摘要
新Roadster追求从其原始车型继承而来的“人车合一”概念，马自达以永不满足的减重决心开发它。在起到“连接”所有电气设备部件的作用的线束中，通常通过系统集成减少线数、细化线径以及通过电气设备部件的最短连接缩短线长来减轻重量。现在马自达已经通过使用“线材替代铝”的新技术来减轻再生系统“i-ELOOP”的线束重量。马自达通过将线材替换为铝，实现了相当于一辆汽车线束总重量约3%的重量减轻g。本文描述了开发的细节和技术。
1.前言
在继承和进化了从第一辆敞篷跑车以来一贯追求的“人车合一”和“乐之趣”的同时，新敞篷跑车作为一个整体开发的，对减轻重量的承诺永无止境。
“连接”电子元件的线束每辆车重约15至20公斤。由各部分组成的线束占线材重量的比例最高，约占总量的70%，因此减重的关键是线材的减重（图1）。以往，为了减轻电线的重量，使用了以下三种方法：
(1)节省线材；通过系统集成减少线材数量
(2)细化线材；细化线径
(3)缩短电线，在最短的时间内连接电器元件
图1线束部件重量比
在新Roadster中，电线本身的重量通过“用轻量铝代替电线的导体材料”来减轻重量，这是一项减轻重量的新技术（图2）。本文介绍了实现这种减重的开发过程和手段。
图2线材减重的方法
2.铝线安装部分
对于线束中使用的电线，根据通电电流的大小选择合适的线径。大电流电路中使用的大直径粗导线比小电流电路中的细导线使用更多的金属作为导体，因此导线的重量更重（图3）。可以说减轻粗电线的重量对减轻重量是有效的。
图3铜线重量
新敞篷跑车将配备减速能量再生系统“i-ELOOP”，以提高燃油效率。该系统将车辆减速时产生的能量回收为电能，并将其作为车辆所需的电能进行再利用。可变电压交流发电机产生电能为电容器充电。DC-DC转换器将24V的最大电容电压降压至12V，为各电器元件供电。交流发电机、电容器、DC-DC转换器和电池通过粗线连接（图4）。Atenza和Axela使用铜作为这种粗电线的导体。通过在新的Roadster中用铝代替这种导体，我们认为可以通过减轻重量来为人车合一/LotofFun/燃油效率做出贡献。
图4新款Roadster
i-ELOOP布局i-ELOOP线束在电容器和DC-DC转换器之间的连接部分以及DC-DC转换器和电池之间的连接部分由铝制成（图5）。
图5系统图
通过用铝代替这两条导线，可以预期重量减轻g，大约减少66%（图6）。
图6重量比较
3.铝电线采用验证
进行FMEA/DRBFM，明确车辆存在的问题，提取出以下三种故障模式：
(1)由于铝表面的氧化膜很强，电线与端子的连接处会出现接触不良。
(2)由于异种金属的接触腐蚀，电线（铝）和端子（铜）之间发生导通不良。
(3)通过将导体改为铝，会发生电线冒烟和电线热劣化。
对于(1)中氧化膜造成的接触不良，需要在去除铝线上的氧化膜后连接端子的技术。研究了铝线的端子连接技术并评估了压接部分的耐用性（在第3.1节中说明）。
接下来，关于（2）异种金属接触腐蚀导致的导通失效，掌握了在什么条件下发生腐蚀、耐腐蚀性如何、耐腐蚀性评价和车辆腐蚀环境（3.2节）。
最后，针对(3)中因导体材料变化而发生的电线冒烟和电线热劣化，采用反映铝电线特性值的电线发烟保险丝进行电路保护，并验证了电气性能。线热劣化寿命进行了（3.3）部分解释）。
下面将详细介绍使用铝线时可以预期的三个问题的具体研究。
3.1铝线端子连接技术
为了在电线和端子之间的连接中获得稳定的电特性，需要在电线和端子之间以及构成电线的电线之间进行电连接。覆盖铝线导体表面的氧化膜比铜线的氧化膜更强，电阻值更高（表1）。压接端子时，位于导体外圆周的电线氧化膜可以通过端子锯齿（凹槽）将其断开，从而将其连接在电线和端子之间，但位于导体中心的电线接触到端子.（图7），由于导线间的导通不良，电气特性不稳定。
表1铝线氧化膜性能
图7压接部横截面
端子连接技术有超声波焊接、超声波焊接等施工方法，去除铝表面的氧化膜，在端子连接工作时不产生氧化膜。
(1)超声波焊接
连接超声波振动的空化效应破坏了覆盖在导线表面的氧化膜，使焊料渗入铝导线之间。之后，通过压接，电线中央的电线通过焊料连接到端子（图8）。
超声波焊接
图8电流流动（超声波焊接）
(2)超声波焊接连接
通过施加超声波振动加压，同时破坏绞线的氧化膜，同时连接绞线和端子（图9）。
超声波焊接
图9电流（超声波焊接）
使用这两种连接技术，以车载环境为前提进行了各种耐久性评价，确认可以确保与铜线同等的连接可靠性。
3.2腐蚀耐久性评价及对车辆腐蚀环境的理解
通常，当具有不同电位的金属在电解液中相互接触时，会发生异种金属的接触腐蚀。在电线（铝）和端子（铜）之间发生异种金属间电偶腐蚀的机理如下所述。
