动力电池包工艺系列铜铝连接Word文档下载推荐.docx
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本文整理铜铝连接相关问题和解决方法。
至于用铝排铝电缆替换铜排、铜电缆的选择,如果光看基本参数,紫铜的电阻率为0.018Ω*mm2/m,
铝的电阻率为0.027Ω*mm2/m,相同尺寸截面,铝材导电能力是铜的2/3,而重量是铜的1/3,用铝还是划算的。
问题出在铜排铝排不能直接搭接,尤其在潮湿环境下,按照铜排的惯用连接方式,用大螺钉把接头拧到一块,用不了多长时间,就会发现,接头位置出现大量氧化层,电阻明显增大。
这是为什么?
金属电化腐蚀
什么是铜铝之间的电话腐蚀?
当铜、铝导体直接连接时,这两种金属的接触面在空气中水分、二氧化碳和其他杂质的作用下极易形成电解液,从而形成的以铝为负极、铜为正极的原电池(为何一定铝是负极,失电子,主要是元素自身电势决定的,元素电势见下表),使铝产生电化腐蚀,造成铜、铝连接处的接触电阻增大。
另外,由于铜、铝的弹性模量和热膨胀系数相差很大,在运行中经多次冷热循环(通电与断电)后,会使接触点处产生较大的间隙而影响接触,也增大了接触电阻。
接触电阻的增大,运行中就会引起温度升高。
高温下腐蚀氧化就会加剧,产生恶性循环,使连接质量进一步恶化,最后导致接触点温度过高甚至会发生冒烟、烧毁等事故。
在普通环境下焊接,焊接过程中焊缝易出现铜铝脆性化合物,当接头长期工作于高温环境受到机械震动作用,还会导致铜铝原子扩散形成金属间化合物层并不断加厚,使接头的冲击韧性下降,电阻升高。
金属之间存在气泡气隙,无法隔绝二氧化碳和水汽的环境,又有可能发生上述原电池反映。
想要避免电化腐蚀的发生,需要尽量去除形成原电池电解液的基本条件,去掉水汽或者隔绝空气。
借鉴电力行业的搭接方法
1)采用铜铝过渡板,铜端应搪锡。
铜电缆与铝电缆连接时可采用铜铝连接管,铜电缆和铝导线连接时可采用铜铝端子,铜端应搪锡。
为什么要在铜端搪锡呢?
这是因为:
其一,铝导体由于在极短的时间内就氧化,无法手工搪锡;
其二,锡的标准电极电位为-0.14V。
在铜端搪锡后,铜铝导体的搭接处主要是铝和锡接触,这两者间的电位差比铜与铝连接时的电位差小得多,有效地防止了连接处铝导体的电化腐蚀问题。
2)金属材质导体连接处除去金属氧化层后,可在接触面上涂一层0.2mm厚的导电膏(电力复合脂),以降低连接处的接触电阻,减少接头发热。
电力脂无毒、无臭、无污染、不霉变,在200℃高温下不滴漏,在-60℃下不凝固,不氧化,有较好的化学稳定性能。
导电膏并不是导电率很高的涂敷膏,相反,它的电阻率很大,这是因为它是金属粉末和有机油脂搅拌而成的一种糊状膏体。
涂上电力脂后就可以填补接触面处在显微镜下可观察到的大量空隙,使接触面由少量的点接触改为面接触,并在电磁场的作用下形成更多的导电隧道,即隧道效应。
这样既极大地改善了接触面的导电性能,又油封了空气中的氧气、水分和杂质的浸入,从而使导体的连接点在长期的运行中能保持良好的导电性能。
导电膏性状如下图,感受一下。
两个电池包内特定用途的专利解决方案
1)由于总输出极承担较大的载流量,所以一般会采用铜材质,而铜电极片直接与铝极柱焊接强度低,稳定性不好,递进式的改善措施如下面三个步骤。
第一在铜电极片上开通孔,沿通孔一圈的圆环区域对铜铝电极片进行超声焊接,再在通孔区域对铝片和铝极柱进行激光焊接。
该方法解决了多次焊接和焊接区域不对称的问题,但是依然存在铜电极片上插接件造成的剪切力。
第二,在上述分区焊接的基础上,把铜电极片变成铜台,铜台上有带有外螺纹的同心铜柱,或者带有内螺纹的圆柱孔,与插接件进行螺纹连接。
一方面降低剪切力带来的影响;
二来降低插接件的生产难度,实现自主生产。
第三,根据第一项分区焊接技术,开发了一种可伸缩铝电极片,为多层铝箔堆叠后经冲压成型再分段热压焊接而成。
拱形段为各层间未结合的多层分散的状态,平面段为各层间经热压焊接结合在一起的单层的状态,从而形成一种柔性铝电极连接片,补偿因电池膨胀形成的位移,降低在铜铝结合部产生的应力。
推测前两项改进方式对界面结合力的提升并不能完全满足要求,所以才采用这种柔性铝连接片的方式,弥补铜铝界面强度不足的问题。
2)采用镍片与极柱进行连接,可焊接性好,但是导电能力不足,且成本高。
针对此问题,研发了一种铜镍复合电极片,分别开有对应的通孔,通孔处有镍凸片用于与极柱进行焊接,从而兼具镍的焊接性能与铜的导电性能。
