Duże kable, duże problemy: aluminium czy miedź (Cz.4)

Aluminium versus przewodniki miedziane

Oprócz automatyzacji istnieją inne sposoby, jakimi branża próbuje obniżyć koszty przy jednoczesnym ulepszeniu produktów. Jedną z takich strategii jest przejście na kable aluminiowe. W obliczu zmian klimatycznych, na wielu rynkach zaostrzają się normy emisji i zużycia paliwa, a jednym z głównych sposobów ich ograniczenia jest zmniejszenie masy. Aluminium jest lżejsze i tańsze niż miedź, co czyni go opłacalnym wyborem dla producentów OEM. Choć oszczędności masy można uzyskać zarówno w pojazdach elektrycznych jak i spalinowych, większa ilość niezbędnego okablowania w pojazdach elektrycznych prowadzi do większych oszczędności masy na tym rynku. Chociaż aluminium wiąże się ze specyficznymi wyzwaniami, aluminiowe końcówki stosowane są już obecnie.

Spawanie ultradźwiękowe

Wiele obecnych aplikacji wykorzystuje spawanie ultradźwiękowe, które jest jednak powolne, wymaga wysokich nakładów inwestycyjnych, rezultaty są wrażliwe na jakość powierzchni kabla, w przypadku grubych kabli wymaga dużych ilości energii, wymaga zapobiegającego korozji uszczelnienia końcowego, a czasem może też wymagać dodatkowego odciążenia.

Przykład kabli zgrzanych ultradźwiękowo

© TE Connectivity

Mniejsza przewodność

Aluminium nie zastępuje bezpośrednio miedzi, jest bowiem o 40% mniej przewodzące, co oznacza, iż aby mieć taką samą przewodność, należy zwiększyć o rozmiary kabla o jednostkę. Fakt ten zmniejsza faktyczną oszczędność wagi z 70% do 49%. W przypadku już planowania zmian już istniejących projektów, należy upewnić się, że jest wystarczająco dużo miejsca na większy przewód.

Mniejsza wytrzymałość

Aluminium ma mniejszą wytrzymałość niż miedź, a jego wytrzymałość na rozciąganie wynosi tylko 38% wytrzymałości miedzi. Można tworzyć stopy na bazie aluminium, ale zmniejsza to z kolei przewodnictwo, a przytoczona wyżej zasada jednego rozmiaru w górę nie rozwiązuje problemu zmniejszonej wytrzymałości. Niższa wytrzymałość może prowadzić do wad zmęczeniowych przewodu, takich jak przewężenia i pęknięcia.

Mniejsza wytrzymałość może również powodować trudności podczas odizolowywania, ponieważ poszczególne pasma są bardziej kruche i podatne na uszkodzenia. Aby zapobiec zmęczeniu metalu, w przypadku tego typu kabli należy stosować dodatkowe odciążenia i wsporniki.

Utlenianie powierzchni

Aluminium reaguje samorzutnie z wodą i/lub powietrzem, tworząc tlenek glinu. Tlenek glinu (Al2O3) tworzy stabilną warstwę pasywną, która chroni aluminium przed korozją oraz dalszym utlenianiem. Warstwa ta ma grubość około 4 nm i - o ile pozostaje stabilna - zapewnia ochronę przed korozją. Wadą jest to, że warstwa tlenku nie przewodzi prądu. Zwiększenie liczby koniecznych żył w aplikacjach EV wymaga pokonania większej ilości tlenku do przebicia się. Jeśli tego nie zrobimy, środkowe żyły mają niewielki wpływ na przewodnictwo całości. Kable o niskim skręcie maksymalizują elastyczność, ale minimalizują szorowanie powierzchni między pasmami, co zwiększa trudności w usuwaniu warstwy tlenku.

Wyzwanie automatyzacyjne: korozja galwaniczna

Korozja galwaniczna to proces elektrochemiczny, w którym jeden metal ma łatwo koroduje, gdy jest w kontakcie elektrycznym z innym metalem w obecności elektrolitu. Aluminium jest bardzo podatne na korozję galwaniczną, co oznacza, że potrzebne są dodatkowe kroki w celu zapobieżenia przedostawaniu się wody do wnętrza gotowej wiązki (przykład po prawej, dolna część rysunku).