length through the shortest connection of electric equipment parts. Now Mazda have achieved to reduce the wiring harness weight for the regeneration system “i-ELOOP” by using new technology of “wire material replacement to Aluminum”. Mazda achieved weight reduction of 500g equal to approximately 3% of wiring harness total weight used for one car by replacing wire material to Aluminum. This article describes the details of development and the technique.

  1.前言

  新款Roadster继承了从初代开始就一直在坚持追求的“人车合一”与“Lot of Fun”精神,并使其不断进步,为此全公司上下齐心合力,对轻量化进行了不懈追求。

  一辆汽车上承担“连接”电子部件任务的线束,大约有15~20kg重量。这些由多种部件组成的线束中,电线所占的重量比最高,约占整体的70%,因此,轻量化的关键在于减轻电线的重量(Fig.1)。以往减轻电线重量的手段大致有以下3种。

  

Fig.1 WeightRatioofWiringHarnessComponents

  (1)省线化:通过系统整合减少电线数量

  (2)细线化:使电线变细

  (3)短线化:以最短距离连接电子元件

  新款Roadster通过采用轻量化新技术“将电线的导体材料从以往的铜置换为重量更轻的铝”,从而减轻了电线本身的重量(Fig.2)。本文将介绍这种轻量化的开发过程与实现手段。

  

Fig.2 ApproachofWireWeightReduction

  2.使用铝电线的部位

  线束中使用的电线根据电流的大小,选择适合的线径。大电流电路中使用的粗电线,与小电流电路使用的细电线相比,导体金属用量大,所以电线会变重(Fig.3)。减轻粗电线的重量可以说就是减轻重量的有效手段。

  

Fig.3 WeightofCopperWire

  新款Roadster为提高燃效配备了减速能源再生系统“i-ELOOP”。该系统能将汽车减速时产生的能量回收作为汽车需要的电能加以利用——用可变电压发电机发电,向电容器充电;再由DC-DC转换器将最大24V的电容器电压降压至12V,向各个电子元件供电。这里的发电机、电容器、DC-DC转换器、电池都要用粗电线加以连接(Fig.4)。Atenza、Axela上,这些粗电线使用铜作导体。我们认为将新款Roadster的导体从铜置换为铝,实现轻量化,就可以为实现“人车合一”、Lot of Fun和低燃耗化作出贡献。

  

Fig.4 i-ELOOPLayoutofNewRoadster

  i-ELOOP线束实现了铝材化的部分是,电容器与DC-DC转换器的连接区间和DC-DC转换器与电池的连接区间(Fig.5)。

  

Fig.5 SystemDiagram

  这2条电线的导体由铜置换成铝后,重量减轻500g,减幅约为66%(Fig.6)。

  