这种方式并未彻底解决导电能力不足的问题,如通过增加连接片厚度的方法来优化,则又影响焊接性能,增大了电池模组重量,提高了成本。
于是开发了一种由厚薄两片铝极片组成的复合连接片。
在厚极片上设有通孔,薄极片上开有与通孔对应的圆槽,圆槽为薄极片与极柱的焊接区域。
此时,厚极片可以增加到足够大的厚度来保证导电性,薄极片降低到足够薄来保证焊接性。
而铝材密度小价格低,也能保证整体质量和成本的要求。
传统铜铝连接工艺方法
1)特殊焊接方法
为了尽量减少腐蚀和老化,从工艺和材料等不同角度入手,工业界采用了压力焊、熔化焊和钎焊等多种焊接方法。
由于不能同时满足高强度、高抗腐蚀性低、成本和工艺简单等要求,现有铜铝的熔化焊、压力焊和钎焊工艺还有待于进一步完善,其中比较有前途的是钎焊工艺。
钎料层的原子向铜和铝两侧扩散,阻挡铜铝原子直接接触。
钎料的扩散同时阻挡了铜铝原子的扩散,从而避免原电池反映的发生。
作为中间层金属,Ni是最常被用到的一种。
在动力电池连接中,尤其强电部分,很少直接将导电件焊接在一起,而是利用铜铝焊接生产的成品作为搭接导电件使用,比如铜铝接头,铜铝连接片等等,如下图所示。
2)利用中间金属过度层
纵观导电金属,唯有锡和银电化学性质比较稳定,而且锡的价格比较便宜。
有人通过试用发现,铜锡铝的过渡连接可使线路导电更加通畅安全,而且方法简单:
先把铝线用锡纸裹紧,用铜丝扎紧,再将其与铜导线按常规接法连接。
这样铜铝连接的导线(线路)就可以长期安全运行了。
3)铜铝复合
避免铜铝搭接,又想利用率的低价格和低密度,导电件的另一种解决方式是给铝排包铜皮。
以铝为基体,外层包覆铜的双金属复合材料。
通过特定的工艺,使铝芯与铜管之间形成永久性原子间冶金结合的材料,产品表面光亮,圆整,无缺陷,能加工成符合使用要求的尺寸。
它是将铜的高质量稳定导电性能与铝的较为稳定低成本、低密度相结合的新型材料,接触电阻低,载流量是纯铜排的85%以上,可全面替代纯铜排,铜包铝排中,铜占比重的40%,铝占比重的60%,相同规格情况下是纯铜排的2.5倍长,载流量接近T2纯铜排,选择稍微大一点的规格可完全达到相同载流量,符合客户需要的线径及力学和电学性能技术要求。
铜包铝排的密度仅为纯铜排的37%-40%,同等重量的长度(体积)是纯铜排的2.5-2.7倍。
铜包铝排经过特殊的热处理工艺,具有一定的可塑性,有利于冲孔、剪切、弯曲加工产品不开裂、不分离。
为了提高抗腐蚀性能,可在铜层表面进行镀锡、镀锌处理。
铜包铝具有良好的延展性和可靠性,铜包铝排,可专门用于替代铜排,铝排。
本来,根据交流的集肤效应,这种方式在交流系统中应用效果更好,有一份铜铝对比自动化、冶金、高低压电器、建筑行业等的应用条件下的对比数据,数据很好,值得我们在动力电池系统中研究试用。
铜母线TMY、铝母线LMY及铜铝复合母线TLMY电气性能比较如下:
相关资料提供:
北京有色金属研究总院—有色金属加工事业部
低压连接的供应商案例
一个连接器供应商提出的目前比较典型的连接方案。
针对BMS集中布置的情况,典型的传统方案是通过铜质导线,利用摩擦焊或者电阻焊工艺连接到铝排上,封胶后统一利用线束接口对外。
针对铜制电子电路板布置在电池模块内时,也可以通过铝线引线键合(wirebonding)、铜线焊接、乃至之间螺栓连接等途径连接,后续再进行封胶。
上述手段虽然满足了应用,但是特殊的焊接工艺、后续的滴胶等工装设备的投入毕竟增加了成本,降低了生产效率,同时就体积而言,在寸土寸金的电池包内也不被看好。
针对这些挑战,该连接器供应商,提供了多种新思路来实现性能可靠、生产高效的铝-铜连接方案。
针对从铝制电池组母排到铜制电路板焊盘连接的情形,LITEALUM铝线压接技术——这种技术兼容传统高效的端子压接工艺,利用结构优化的铜制端子,稳定有效地压接各种线径的铝导线,再将铝导线直接焊接在电芯连接的铝排上,由于铝-铝之间同元素的连接,无需担心电话腐蚀的风险。
可靠高效的LITEALUM压接技术
针对从模组铝排到铜制线用连接器端子的连接情形,用完整的经过铝-铜转换的内部连接板完成转接。
实现模组铝排与铜质press-fit(免焊压接)压针的连接,并且整体包胶注塑。
客户只需将电路板总成机械地压入转接装置,即可完成组装与连接。
无需焊接等工艺,不损伤BMS电路板,还可满足三次的BMS电路板拆装更换需求,以便客户最大程度降低昂贵的电池模块的替换成本。
电池内部互联板(ICB)总成
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- 动力电池 工艺 系列 连接