Applicazione del filo di alluminio nei cablaggi ad alta tensione per nuove fonti energetiche

Con la rapida espansione dei veicoli elettrici (EV), dei veicoli elettrici ibridi (HEV/PHEV) e dei sistemi di accumulo di energia, l'architettura elettrica dei veicoli si sta evolvendo verso tensioni, correnti e densità di potenza più elevate. Per migliorare le prestazioni riducendo al contempo il peso e i costi dei veicoli, i tradizionali cablaggi in rame stanno gradualmente diventando insufficienti a soddisfare i requisiti di ottimizzazione complessivi dei nuovi sistemi energetici.

In questo contesto, i "cablaggi ad alta tensione in filo di alluminio" sono diventati un'area di investimento chiave per i principali OEM, produttori di batterie e aziende di distribuzione di energia ad alta tensione.

Questo articolo spiegherà sistematicamente il valore del filo di alluminio nel campo dei nuovi cablaggi ad alta tensione per l'energia, trattando le proprietà dei materiali, le prestazioni elettriche, l'ingegneria dell'affidabilità, gli scenari applicativi, i malintesi più comuni e le tendenze future.

Ⅰ.Perché i veicoli alimentati da nuove energie stanno iniziando a utilizzare fili di alluminio?

1. Significativi benefici nella riduzione del peso

L'alluminio ha una densità pari a circa il 30% di quella del rame, consentendo una riduzione del peso del cablaggio del 35-50% a parità di capacità di corrente.

Per i veicoli alimentati a energia rinnovabile che contengono centinaia di derivazioni ad alta tensione, inclusi sistemi di ricarica, scatole di distribuzione ad alta tensione, riscaldatori PTC e sistemi di propulsione elettrica tre in uno, la riduzione del peso può migliorare significativamente l'autonomia di guida.

2. Costi dei materiali più competitivi

Il prezzo dell'alluminio come materia prima è circa 1/3-1/2 di quello del rame. Considerando le decine di metri di cavi ad alta tensione installati in un veicolo, questo può far risparmiare dal 20 al 40% sui costi di cablaggio ad alta tensione.

3. Resistenza leggermente superiore, ma compensabile tramite modifiche strutturali

Sebbene il filo di alluminio abbia una resistenza maggiore rispetto al rame, i requisiti di trasporto di corrente delle piattaforme da 400 V/800 V possono essere pienamente soddisfatti attraverso metodi quali l'aumento della sezione trasversale, l'utilizzo di strutture multi-filamento e la placcatura superficiale.

4. Più adatto per trasmissioni ad alta corrente e a lunga distanza

L'alluminio offre prestazioni stabili in caso di elevata densità di corrente e trasmissione a lunga distanza, il che lo rende adatto alle linee ad alta tensione a lunga distanza tra il bus principale e il pacco batteria nei veicoli elettrici.

II. Aspetti tecnici chiave del filo di alluminio nei cablaggi ad alta tensione

1. Struttura del conduttore: il filo di alluminio non è semplicemente una questione di "materiali che cambiano"

I fili di alluminio utilizzati nei veicoli a nuova energia rientrano generalmente nelle tre categorie seguenti:

• Conduttori in lega di alluminio per uso automobilistico serie AA-8000
• Conduttori in alluminio intrecciati
• L'alluminio rivestito in rame (CCA) viene utilizzato per il rilevamento dell'alta tensione correlato al segnale in rami di corrente non principali.

Rispetto ai tradizionali fili di alluminio utilizzati nell'arredamento, le leghe di alluminio per uso automobilistico incorporano oligoelementi come silicio e ferro, che conferiscono loro maggiore flessibilità e resistenza al taglio.

2. Tecnologia dei terminali dei connettori: la sfida più grande nel cablaggio dei fili di alluminio

L'alluminio è soggetto a ossidazione, ha una bassa durezza e presenta una notevole deformazione; pertanto, i terminali sono fondamentali per determinare la sicurezza dei cablaggi in alluminio.

Le soluzioni comuni del settore includono:

• Terminale in alluminio stagnato per la protezione dalla corrosione dei fili di alluminio
• Saldatura a frizione di metalli dissimili in alluminio e rame
• Saldatura ad ultrasuoni in alluminio
• Tecnologia di collegamento a sbarre per piastre di transizione alluminio-rame

Lo scopo di queste tecnologie:

• Riduce la resistenza di contatto
• Previene la generazione di calore causata dall'ossidazione
• Migliora la resistenza alle vibrazioni a lunga durata
• Previene la formazione di archi elettrici localizzati in condizioni di alta tensione

3. Compatibilità del materiale isolante e della struttura della guaina

Il filo di alluminio è comunemente utilizzato:

• XLPE (polietilene reticolato)
• ETFE/XL-FEP
• TPE resistente alle alte temperature

Il motivo è che il filo di alluminio ha una diversa capacità di dissipazione del calore rispetto al rame, e richiede un materiale isolante più stabile per mantenere lo spessore dell'isolamento e la rigidità dielettrica.

4. Schermatura EMC e progettazione della sicurezza ad alta tensione

I fili di alluminio utilizzati nelle linee di trasmissione HV (High-Voltage Orange) sono posizionati principalmente in aree ad alta radiazione e richiedono una schermatura completa.

