動力電池包工藝系列--銅鋁連接

銅的密度為8.9×103千克/米3，鋁的密度為2.7×103千克/米3，鋁材質量密度不到銅的三分之一。銅和鋁的現貨價格如下面兩圖所示，鋁不到銅的4/1。在整個行業都在努力輕量化、降成本的大勢下，用鋁材在各個可能的環節替代銅材鋼板，是我們最容易想到的也是比較切合實際的方法。本文整理銅鋁連接相關問題和解決方法。

至於用鋁排鋁電纜替換銅排、銅電纜的選擇，如果光看基本參數，紫銅的電阻率為0.018Ω*mm2/m， 鋁的電阻率為0.027Ω*mm2/m，相同尺寸截面，鋁材導電能力是銅的2/3，而重量是銅的1/3，用鋁還是划算的。問題出在銅排鋁排不能直接搭接，尤其在潮濕環境下，按照銅排的慣用連接方式，用大螺釘把接頭擰到一塊，用不了多長時間，就會發現，接頭位置出現大量氧化層，電阻明顯增大。這是為什麼？

金屬電化腐蝕

什麼是銅鋁之間的電話腐蝕？當銅、鋁導體直接連接時，這兩種金屬的接觸面在空氣中水分、二氧化碳和其他雜質的作用下極易形成電解液，從而形成的以鋁為負極、銅為正極的原電池（為何一定鋁是負極，失電子，主要是元素自身電勢決定的，元素電勢見下表），使鋁產生電化腐蝕，造成銅、鋁連接處的接觸電阻增大。

另外，由於銅、鋁的彈性模量和熱膨脹係數相差很大，在運行中經多次冷熱循環(通電與斷電)後，會使接觸點處產生較大的間隙而影響接觸，也增大了接觸電阻。接觸電阻的增大，運行中就會引起溫度升高。高溫下腐蝕氧化就會加劇，產生惡性循環，使連接質量進一步惡化，最後導致接觸點溫度過高甚至會發生冒煙、燒毀等事故。

在普通環境下焊接，焊接過程中焊縫易出現銅鋁脆性化合物，當接頭長期工作於高溫環境受到機械震動作用，還會導致銅鋁原子擴散形成金屬間化合物層並不斷加厚，使接頭的衝擊韌性下降，電阻升高。金屬之間存在氣泡氣隙，無法隔絕二氧化碳和水汽的環境，又有可能發生上述原電池反映。

想要避免電化腐蝕的發生，需要盡量去除形成原電池電解液的基本條件，去掉水汽或者隔絕空氣。

借鑒電力行業的搭接方法

1） 採用銅鋁過渡板，銅端應搪錫。銅電纜與鋁電纜連接時可採用銅鋁連接管，銅電纜和鋁導線連接時可採用銅鋁端子，銅端應搪錫。為什麼要在銅端搪錫呢?這是因為：其一，鋁導體由於在極短的時間內就氧化，無法手工搪錫；其二，錫的標準電極電位為-0.14V。在銅端搪錫後，銅鋁導體的搭接處主要是鋁和錫接觸，這兩者間的電位差比銅與鋁連接時的電位差小得多，有效地防止了連接處鋁導體的電化腐蝕問題。

2） 金屬材質導體連接處除去金屬氧化層後，可在接觸面上塗一層0．2mm厚的導電膏(電力複合脂)，以降低連接處的接觸電阻，減少接頭髮熱。電力脂無毒、無臭、無污染、不霉變，在200℃高溫下不滴漏，在-60℃下不凝固，不氧化，有較好的化學穩定性能。導電膏並不是導電率很高的塗敷膏，相反，它的電阻率很大，這是因為它是金屬粉末和有機油脂攪拌而成的一種糊狀膏體。塗上電力脂後就可以填補接觸面處在顯微鏡下可觀察到的大量空隙，使接觸面由少量的點接觸改為面接觸，並在電磁場的作用下形成更多的導電隧道，即隧道效應。這樣既極大地改善了接觸面的導電性能，又油封了空氣中的氧氣、水分和雜質的浸入，從而使導體的連接點在長期的運行中能保持良好的導電性能。導電膏性狀如下圖，感受一下。

兩個電池包內特定用途的專利解決方案

1）由於總輸出極承擔較大的載流量，所以一般會採用銅材質，而銅電極片直接與鋁極柱焊接強度低，穩定性不好，遞進式的改善措施如下面三個步驟。

第一在銅電極片上開通孔，沿通孔一圈的圓環區域對銅鋁電極片進行超聲焊接，再在通孔區域對鋁片和鋁極柱進行激光焊接。該方法解決了多次焊接和焊接區域不對稱的問題，但是依然存在銅電極片上插接件造成的剪切力。

第二，在上述分區焊接的基礎上，把銅電極片變成銅台，銅台上有帶有外螺紋的同心銅柱，或者帶有內螺紋的圓柱孔，與插接件進行螺紋連接。一方面降低剪切力帶來的影響；二來降低插接件的生產難度，實現自主生產。

第三，根據第一項分區焊接技術，開發了一種可伸縮鋁電極片，為多層鋁箔堆疊後經衝壓成型再分段熱壓焊接而成。拱形段為各層間未結合的多層分散的狀態，平面段為各層間經熱壓焊接結合在一起的單層的狀態，從而形成一種柔性鋁電極連接片，補償因電池膨脹形成的位移，降低在銅鋁結合部產生的應力。推測前兩項改進方式對界面結合力的提升並不能完全滿足要求，所以才採用這種柔性鋁連接片的方式，彌補銅鋁界面強度不足的問題。

