Warum sind verzinnte Kupferdrähte, Aluminiumdrähte und Aluminiumreihen der Entwicklungstrend für neue Kabelbaummaterialien für Energiefahrzeuge in der Zukunft?

Öffentlichen Daten zufolge ist die jährliche Produktion und der Verkauf von Fahrzeugen mit neuer Energie in meinem Land von 75.000 Fahrzeugen vor zehn Jahren auf 9,5 Millionen Fahrzeuge gestiegen, was mehr als 60 % des Weltmarktes entspricht, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 71 %. Gegenwärtig tritt die inländische Industrie für neue Energiefahrzeuge in eine Phase beschleunigter Entwicklung ein, und auch die Errungenschaften in den Bereichen neue Energiefahrzeuge und Energiebatterien breiten sich rasch aus. Die Bevorzugung der Verbraucher für Fahrzeuge mit neuer Energie ist nicht nur auf das Umweltbewusstsein und das Streben nach kohlenstoffarmen Reisemethoden zurückzuführen, sondern auch auf das Streben nach effizienteren Formen der Energieumwandlung. Im Vergleich zu Fahrzeugen mit herkömmlichem Kraftstoff bieten Fahrzeuge mit neuer Energie Vorteile in Bezug auf Umweltschutz und Intelligenz, der größte Vorteil liegt jedoch in der Effizienz der Energieumwandlung.

Der Energieumwandlungswirkungsgrad des Verbrennungsmotors eines Kraftstofffahrzeugs liegt üblicherweise zwischen 20 % und 30 %, die restliche Energie geht in Form von Abwärme verloren. Der Energieumwandlungswirkungsgrad von Fahrzeugen mit neuer Energie kann 80–90 % erreichen. Unabhängig davon, ob es sich um einen reinen Elektro- oder Plug-in-Hybrid handelt, ist die Energieumwandlungseffizienz viel höher als bei Kraftstofffahrzeugen. Da effizientere Antriebsaggregate in Fahrzeugen mit neuer Energie nach und nach ineffiziente Antriebsaggregate ersetzen, wird die Energieeffizienz weiter verbessert. Der Aufstieg neuer Energiefahrzeuge stellt nicht nur den umweltfreundlichen Wandel der Transportmethoden dar, sondern weist auch auf die Richtung einer effizienten Energienutzung in der Zukunft hin.

Nach Untersuchungen in- und ausländischer Wissenschaftler wird die Energieumwandlungseffizienz von Fahrzeugen mit neuer Energie auch erheblich von Faktoren wie Batterieleistung und Motoreffizienz, Fahrzeugkarosseriegewicht und Energieumwandlungsverlusten beim Laden und Entladen beeinflusst. Diese Verluste begrenzen direkt die weitere Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz.

Gemessen an den aktuellen technologischen Entwicklungstrends ist die Optimierung der Materialien und Verbindungsmethoden von Leiterbahnen in Fahrzeugen mit neuer Energie der beste Weg, die Effizienz der Energieumwandlung zu verbessern.

Herkömmliche Automobilkabel verwenden seit jeher Kupfer als Leitermaterial. Allerdings haben Kupferdrähte auch einige Nachteile: Beispielsweise neigen sie zur Bildung von Patina durch Oxidation. Dadurch verschlechtert sich nicht nur das Aussehen des Drahtes, sondern, was noch wichtiger ist, seine elektrische Leitfähigkeit ist weitaus schlechter als die von reinem Kupfer. Daher wird der Widerstand im Stromkreis erheblich erhöht und die Effizienz der Stromübertragung verringert, was sich auf die Leistung und Sicherheit von Fahrzeugen mit neuer Energie auswirken kann.

Um das Problem der leichten Oxidation von Kupferdrähten zu lösen, besteht eine gängige Lösung darin, verzinnte Kupferdrähte zu verwenden. Die Zinnschicht kann wirksam verhindern, dass Kupfer mit Sauerstoff und Wasser in der Luft in Kontakt kommt, wodurch der Oxidationsprozess von Kupfer verlangsamt wird. Gleichzeitig weist verzinnter Kupferdraht eine gute elektrische Leitfähigkeit und gute mechanische Eigenschaften auf. Diese Eigenschaften bestimmen seinen Einsatzwert im Bereich der New-Energy-Fahrzeuge.