Metodi comuni:

• Schermatura intrecciata in lega di alluminio-magnesio
• Schermatura intrecciata in rame + schermatura composita con conduttore in alluminio
• Strato schermante esterno in lamina di alluminio

L'integrità della schermatura influisce direttamente sulla capacità anti-interferenza dei controller OBC/DC-DC/motore.

III. Scenari applicativi tipici dei fili di alluminio nei veicoli a nuova energia

1. Cavo principale ad alta tensione del pacco batteria (cavo HV della batteria)

Utilizzato per collegare il pacco batteria, la scatola di distribuzione e la porta di ricarica rapida, questo è lo scenario applicativo più maturo per i cavi in ​​alluminio.

2. Percorso ad alta corrente della piattaforma da 800 V

I sistemi di azionamento elettrico tre in uno ad alta potenza hanno requisiti elevati per quanto riguarda la sezione trasversale del cavo, in cui il filo di alluminio offre vantaggi significativi.

3. OBC (caricabatterie di bordo) e PDU (unità di distribuzione dell'alimentazione)

For long-path high-voltage busbars, aluminum wire saves on cost and weight.

4. Sistema di gestione termica ad alta potenza

I fili di alluminio vengono gradualmente utilizzati nei rami ad alta tensione dei riscaldatori PTC e dei sistemi di pompe di calore a batteria.

IV. Idee sbagliate comuni: i fili di alluminio sono meno sicuri dei fili di rame?

Idea sbagliata 1: i fili di alluminio si rompono facilmente.

Le leghe di alluminio della serie Hyundai AA-8000 soddisfano pienamente i requisiti del settore automobilistico in termini di resistenza alla trazione e flessibilità.

Idea sbagliata 2: i fili di alluminio si ossidano facilmente.

Questo problema può essere risolto completamente mediante stagnatura, utilizzo di terminali resistenti alla corrosione e guarnizioni O-ring.

Idea sbagliata 3: i fili di alluminio generano più calore.

La generazione di calore dipende dalla resistenza di contatto. Una buona lavorazione dei terminali e tecniche di crimpatura possono rendere la temperatura di esercizio dei fili di alluminio paragonabile a quella dei fili di rame.

Idea sbagliata 4: il filo di alluminio non è adatto all'alta tensione

Infatti, i cavi ad alta tensione sono un settore in cui l'alluminio eccelle (ad esempio, il 99% delle linee di trasmissione di energia elettrica utilizza alluminio).

V. Processo di collaudo e verifica per cablaggi ad alta tensione in alluminio

Per soddisfare i requisiti di livello automobilistico, i cablaggi in alluminio devono in genere superare i seguenti test:

• Test sui cavi ISO 6722-1 / 6722-2
• Standard per cablaggi ad alta tensione LV216 / LV214
• Resistenza alle vibrazioni: 100–200 ore Classe VI
• Cicli di temperatura: da –40°C a 150°C
• Corrosione in nebbia salina: oltre 500 ore
• Monitoraggio dell'impedenza di contatto a lungo termine
• Test di resistenza all'arco ad alta tensione (HVIL)
• Test di shock termico e calore umido

Queste verifiche garantiscono la stabilità a lungo termine del cablaggio ad alta tensione in filo di alluminio.

VI. Prospettive sulla tendenza del filo di alluminio a sostituire il filo di rame

Con lo sviluppo di piattaforme ad alta tensione, ricarica rapida e motori elettrici ad alta potenza, i cablaggi ad alta tensione in filo di alluminio diventeranno una delle tecnologie fondamentali per i veicoli alimentati da nuove energie.

VII. Ingegneria della produzione di cablaggi ad alta tensione in alluminio: l'importanza della collaborazione con fabbriche specializzate

Lo sviluppo effettivo di cablaggi ad alta tensione in alluminio comporta una complessità ingegneristica estremamente elevata, che include metodi di crimpatura dei terminali, connessioni metalliche dissimili, adattamento dei materiali isolanti, durata delle vibrazioni e protezione dalla corrosione in nebbia salina. Pertanto, molti produttori di veicoli a nuova energia collaborano con fornitori con esperienza nei processi di produzione di cablaggi ad alta tensione in alluminio, come WIRE HARNESS ASSEMBLY (una fabbrica specializzata nella personalizzazione di cablaggi di Kaweei). Queste fabbriche dispongono in genere di competenze quali saldatura a frizione, saldatura a ultrasuoni, verifica della crimpatura dei terminali ad alta corrente e test di tenuta alla tensione, garantendo il funzionamento stabile a lungo termine dei cablaggi ad alta tensione in alluminio in condizioni di 400 V/800 V.

VIII. Conclusione

L'applicazione del filo di alluminio nei cablaggi ad alta tensione per i veicoli a nuova energia non è semplicemente una questione di "sostituzione del materiale", ma piuttosto il risultato di uno sviluppo coordinato tra ingegneria dei materiali, tecnologia di collegamento elettrico, standard di sicurezza e architettura del veicolo.

Per gli OEM, il filo di alluminio riduce i costi e migliora le capacità di alleggerimento; per la catena di fornitura, tecnologie come i terminali in filo di alluminio, la saldatura a frizione e la saldatura a ultrasuoni rappresentano vantaggi competitivi fondamentali.

Con l'avvento dell'era della ricarica rapida a 800 V, il filo di alluminio non sarà più un "sostituto", ma piuttosto una delle soluzioni più diffuse per i sistemi ad alta tensione.