Perché i fili di rame stagnato, i fili di alluminio e le file di alluminio saranno la tendenza di sviluppo dei materiali per cablaggi di veicoli di nuova energia in futuro?

Secondo i dati pubblici, la produzione e le vendite annuali di veicoli a nuova energia nel mio Paese sono aumentate da 75.000 veicoli dieci anni fa a 9,5 milioni di veicoli, pari a oltre il 60% del totale mondiale, con un tasso di crescita composto medio annuo del 71%. Attualmente, l’industria nazionale dei veicoli a nuova energia sta entrando in un periodo di sviluppo accelerato e anche i risultati ottenuti nei settori dei veicoli a nuova energia e delle batterie di alimentazione si stanno rapidamente diffondendo. Il favore dei consumatori per i veicoli a nuova energia deriva non solo dalla consapevolezza ambientale e dalla ricerca di metodi di viaggio a basse emissioni di carbonio, ma anche dalla ricerca di forme più efficienti di conversione dell'energia. Rispetto ai veicoli a carburante tradizionale, i veicoli a nuova energia presentano vantaggi in termini di protezione ambientale e intelligenza, ma il vantaggio più grande risiede nell’efficienza di conversione dell’energia.

L'efficienza di conversione energetica del motore a combustione interna di un veicolo a carburante è solitamente compresa tra il 20% e il 30% e l'energia rimanente viene persa sotto forma di calore di scarto. L'efficienza di conversione energetica dei nuovi veicoli energetici può raggiungere l'80% -90%. Che si tratti di veicoli elettrici puri o ibridi plug-in, l’efficienza di conversione dell’energia è molto superiore a quella dei veicoli a carburante. Man mano che i propulsori più efficienti dei veicoli a nuova energia sostituiranno gradualmente quelli inefficienti, l’efficienza energetica sarà ulteriormente migliorata. L’aumento dei veicoli a nuova energia non rappresenta solo la trasformazione verde dei metodi di trasporto, ma indica anche la direzione verso un utilizzo efficiente dell’energia in futuro.

Secondo una ricerca condotta da studiosi nazionali e stranieri, l’efficienza di conversione energetica dei nuovi veicoli energetici è influenzata in modo significativo anche da fattori quali le prestazioni della batteria e l’efficienza del motore, il peso della carrozzeria del veicolo e la perdita di conversione dell’energia durante la carica e la scarica. Queste perdite limitano direttamente l’ulteriore miglioramento dell’efficienza di conversione energetica.

A giudicare dalle attuali tendenze di sviluppo tecnologico, l’ottimizzazione dei materiali e dei metodi di connessione delle linee conduttive nei veicoli a nuova energia è il modo migliore per migliorare l’efficienza di conversione energetica.

I cavi automobilistici tradizionali hanno sempre utilizzato il rame come materiale conduttore. Tuttavia, i fili di rame presentano anche alcuni inconvenienti: ad esempio, tendono a formare una patina dovuta all'ossidazione. Non solo peggiora l'aspetto del filo, ma, cosa ancora più importante, la sua conduttività elettrica è di gran lunga inferiore a quella del rame puro. Pertanto, la resistenza nel circuito aumenterà in modo significativo e l'efficienza della trasmissione attuale sarà ridotta, il che potrebbe influire sulle prestazioni e sulla sicurezza dei veicoli a nuova energia.

Per risolvere il problema della facile ossidazione dei fili di rame, una soluzione comune è quella di utilizzare fili di rame stagnato. Lo strato di stagno può efficacemente impedire al rame di entrare in contatto con l'ossigeno e l'acqua nell'aria, rallentando così il processo di ossidazione del rame. Allo stesso tempo, il filo di rame stagnato ha una buona conduttività elettrica e proprietà meccaniche. Queste caratteristiche ne determinano il valore applicativo nel campo dei veicoli a nuova energia.