2）採用鎳片與極柱進行連接，可焊接性好，但是導電能力不足，且成本高。

針對此問題，研發了一種銅鎳複合電極片，分別開有對應的通孔，通孔處有鎳凸片用於與極柱進行焊接，從而兼具鎳的焊接性能與銅的導電性能。這種方式並未徹底解決導電能力不足的問題，如通過增加連接片厚度的方法來優化，則又影響焊接性能，增大了電池模組重量，提高了成本。

於是開發了一種由厚薄兩片鋁極片組成的複合連接片。在厚極片上設有通孔，薄極片上開有與通孔對應的圓槽，圓槽為薄極片與極柱的焊接區域。此時，厚極片可以增加到足夠大的厚度來保證導電性，薄極片降低到足夠薄來保證焊接性。而鋁材密度小价格低，也能保證整體質量和成本的要求。

傳統銅鋁連接工藝方法

1）特殊焊接方法

為了盡量減少腐蝕和老化，從工藝和材料等不同角度入手，工業界採用了壓力焊、熔化焊和釺焊等多種焊接方法。由於不能同時滿足高強度、高抗腐蝕性低、成本和工藝簡單等要求，現有銅鋁的熔化焊、壓力焊和釺焊工藝還有待於進一步完善，其中比較有前途的是釺焊工藝。

釺料層的原子向銅和鋁兩側擴散，阻擋銅鋁原子直接接觸。釺料的擴散同時阻擋了銅鋁原子的擴散，從而避免原電池反映的發生。作為中間層金屬，Ni是最常被用到的一種。

在動力電池連接中，尤其強電部分，很少直接將導電件焊接在一起，而是利用銅鋁焊接生產的成品作為搭接導電件使用，比如銅鋁接頭，銅鋁連接片等等，如下圖所示。

2）利用中間金屬過度層

縱觀導電金屬，唯有錫和銀電化學性質比較穩定，而且錫的價格比較便宜。有人通過試用發現，銅錫鋁的過渡連接可使線路導電更加通暢安全，而且方法簡單：先把鋁線用錫紙裹緊，用銅絲紮緊，再將其與銅導線按常規接法連接。這樣銅鋁連接的導線（線路）就可以長期安全運行了。

3）銅鋁複合

避免銅鋁搭接，又想利用率的低價格和低密度，導電件的另一種解決方式是給鋁排包銅皮。以鋁為基體，外層包覆銅的雙金屬複合材料。通過特定的工藝，使鋁芯與銅管之間形成永久性原子間冶金結合的材料，產品表面光亮，圓整，無缺陷，能加工成符合使用要求的尺寸。它是將銅的高質量穩定導電性能與鋁的較為穩定低成本、低密度相結合的新型材料，接觸電阻低，載流量是純銅排的85%以上，可全面替代純銅排，銅包鋁排中，銅佔比重的40%，鋁佔比重的60%，相同規格情況下是純銅排的2.5倍長，載流量接近T2純銅排，選擇稍微大一點的規格可完全達到相同載流量，符合客戶需要的線徑及力學和電學性能技術要求。

銅包鋁排的密度僅為純銅排的37％-40％，同等重量的長度（體積）是純銅排的2.5-2.7倍。銅包鋁排經過特殊的熱處理工藝，具有一定的可塑性，有利於沖孔、剪切、彎曲加工產品不開裂、不分離。為了提高抗腐蝕性能，可在銅層表面進行鍍錫、鍍鋅處理。銅包鋁具有良好的延展性和可靠性，銅包鋁排，可專門用於替代銅排，鋁排。

本來，根據交流的集膚效應，這種方式在交流系統中應用效果更好， 有一份銅鋁對比自動化、冶金、高低壓電器、建築行業等的應用條件下的對比數據，數據很好，值得我們在動力電池系統中研究試用。銅母線TMY、鋁母線LMY及銅鋁複合母線TLMY電氣性能比較如下：

相關資料提供：北京有色金屬研究總院 — 有色金屬加工事業部

低壓連接的供應商案例

一個連接器供應商提出的目前比較典型的連接方案。針對BMS集中布置的情況，典型的傳統方案是通過銅質導線，利用摩擦焊或者電阻焊工藝連接到鋁排上，封膠後統一利用線束介面對外。針對銅製電子電路板布置在電池模塊內時，也可以通過鋁線引線鍵合 （wire bonding）、銅線焊接、乃至之間螺栓連接等途徑連接，後續再進行封膠。

上述手段雖然滿足了應用，但是特殊的焊接工藝、後續的滴膠等工裝設備的投入畢竟增加了成本，降低了生產效率，同時就體積而言，在寸土寸金的電池包內也不被看好。

針對這些挑戰，該連接器供應商，提供了多種新思路來實現性能可靠、生產高效的鋁-銅連接方案。

針對從鋁製電池組母排到銅製電路板焊盤連接的情形，LITEALUM鋁線壓接技術——這種技術兼容傳統高效的端子壓接工藝，利用結構優化的銅製端子，穩定有效地壓接各種線徑的鋁導線，再將鋁導線直接焊接在電芯連接的鋁排上，由於鋁-鋁之間同元素的連接，無需擔心電話腐蝕的風險。

針對從模組鋁排到銅製線用連接器端子的連接情形，用完整的經過鋁-銅轉換的內部連接板完成轉接。實現模組鋁排與銅質press-fit（免焊壓接）壓針的連接，並且整體包膠注塑。客戶只需將電路板總成機械地壓入轉接裝置，即可完成組裝與連接。無需焊接等工藝，不損傷BMS電路板，還可滿足三次的BMS電路板拆裝更換需求，以便客戶最大程度降低昂貴的電池模塊的替換成本。

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