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小小电线里的大学问 与电动车有关哦

王渺林来自 易车
2018-05-180人已关注

如今大家经常谈起纯电动车,大部分话题都与续航里程有关,也就是所用的电池组,一般是锂离子电池组。其实,还有一些小知识你未必了解,那就是小小的电线(导线),在电池里面也肯定会用到。它到底用什么材料?怎么加工?有什么需要注意的特性?

1、导线是如何制造的?

在我们生活中,最熟悉的导线肯定是铜线了。制造铜导线的现代方法是连续铸造,原料通常经过了电解精炼,纯度至少达到99.965%(即标准电气铜,也称“电解韧铜”,缩写为ETP)或比99.9935%还高(即ETP1)。在电解精炼中,阳极是粗铜或回收铜的铸件,电解液是稀硫酸和硫酸铜的混合溶液,阴极则是纯铜板。电解的电流密度一般在200-300安每平方米的范围内,而电解反应所需的槽电压通常只有0.2-0.3伏。在电解反应中,铜被从阳极输送到了阴极,而杂质则留在了阳极铸件里。单次电解可以生产出纯度为99.99%的铜,足以满足几乎所有的电气应用;如果需要更高纯度的铜,可以将一次电解的阴极作为阳极,再进行一次电解。不过,二次电解需要新电解液,因为原来的电解液内会有一些来自阳极和自身的杂质。

在19世纪晚期,电报和电话线使用裸线也可能没问题,但如今的绝大多数导线都是绝缘的,通常有塑料外皮或者某种包胶处理。电磁线呢,因为用于各种设备如电动机、变压器、电感器,以及电磁铁而得名,则拥有非常薄的绝缘涂层,材料通常是像聚氨酯、聚酰亚胺(如美国杜邦公司生产的Kapton薄膜)之类的塑料。涂层一般是浸渍(横向)或涂抹(垂直)在裸导线上,然后经过烘烤处理,大家常说的漆包线就是电磁线的一种。为了获得更厚的绝缘层,最多可以采用四层涂层,从而提高绝缘强度,更好地防止针孔缺陷。虽然电磁线的绝缘层通常也被称为“珐琅”,但它可不是易碎的玻璃般涂层,其特点更像是真正的搪瓷。

相比电磁线的薄涂层,大多数其他导线的绝缘层要厚得多,甚至更加柔韧,工作温度通常也低得多。普通电磁线绝缘层的连续工作温度可达130摄氏度,额定工作温度可达180摄氏度,而且成本不高。与之相比,大部分通用导线的PVC绝缘层额定工作温度只有85或90摄氏度,而额定工作温度要达到105摄氏度,成本就会大幅上涨。绝缘层的加工方法也不一样,通常是让金属丝从加热的挤压模具中穿过,同时用巨大的压力向模具内挤入塑料或橡胶颗粒(或两种都有),这些颗粒会在模具中融化并随着金属丝流动,从而形成了精确而均匀的相对较厚的绝缘涂层。

2、导线的使用和特性

在美国五金电器部或汽车商店里出售的导线,是根据绝缘(如上常用的GPT)、美规线规(或就是尺寸)和额定电流(或额定载流量)来进行分类的。提出额定载流量(或安全载流量)这个参数,其实是为了简化,因为这个参数不仅反映了导线的直径(或者更准确一些,导线的截面积),还与环境温度、是在空气中还是管道里敷设、是单线还是多线并行、导线的走线长度、导线绝缘层的额定工作温度等有关,甚至电流的频率、是否交流电对这个参数也有影响。例如,美国国家电气规范(National Electrical Code)规定,14号铜芯导线在30摄氏度的空气中敷设,绝缘层额定工作温度为90摄氏度时,长期连续满负荷工作的额定载流量为35安培,假如绝缘层额定工作温度为150摄氏度,则额定载流量可提升到46安培。而14号裸铜线的熔断电流高达150-200安培。因此,裸铜线的承载力或者说理论承载力,也就是美国国家电气规范的允许值,主要取决于绝缘层的性能。另一个需要考虑的因素是电压降。虽然电线绝缘层额定工作温度高时,允许通过的电流可以很大,但如果电压降过低,也不能很好地工作。感应电动机有一个显著特点,就是电压过低时难以正常工作,会导致打滑率升高,其损耗大概与打滑率相当。

