電動汽車高壓線束的銅鋁連接
電纜是電動汽車高壓連接器線束中成本佔比較大的零部件,通常使用的導體材料主要是銅及銅合金。銅具有較好的電氣性能和力學性能,是電傳導的理想材料。隨着電動汽車充電電流向400A或者更高的方向發展,如果繼續使用銅作爲電纜導體,需使用95mm2或更大規格的電纜,這將增加線束和整車的質量,不利於降低能耗、提高續航里程的發展策略。因此,爲了能夠提高車輛的續航里程,降低能耗,高壓線束需做輕量化設計。鋁及鋁合金導體具有良好的導電性和低密度的特點,是汽車線束輕量化的良導體之一。但鋁導體由於自身物理屬性的原因,在導電率、力學性能以及蠕變性能上與銅導體存在一定的差距,尤其是銅鋁連接由於熱膨脹係數相差較大,在充放電過程中的冷熱衝擊容易在連接界面處形成間隙或孔洞,導致電阻增加,溫升升高。另外,由於銅鋁存在電位差,容易形成電化學腐蝕。因此,要想銅鋁連接能夠較穩定、安全地應用,在力學性能和電化學腐蝕方面要有好的解決方案。
傳統的高壓線束主要是銅電纜組成,銅電纜導體兩端連接的是銅端子或銅排,可以較容易獲得可靠的連接,不存在電化學腐蝕的問題。
在充電功率向大功率充電發展的背景下,現行的充電技術標準《GB/T20234.1—2015》允許的最大充電電流是250A,而正在制定和更新的標準,已把充電的電流上調至400A、600A,甚至1000A以上。在車輛端不增加冷卻措施的情況下,電流增加時,根據焦耳定律(Q=I2Rt),需降低導體電阻才能使車輛不出現熱失效等問題。降低電阻的有效措施是增加導體截面積,一般情況下,120mm2銅電纜的最大載流是500A,要想獲得更高的載流能力,電纜的截面積要比120mm2更大,如此大的尺寸會導致線束質量超重、彎曲半徑過大等問題。因此,鋁排或鋁棒等輕量化的導體將迎來應用的契機。
鋁排由於其矩形形狀的特徵,相同截面積的條件下具有更大的散熱面積和較好的導電能力,在線束佈置時,矩形的形狀有利於平面的敷設，佔用更小的空間，同時鋁排自身的結構剛性使其在安裝時可以使用更少的線束固定卡扣而獲得好的線束佈置性能。
根據鋁導體自身的材料屬性，與銅端子連接時，在力學性能、電氣性能、耐腐蝕性能等方面存在一些固有的問題，如下文所述。爲了解決或減弱由於銅鋁材質自身特質差異帶來的性能降低，需研究鋁合金材料、連接方式和表面處理對銅鋁連接的力學性能和電氣性能的影響。
2.1 鋁合金材料的選擇
銅和鋁的物理參數在力學性能和電氣性能上有明顯差異。表1爲銅和鋁的物理參數，從表中可以看出，鋁的強度低於銅，但其熱膨脹係數是銅的1.35倍。熱膨脹係數的差異是銅鋁連接是否可靠的一項挑戰。具體選擇何種系列的鋁合金需要根據連接的方案進行選擇。例如，要求可焊性比較好的可選擇1系鋁合金，要求強度較高且抗蠕變性好的可以選擇6系或8系鋁合金。
表1銅鋁物理參數
通常情況下，可以作爲導體的鋁合金主要有1系、6系和8繫系列，其中1系主要牌號爲1350/1050，6系鋁合金的主要牌號爲6101，8系鋁合金的主要牌號是8030/8176。不同鋁合金的主要差異如下:
1)1系鋁合金主要特點是含鋁99.00%以上，導電率約61%，耐腐蝕性能好，焊接性能好，其缺點是質地較軟，強度較低，連接強度不高;
2)6系鋁合金主要特點是以鎂和硅爲主要強化相，具有較好的力學性能和導電性能，適合螺栓連接，一般其導電率約55%IACS;
3)8系鋁合金主要特點是會在合金體系中添加一些稀土或微量元素，起到強化作用，具有較高的機械強度，其抗蠕變性能基本可以與銅合金媲美，如圖1所示。鋁合金導體的合金成分加入，大大地提高了其導電性能和連接性能，在電流過載時，合金成分發揮持續的連接作用，使鋁合金導體抗蠕變性能增加。
2.2 銅鋁連接的方式
銅端子或銅排與鋁導體線束的連接可靠性需要考慮抗蠕變、應力鬆弛等力學性能，同時也需要考慮鋁表面氧化膜帶來的電氣連接問題。通常，銅鋁連接的方式主要有閃光對接焊、釺焊、攪拌摩擦焊以及螺栓連接，其中閃光對接焊、釺焊、攪拌摩擦焊等焊接連接可以有效避開鋁表面氧化膜的問題，而螺栓連接則需要慎重考慮鋁表面氧化膜帶來的挑戰。