Aufgrund des niedrigen Schmelzpunkts der Zinnschicht kann es jedoch beim Schweißen von verzinnten Kupferdrähten mittels Ultraschall-Kabelbaumschweißen zu lokal hohen Temperaturen kommen, die zum Schmelzen der Zinnschicht führen können, was die Schweißwirkung beeinträchtigt. Daher ist es beim Ultraschallschweißen von verzinntem Kupferdraht eine sehr schwierige technische Schwierigkeit, die Schweißtemperatur und -zeit genau zu steuern.

Allerdings ist zu beachten, dass verzinnter Kupferdraht relativ teuer in der Herstellung ist. Dies schränkt seine breite Anwendung im Bereich der New-Energy-Fahrzeuge in gewissem Maße ein. Wird derzeit nur in High-End-Fahrzeugen mit neuer Energie verwendet. China muss jedes Jahr große Mengen an Kupfermaterialien importieren, und der Preis für Kupfermaterialien ist in den letzten Jahren weiter gestiegen. Die Knappheit der Kupferressourcen und steigende Preise haben die Kosten für Automobilkabel hoch gehalten.

Können wir die Effizienz der Energieumwandlung verbessern und gleichzeitig die Produktionskosten senken? Aluminiumdrähte gelten in der Industrie als sinnvoller Ersatz für Kupferdrähte. Große Hersteller von Fahrzeugen mit neuer Energie haben bereits versucht, Kupferdrähte durch Aluminiumdrähte zu ersetzen, da Aluminiumdrähte in Fahrzeugen mit neuer Energie die folgenden Vorteile haben:

1. Gute elektrische Leitfähigkeit:

Der spezifische Widerstand von Aluminium beträgt 2,65×10-8 Ω·m, während der spezifische Widerstand von Kupfer 1,72×10-8 Ω·m beträgt. Obwohl Aluminium einen höheren spezifischen Widerstand aufweist als Kupfer, können die Widerstandsanforderungen des gesamten Fahrzeugstromkreises durch eine Vergrößerung des Drahtdurchmessers des Aluminiumdrahts (ca. 1,3-fach) erfüllt werden.

2. Leicht:

Die Dichte von Aluminium beträgt 2,7 g/cm³, während die Dichte von Kupfer 8,96 g/cm³ beträgt. Die Dichte von Aluminium beträgt nur ein Drittel der von Kupfer, sodass eine Gewichtsreduzierung durch eine einfache Vergrößerung der Querschnittsfläche des Aluminiumleiters um etwa 30 % erreicht werden kann.

3. Kosteneffizienz:

Aufgrund des extremen Ungleichgewichts der Kupfer- und Aluminium-Mineralressourcen meines Landes und ihrer Abbaukosten ist der Preis für Kupferdrähte viel höher als der für Aluminiumdrähte. Durch die Verwendung von Aluminiumdrähten anstelle von Kupferdrähten können wir die Produktionskosten von Fahrzeugen mit neuer Energie senken und sie auf dem Markt wettbewerbsfähiger machen.

Auch im Bereich der Kfz-Kabelbäume sind Kosten und Gewicht einer der Hauptgründe für die Entwicklung leichter Kfz-Kabelbäume. Die Verwendung von Aluminiumleitern anstelle herkömmlicher Kupferleiter bietet den Vorteil einer Kosten- und Gewichtsreduzierung. Allerdings gibt es auch einige technische Schwierigkeiten bei der Anwendung von Aluminiumleitern, wie zum Beispiel:

1. Verbindungszuverlässigkeit:

Probleme wie Metalloxidation und elektrochemische Korrosion, die beim herkömmlichen Crimpen von Aluminiumleitern und Kupferleitern auftreten können, führen zu losen Verbindungspunkten oder erhöhtem Widerstand, was die Leistung des gesamten Leiters beeinträchtigt.

2. Kriecheffekt:

Kriechen ist ein Phänomen der langsamen Verformung von Metallwerkstoffen unter Einwirkung äußerer Kräfte über einen längeren Zeitraum. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Kupfer und Aluminium neigen Aluminiumdrähte eher zum Kriechen. Unter bestimmten Bedingungen kann die Kriechgeschwindigkeit von Aluminiumdrähten bis zum 25-fachen der von Kupferdrähten betragen, was erhebliche Auswirkungen auf die Ermüdungsbeständigkeit und die Lebensdauer von Aluminiumleitern hat.

3. Erhöhung des Drahtvolumens:

Die Leitfähigkeit von Aluminiumdrähten ist schwach. Um die Leitfähigkeitsanforderungen von Automobildrähten zu erfüllen, muss die Querschnittsfläche der Aluminiumdrähte vergrößert werden, was das Volumen der Drähte bis zu einem gewissen Grad erhöht und größere Herausforderungen an die Verbindungen mit sich bringt.