Tuttavia, a causa del basso punto di fusione dello strato di stagno, quando si saldano fili di rame stagnato con la saldatura di cablaggi a ultrasuoni, le alte temperature locali possono causare la fusione dello strato di stagno, influenzando l'effetto della saldatura. Pertanto, durante il processo di saldatura a ultrasuoni del filo di rame stagnato, come controllare accuratamente la temperatura e il tempo di saldatura rappresenta una difficoltà tecnica molto difficile da superare.

Tuttavia, va notato che il filo di rame stagnato è relativamente costoso da produrre. Ciò ne limita in una certa misura l’ampia applicazione nel campo dei veicoli a nuova energia. Attualmente utilizzato solo nei veicoli a nuova energia di fascia alta. La Cina deve importare una grande quantità di materiali in rame ogni anno e il prezzo dei materiali in rame ha continuato ad aumentare negli ultimi anni. La scarsità di risorse di rame e l’aumento dei prezzi hanno mantenuto elevato il costo dei cavi automobilistici.

Possiamo migliorare l’efficienza di conversione energetica riducendo i costi di produzione? Nel settore, i fili di alluminio sono considerati un valido sostituto dei fili di rame. I principali produttori di veicoli a nuova energia hanno già provato a utilizzare fili di alluminio per sostituire i fili di rame perché i cavi di alluminio presentano i seguenti vantaggi nei veicoli a nuova energia:

1. Buona conduttività elettrica:

La resistività dell'alluminio è 2,65×10-8 Ω·m, mentre la resistività del rame è 1,72×10-8Ω·m. Sebbene l'alluminio abbia una resistività maggiore rispetto al rame, i requisiti di resistenza dell'intero circuito del veicolo possono essere soddisfatti aumentando il diametro del filo di alluminio (circa 1,3 volte).

2. Leggero:

La densità dell'alluminio è di 2,7 g/cm³, mentre la densità del rame è di 8,96 g/cm³. La densità dell'alluminio è solo un terzo di quella del rame, quindi è possibile ottenere una riduzione del peso semplicemente aumentando l'area della sezione trasversale del conduttore di alluminio di circa il 30%.

3. Rapporto costo-efficacia:

A causa dell'estremo squilibrio delle risorse minerali di rame e alluminio del mio paese e dei relativi costi di estrazione, il prezzo dei fili di rame è molto più alto di quello dei fili di alluminio. Utilizzando fili di alluminio invece di fili di rame, possiamo ridurre i costi di produzione dei veicoli a nuova energia e renderli più competitivi sul mercato.

Nel campo dei cablaggi automobilistici, anche il costo e il peso sono uno dei motivi principali per lo sviluppo di cablaggi automobilistici leggeri. L'utilizzo di conduttori in alluminio invece dei tradizionali conduttori in rame ha il vantaggio di ridurre costi e peso. Esistono però anche alcune difficoltà tecniche nell’applicazione dei conduttori in alluminio, quali:

1. Affidabilità della connessione:

Problemi come l'ossidazione del metallo e la corrosione elettrochimica che possono verificarsi durante la tradizionale crimpatura dei conduttori in alluminio e rame causeranno punti di connessione allentati o una maggiore resistenza, influenzando le prestazioni dell'intero conduttore.

2. Effetto creep:

Il creep è un fenomeno di lenta deformazione dei materiali metallici sotto l'azione di una forza esterna per lungo tempo. A causa della differenza nei coefficienti di dilatazione termica tra rame e alluminio, il filo di alluminio è più incline allo scorrimento. In determinate condizioni, la velocità di scorrimento dei fili di alluminio può arrivare fino a 25 volte quella dei fili di rame, il che ha un impatto significativo sulla resistenza alla fatica e sulla durata dei conduttori in alluminio.

3. Aumento del volume del filo:

La conduttività dei fili di alluminio è debole. Per soddisfare i requisiti di conduttività dei cavi automobilistici, è necessario aumentare l'area della sezione trasversale dei cavi di alluminio, il che aumenterà in una certa misura il volume dei cavi e comporterà maggiori sfide per le connessioni.