圖1 銅鋁抗蠕變性能
銅和鋁的焊接需要考慮以下幾點問題。
1)銅鋁的熱膨脹係數和導熱性不一樣，焊接時受熱時的膨脹量不一樣，如果緩慢加熱，時間過長會使膨脹的差異更大，因此，在焊接時需注意控制焊接面的受熱情況及焊接時間。
2)異種金屬材料複合焊接獲得的焊接接頭脆性較大，根據圖2的銅鋁二元相圖可知，銅鋁融化焊接的過程中容易生成脆性相。這是因爲在連接處易生成銅、鋁間化合物，其主要成分爲鋁化銅，即在銅鋁焊縫處有脆性化合物生成，易導致焊接頭的強度降低。
3)銅鋁的熔點相差較大，相差約400℃，焊接時容易出現鋁已熔化但銅未焊透，需要調試出適當的工藝。
圖2 銅鋁二元相圖
銅鋁連接的另一種常用連接方式是螺栓連接，鋁排選用6101作爲銅鋁連接的導體，則可選擇螺栓連接或焊接連接的連接方式。當選用螺栓連接時需設計防松的螺栓連接結構，防止銅鋁連接由於冷熱衝擊帶來的熱脹冷縮，導致連接界面產生間隙或孔洞，發生應力鬆弛。對於螺栓連接的轉矩設定需要通過一系列的測試或計算，得到合適的接觸應力和接觸電阻，其判定條件可以按照接觸電阻變化與接觸應力變化比值<-0.1μΩ/MPa來確定。此時對應的轉矩即爲合適的轉矩，其計算公式如式(1)所示。
式中:mv爲電阻與應力變化比值，其<-0.1μΩ/MPa時被認爲是穩定接觸的;∂Rv爲接觸電阻變化值;∂σm爲接觸應力變化值。
圖3所示爲錫和銅、錫和錫連接時的負載曲線，虛線是斜率爲-0.1的漸近線，當虛線與實線相切時，表示此時的應力和電阻是比較合適的，應力需不小於此值。因此，螺栓連接的轉矩需要通過實驗得到驗證後才能設定爲可靠值。例如M6的螺栓，其材料、墊片、接觸面積不同，需設置爲不同的轉矩以獲得穩定連接性能。一般國標M6的螺栓轉矩可設置爲8.5N·m。
圖3 不同金屬間的螺栓負載曲線
銅鋁連接的幾種連接方式各有優缺點，是否能夠與電動汽車銅端子和鋁排的可靠連接相匹配，需要對連接後的力學性能和電氣性能進行測試和評估。
3.1 銅鋁排焊接性能測試
1)銅鋁排焊接連接接頭試驗材料和方法
選擇銅排和鋁排作爲研究對象，銅排材料選擇T2紫銅，鋁排選擇1350鋁合金，採用閃光對接焊、銀釺焊、攪拌摩擦焊、超聲波焊接的方式進行焊接連接，其中閃光對接焊和攪拌摩擦焊採用對接連接的方式，銀釺焊和超聲波焊接採用搭接焊接，焊接形式如圖4所示。銅的尺寸爲4.5mm×45mm×500mm，鋁排的尺寸爲4.5mm×45mm×500mm。
圖4 銅鋁連接方式
對焊接後的樣件進行力學性能和電氣性能測試，力學性能測試主要測試接頭的180°方向的拉脫力，電氣性能主要測試連接電阻和380A條件下的溫升，其中搭接焊接的兩種焊接連接需額外測試90°防線的剝離力。
2)銅鋁排焊接連接接頭實驗結果
4種銅鋁排焊接接頭測試結果如表2所示。通過對比180°方向的拉脫力可知，閃光對接焊和攪拌摩擦焊的結合強度較好，連接電阻較低，在380A的額定電流下，通載2h後，接頭位置的溫升比較接近，分別爲36K和34K。銀釺焊和超聲波焊接的180°方向拉脫力略小，且90°方向剝離力較小，不符合使用要求，銀釺焊的接觸電阻和溫升較高，載流能力弱。
表2 4.5mm×45mm銅鋁排焊接性能對比
3.2 銅鋁螺栓連接接頭性能測試
鋁排的材料選擇6101鋁合金，銅排的材料爲T2紫銅，鋁排材料尺寸爲4.5mm×45mm，銅排材料尺寸爲3.5mm×35mm，用M6的螺栓將各樣品以8.5N·m的轉矩進行連接，進行鹽霧前後的電氣性能測試。樣品種類1爲鋁排未電鍍，樣品種類2爲鋁排電鍍銀，樣品種類3爲銅排未電鍍，樣品種類4爲銅排表面鍍銀。鹽霧條件爲96h中性鹽霧，溫升測試電流爲380A，溫升測試結果如表3所示。
表3 銅鋁鹽霧前後的溫升
4.1 銅鋁焊接接頭試驗分析