(1)电偶腐蚀的腐蚀机理
当电解液如盐水附着在端子压接部分时，铝会被洗脱。这是因为当电解液附着在标准电极电位高的铜和标准电极电位低的铝的接触区域时（表2），铜成为阴极，铝成为阳极，铝流出（图10）.当以下三个对齐并产生腐蚀电流流过的路径时，腐蚀会进行：
①异种金属之间的接触
②电解液（盐水）
③溶解氧
表2电离趋势
图10不同种类金属接触腐蚀示意图
(2)使用原型的盐雾试验
在沿海地区和冬季喷洒融雪剂的地区，汽车的腐蚀环境受盐害影响很大。当盐水粘附到铝线的端子压接部分时，进行盐雾试验以确认腐蚀的进展。制作了压接在铜端子上的铝线样机，在压接部位长时间喷5%盐水，高温高湿放置后，端子压接部位的压降和压接强度被测量。此外，还准备了以下线材样品进行比较。
样品规格
样品1；铝线
样品2；铝线+压接部分的防腐处理（图11）
样品3；铜线
图11腐蚀保护
关于压降，铜线和经过防腐处理的铝线没有变化，但铝线逐渐增加（图12）。此外，对于铝线，电线压接到端子的部分的压接强度也会降低（图13）。在铜线和经过防腐处理的铝线之间没有观察到明显的波动。
图12盐雾试验后电压降
图13盐雾试验后的固定力
从这些评估结果来看，当铝线在暴露于大量盐水的环境中使用时，由于异种金属的电偶腐蚀，端子之间的铝会溶出（图14），从而增加接触电阻并降低压接强度的发现。另外，为了防止这种情况，发现用热收缩管等对压接部分进行防水使得盐水不会沾到压接部分上的方法是有效的。
图14铝线腐蚀
(3)原型车加速腐蚀耐久性评价
进行加速腐蚀耐久性评估以确认车辆中的腐蚀环境。将带有压接端子的铝线原型安装在原型车上，并反复暴露在盐水通道和潮湿温暖的房间中。改变循环次数，跟踪铝线腐蚀状态（循环次数；0，市场相当于1年，3年相当于，6年相当于），端子压接部分的压降每次耐力后测量。评价的结果是，电容器部分的电压降逐渐增加（图15），但在DC-DC转换器和电池部分，与初期和腐蚀状态相比，没有观察到明显的增加。也没有被观察到。此外，压接强度也仅在电容器部分降低。
图15车辆耐腐蚀评估后的电压降
产生这种差异的原因是，根据车辆安装地点的不同，所接收的盐水量不同，并且认为铝溶出量存在差异，并确认了水覆盖率。观察到大量水溅到靠近轮胎布置的电容器部分上（图16）。车辆顶部的DC-DC转换器和电池周围散落着一些飞溅物，但端子压接部分被绝缘盖覆盖（图17），并没有接触到水。
图16倒水情况
图17压接端子绝缘盖
根据这些评估结果，在电容器铝线端子的压接部分安装了热缩管，以防止盐水溅出（图11）。将经过防腐处理的铝线安装在试制车辆上，对加速腐蚀耐久性进行评价，确认没有电压下降或压接强度的变动。另外，对热缩管进行各种耐久性评价后，进行了防水性试验，确认防水性没有问题。
至于DC-DC转换器和电池部分，通过实车验证的结果证实，它们没有处于腐蚀环境中，因此不需要进行防腐处理。
3.3电线冒烟熔断器保护及电线热老化寿命验证
(1)带有从电线冒烟的保险丝的电路保护
电路上设置了保险丝，以防止电线短路并流过超过允许电流的过大电流（短路电流）时，电线冒烟并引起车辆起火。发生短路时，保险丝会因焦耳热而熔断，电路的设计目的是在电线冒烟之前切断电流来保护电路。当导体由铝制成时，导线电阻/热容量/电阻温度系数等导线特性发生变化，通电时导线自热导致的导线温升值与传统铜线不同。因此，需要计算反映铝线特性值的温升值（4）。使用该值，比较电线的冒烟时间T1和熔断器熔断时间T2，确认在发生短路时熔断器首先熔断（图18）。
图18熔断特性和发烟特性
(2)电线热劣化寿命的验证
如果电线在高温环境下长期使用，电线的绝缘体可能会变硬，绝缘功能可能会受损，并且可能会发生断线或短路。为了防止这种情况，在大气温度高的发动机室等高温环境下验证电线的热劣化寿命。电线寿命设定为绝缘子伸长率的%(4)，电线设计在该范围内使用。我们验证了电线的热老化寿命，同时考虑了通电时电线的温升，它反映了机舱内的大气温度和铝电线的特性值，并确认它在规定范围内。标准（图19）。
图19热寿命特性
4。结论
在车辆上安装铝线存在三个问题。通过新引入铝线连接技术，开发车载安装技术，并利用铝线特性值进行线材验证，解决了这些问题，并成功地将铝线安装到了新型敞篷跑车上。通过用铝代替减速能量再生系统“i-ELOOP”线束，实现了g的轻量化，约为一辆车所用线束总重量的3%。
铝电线的车载安装技术是减轻重量的重要技术，今后将进一步扩大安装能力。
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