Fig.6 WeightComparison

  3.为采用铝电线所做的验证

  为明确线束铝化的课题,我们实施了FMEA/DRBFM,抽取出了以下3种故障模式。

  (1)铝表面的氧化膜厚实,电线与端子的连接会发生接触不良

  (2)电线(铝)与端子(铜)之间因发生异种金属腐蚀而导致通电不良

  (3)因导体改换铝,电线发生冒烟、热劣化现象

  解决(1)的氧化膜所致接触不良,需要在清除了铝电线的氧化膜后与端子连接的技术。我们调查了铝电线的端子连接技术,进行了压接部分的耐久性评估(详见3.1节)。

  针对(2)的异种金属腐蚀造成的通电不良,我们进行了在什么条件下会发生腐蚀、能在多大程度上耐腐蚀等腐蚀耐久性评估,并掌握了车辆腐蚀的环境(详见3.2节)。

  对于(3)由于变更导体材料导致的电线冒烟和电线热劣化,我们用针对铝电线特性值的电线冒烟保险丝来进行保护,同时还对电线热劣化的寿命进行了检验(详见3.3节)。

  下面将详细介绍解决采用铝电线时可能遇到的3个课题的具体做法。

  3.1 铝电线端子连接技术

  在电线与端子的连接上,要获得稳定的电特性,需要在电线与端子之间以及电线各个单线之间建立起电连接。覆盖铝电线导体表面的氧化膜比铜电线的氧化膜更坚固,因而电阻值更高。端子压接时,位于导体外周的单线的氧化膜会被端子锯齿(沟槽)破坏,从而能获得电线与端子之间的连接,而导体中央的单线接触端子的比例较少(Fig.7),单线之间缺乏通电联系,电特性不够稳定。

  

Fig.7 CrossSectionofCrimpDepartment

  作为在连接端子时去除铝表面氧化膜并防止其生成的端子连接技术,有超声波锡焊和超声波熔接法等。

  (1)使用超声波锡焊连接

  这种方法是利用超声波振动的空化效应,通过破坏覆盖在单线表面的氧化膜,使焊锡渗入到铝单线之间。然后通过压接,使电线中央的单线介由焊锡与端子连接起来(Fig.8)。

  

Fig.8 FlowofElectricity(UltrasonicSoldering)

  (2)使用超声波熔接连接

  这种方法是通过施加超声波振动,在破坏单线的氧化膜的同时加压,同时完成单线间的连接和电线与端子的连接。

  我们使用这二种连接技术,实施了车载环境下的各种耐久性评估,确认铝电线与铜电线具有同等的连接可靠性。

  3.2 耐腐蚀性评估与车辆腐蚀环境的掌握

  一般来说,不同电位的金属在电解液中接触会发生双金属腐蚀。电线(铝)与端子(铜)之间发生双金属腐蚀的机理如下。

  (1)双金属腐蚀的机制

  当端子压接部有盐水等电解液附着时,铝会溶出到电解液中。这是因为铜的标准电极电位比铝高,当电解液附着在二者接触的部位时,铜就成为阴极,铝则成为阳极,铝会发生溶出。只要以下三点条件具备,就会形成腐蚀电流的路径,腐蚀就会出现。

  ①双金属接触

  ②电解液(盐水)

  ③溶解氧

  (2)试制品盐水喷雾试验

  在沿海地区、冬季喷洒融雪剂的地区,作为典型的汽车腐蚀环境,汽车受盐碱的影响较大。为了确认盐水附着在铝电线的端子压接部时腐蚀的进展情况,我们实施了盐水喷雾腐蚀试验。将铝电线压接在铜端子上的试制品,向压接部长时间喷5%的盐雾,在高温高湿下放置一段时间后,检测了端子压接部的电压降和压接强度。作为对照,还准备了以下几种电线样品。

  <样品参数>

  样品1:铝电线

  样品2:铝电线+压接部防腐蚀处理(Fig.10)

  

Fig.10CorrosionProtection

  样品3:铜电线

  关于电压降,铜电线和经防腐蚀处理的铝电线未见变化,未经处理的铝电线则出现了缓慢增大现象(Fig.11)。电线与端子压接部分的压接强度,未经处理的铝电线也出现了下降(Fig.12)。铜电线和经防腐蚀处理的铝电线则未见明显变化。

  

Fig.11VoltageDropafterSaltSprayTest

  

Fig.12FixingForceafterSaltSprayTest

  由以上评估结果可知,在大量接触盐水的环境下使用铝电线,铝会因为双金属腐蚀现象在电线与端子连接的部位溶出(Fig.13),导致接触电阻增大、压接强度降低的状况。要防止这种情况发生,可以使用热缩管作为压接部的防水层,避免其接触盐水。

  

Fig.13CorrosionofAluminumWire

  (3)试制车辆耐腐蚀性加速实验

  为了确认车辆的腐蚀环境,我们作了耐腐蚀性加速实验评估。在试制车辆上配备了压接端子的铝电线试制品,反复进行了盐水路行驶和暖湿室停放交互实验。并变动重复次数(重复次数:0、1年相当、3年相当、6年相当),观察了铝电线的腐蚀过程,检测了各种次数下端子压接部的电压降。