通過對4種焊接方式的測試結果可知，閃光對接焊由於是將鋁排和銅排以化學融合的方式形成了比較牢靠的連接接頭，在接頭界面處形成了Cu/Al混合物，具有較好的力學性能和電氣性能，拉伸強度是4種焊接方式中最高的，焊接電阻較低，且溫升相對較小，適合於銅和鋁的焊接連接。高壓線束對技術清潔度要求較高，通常是要在滿足VDA19中CG2以上的環境中生產，由於閃光對接焊在生產過程中對環境不友好，尺寸控制難度較大，故非必要情況下不推薦此連接方式。
由於銀釺焊是在銅鋁連接界面處添加有銀銅合金的釺料，焊接時由於銀的熔點低於銅而先熔化，在施加壓力的條件下，使銅鋁焊接在一起，但銀的熔點又高於鋁，從而使銅鋁在受熱和壓力時變形不平衡，導致接頭在拉伸和剝離時強度不足。由測試結果可知，銀釺焊的剝離力和連接電阻是3種連接方式中最差的一種，高壓線束中不建議使用此連接方式進行銅鋁連接。
攪拌摩擦焊是一種固相連接方式。在攪拌摩擦焊過程中，一個柱形帶特殊軸肩和針凸的攪拌頭旋轉着插入被焊工件，攪拌頭和被焊材料之間的摩擦產生了摩擦熱，使材料熱塑化。當攪拌工具沿着待焊界面向前移動時，熱塑化的材料由攪拌頭的前部向後部轉移，並且在攪拌工具機械鍛造的作用下，實現工件間的固相連接。通過測試結果可知，攪拌摩擦焊的拉伸性能和連接電阻較好，是4種連接方式中相對較可靠的方式之一，且製作工藝簡單，能夠適用1系、6系和8系的鋁合金焊接，具有高效、穩定生產的特點，是不錯的銅鋁連接方式。
超聲波焊接是通過振幅器的高頻振動和焊頭的壓力使被焊接件結合在一起的，此連接方式較成熟地應用於導線與端子的連接中，能夠獲得較低的電阻和較高的結合力。通過測試結果可知，連接電阻和溫升相對較低，但連接強度較低。主要原因是在銅端子和鋁排的連接中，當銅鋁排的厚度相對較小時，設備焊接能量足夠，超聲波焊接是可靠的，但對於鋁排規格較大時，受焊接設備能量的影響，焊接不透徹，連接強度較低。
綜上所述，4種焊接連接方式中，適合於高壓線束的方式主要是攪拌摩擦焊，此焊接方式工藝穩定可靠，且對環境比較友好。
4.2 銅鋁螺栓連接接頭試驗分析
由於鋁合金導體表面存在緻密的氧化層，氧化膜的導電率比較差，需要相應的結構來刺破，提高端接的導電率。如果採用螺栓連接的方式，需要設計特殊結構和合適的轉矩來保證連接的可靠性。依據以往的經驗數據，M6的螺栓需要使用8.5N.m的轉矩來獲得較好的力學連接和電氣連接。根據表3數據顯示，當鋁表面未做電鍍處理時，其與任何狀態的銅和鋁連接都處於不可靠狀態，鹽霧後的溫升急劇增加，使產品處於不安全狀態。鋁表面鍍銀後，與裸銅和鍍銀銅的連接時，鹽霧前後的溫升是合格的。
未電鍍鋁排與未電鍍銅排連接時，鹽霧前後的溫度差異≥200℃。主要原因是鋁和銅存在電位差，當存在鹽溶液介質時，銅鋁界面發生電化學腐蝕，形成空洞等缺陷，使連接電阻加速增加，隨着電流通載的時間增加，溫度也持續增加。未電鍍的鋁與電鍍的銅排連接時，雖然銅排有電鍍銀層，但在96h鹽霧後，溫升依然差異接近200℃，說明銅鋁之間依然發生了較嚴重的電化學腐蝕。大部分的存儲、轉運的環境是非密閉的，環境中存在大量的水汽、介質，銅鋁連接界面在存在電解質的情況下，極易形成原電池反應，發生電化學腐蝕，從而導致接觸電阻和溫升急劇增加，使產品失效。因此，對於高壓線束產品，當銅鋁連接可能處於非乾燥環境時，建議對銅鋁表面進行鍍銀處理，防止電化學腐蝕發生，以獲得較可靠的連接性能。
通過對鋁合金和銅導體的連接分析，在鋁排材料選擇、連接方式、表面處理等方面得出如下結論。
1)通過對比不同焊接方式的力學性能和電氣性能，推薦選用攪拌摩擦焊作爲可靠的連接方式。
2)銅鋁連接選擇螺栓連接時，如果銅鋁連接區域不能保證處於乾燥環境時，建議對鋁排表面做鍍銀處理，同時需設計防松結構，以防止由於銅鋁熱膨脹係數差異帶來的應力鬆弛行爲，以獲得較穩定的電氣連接。
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