动力电池包工艺系列铜铝连接

铜的密度为8.9×10千克/米，铝的密度为2.7×10千克/米，铝材质量密度不到铜的三分之一。铜和铝的现货价格如下面两图所示，铝不到铜的4/1。在整个行业都在努力轻量化、降成本的大势下，用铝材在各个可能的环节替代铜材钢板，是我们最容易想到的也是比较切合实际的方法。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.Ω*mm2/m，铝的电阻率为0.Ω*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℃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）总成本文由“动力电池技术”整理自魔方新能源，TE连动，百度文库，其余图片来自互联网公开资料。只做学习交流之用，转发请注明出处。

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