  评估结果显示,在电容器部分,压降逐渐上升(Fig.14),但DC-DC转换器和电池部分,与初期相比则未见明显增加,也没有观察到腐蚀迹象。压接强度方面,只有电容器部分出现了降低。

  

Fig.14VoltageDropafterCorrosionDurability VehicleEvaluation

  我们认为之所以产生这样的差异,是因为车辆各部位接触到盐水的量不同,铝的溶出量不同所致,为此,我们随后确认了各个部位的水接触情况。我们观察到在轮胎附近的电容器部分被大量水溅射(Fig.15),而位于车辆上端的DC-DC转换器和电池周边虽然有少许水花飞散到,但由于端子压接部覆盖着绝缘保护层(Fig.16),所以并没有被水浇着到。

  

Fig.15SituationofPourWater

  

Fig.16InsulationCoverofCrimpTerminal

  根据以上评测的结果,我们对电容器部分的铝电线端子压接部用热缩管做了隔绝盐水的防腐蚀处理(Fig.10)。然后将经过防腐蚀处理的铝电线安装在试制车辆上,并进行耐腐蚀性加速实验,结果表明,压降和压接强度均未发生变化。另外,在对热缩管实施各种耐久性评测后,还对其作了防水性试验,确认了防水性也没有问题。

  对于DC-DC转换器和电池部分,实车验证的结果证明其所在位置不属于腐蚀环境,因此不需要做防腐蚀处理。

  3.3 电线冒烟保险丝与电线热劣化寿命检验

  (1)使用电线冒烟保险丝保护电路

  为防止电线短路、短路电流超过容许电流时冒烟引发车辆火灾,我们在电路上设置了保险丝。当发生短路时,保险丝会因焦耳热而熔断,在电线冒烟之前切断电路,以保护部件。导体改换成铝之后,电线电阻、热容量、电阻温度系数等电线特性均发生改变,通电时因电线自发热而导致的升温也与以往的铜线不同。

  因此需要计算出能反映铝电线特性值的升温值(4)。利用这一数值,比较电线的冒烟时间T1与保险丝熔断时间T2,保证了发生短路时,保险丝会在冒烟之前熔断(Fig.17)。

  

Fig.17FusingCharacteristicandSmokeEmission Characteristic

  (2)电线热劣化寿命验证

  电线在高温环境下长时间使用,电线的绝缘体会老化,使绝缘功能受损,有可能会导致断线和短路。为防止这种情况的发生,我们检验了电线在发动机舱等高温环境下的热劣化寿命。我们将绝缘体的伸长率达到100%(4)定义为电线寿命,为在这一范围内使用电线作了设计。我们参考发动机舱内的环境温度,和反映铝电线特性的通电时的电线升温情况,实施了电线热劣化寿命实验,验证了劣化程度在规定范围之内(Fig.18)。

  

Fig.18CharacteristicsofHeatLife

  4.结语

  为车辆配备铝电线存在三个课题。我们导入了全新的铝电线连接技术,开发了对应的车辆配备技术,并利用铝电线的特性值对电线进行实验检验,从而解决了问题,成功为新款Roadster配备了铝电线。通过将减速能源再生系统“i-ELOOP”的线束置换为铝线束,每辆汽车使用的线束减轻了500g,大约相当于线束总重量的3%。

  为车辆配备铝电线,是车辆轻量化中起着重要作用的技术,其应用今后还会不断扩大。今后,我们将继续努力为顾客提供更好的商品。

  最后要借此机会,向大力指导、协助本次开发的住友电装株式会社、株式会社汽车网络技术研究所、古河AS株式会社的各位表示感谢。(作者:三好俊充 下河内次生)

  (全文完)