在交流电中还有两个因素会导致导线发热,那就是趋肤效应(Skin effect) 和邻近效应(Proximity effect)。这两种效应都是因交流电引发感应电流(或涡电流)而产生的。趋肤效应是指导线中产生的涡电流与导线中心的电流方向相反,导致导线四周表面的电流变大。邻近效应,顾名思义,是指临近导线中的感应涡电流对导线中电流的作用,如果两条导线的感应涡电流极性相反,则导线中的电流会趋近,反之,若感应涡电流极性相同,则导线中的电流会分离。前者发生在从逆变器到电动机,这里正线和反线紧密地布置在一起,而且电路中有重要的交流分量;后者常常发生在多匝绕组中,如变压器、电机等,是高频磁性元件中很难处理的棘手问题。

趋肤效应

趋肤效应也与频率成正比,在50或60赫兹的交流电中通常不用考虑;60赫兹交流电的趋肤半径是8.5毫米,因此只有直径大于17毫米的导线才会因趋肤效应而出现交流电阻增大的现象。电动汽车牵引电机电路中的大电流很可能用到这种尺寸的导线,另外,许多逆变器采用某种三次谐波注入方案(即包含3倍基本频率的高频交流电),以更好地利用电池电压,这意味着趋肤效应不能不考虑。

邻近效应是一种复杂得多的损耗机制,尤其是当导线超过两条或导线被分层缠绕时。它会加强或削弱趋肤效应;当所有的导线中的电流方向相同时(最好的例子就是电动机和变压器中的绕组),邻近效应会把每条导线中的电流推向导线中心(至少会使被其他导线围着的导线中的电流更偏向中心,而外围导线中的电流则偏向该导线的外侧),从而部分地抵消了趋肤效应。

3、替代导线科技

如今,铝导线在中国、美国的应用都很广泛,但一般只用于大电流的电路。然而,在上60年代和70年代早期,美国的室内也曾全部采用铝导线,并且导致火灾急剧增加。美国消费者产品安全委员会(CPSC)最终确定,铝导线与插头、插座之间的接触不良是火灾的罪魁祸首。事实上,CPSC发现在支线电路中使用固体铝导线时,发生火灾的风险会增加55倍。因此,假如电路的断路器与插座或支线电路之间存在铝导线,许多保险公司将拒绝承保或认定保险无效。如今,一些供应商再次使用铝导线,虽然是在上,但也令人觉得有些奇怪。

我们先谈铝的缺点:与铜相比,铝的热膨胀系数更高,时间久了,接头处容易松动;与铜相比,铝受压时的蠕变或者说冷变形更大,这也会导致接头处松动,尤其是采用夹紧方式的接头,比如插座上的压接端子或螺丝接线端子;氧化铝是一种很好的绝缘体,当铝暴露在空气中时几乎立刻就会生成氧化铝,与之相反,氧化铜的导电性很好,并且铜没有那么容易被氧化;在电势序的排行中,铝相当的负(电位越负的金属越活泼,也越容易腐蚀),因此与其他金属接触时更易腐蚀,一般只要接触电势序比铝高至少0.15伏的金属,腐蚀就会发生;铝存在疲劳寿命极限而铜没有,铝不能承受太多的弯曲或振动。

接着谈铝的优点:实现相同的额定载流量所需要的铝比铜轻,当然啦,成本就更加低了。就这些。但对于尤其是来说,更加便宜和更轻是两个非常引人注目的属性。至于铝的缺点,通过恰当的应用方式和终端技术,可以避免或至少削减。例如,对于高电流电路,铝导线就是很好的选择,在动力电池、逆变器和电动机之间可以使用它;对于低电流电路或信号电路,铝导线就是个糟糕的选项,因为铝导线很难成为好终端,也难以避免振动/运转导致的疲劳开裂。

铝导线采用的终端技术是焊接,对于装配线来说,一些常规工艺如GMAW(气体保护电弧焊,又名TIG,即钨极惰性气体保护焊)成本过高或过于耗时。超声波焊接技术和其他摩擦焊接技术可以穿透氧化膜,从而不需要焊丝或昂贵的惰性气体保护,就可以快速地把铝导线焊接到兼容接头上,而且不会使周围区域升温。事实上,自2000年早期以来,主要在欧洲,铝导线就用在了内燃发动机车的起动机和电池电缆上。但如果德尔福和其他零部件供应商也有办法的话,中的大部分高电流电路也将很快全部采用铝导线。

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