电池包高压铜铝连接片载流与发热

一、电池包高压铜铝连接片概述

在电池包中，高压铜铝连接片起着至关重要的作用。它是连接电池包中不同部件的关键元件，对电池的性能有着重要影响。

铜铝连接片不仅要承担电能的传输任务，还需要在复杂的工作环境中保持稳定的性能。其连接的可靠性直接关系到电池包的整体性能和安全性。如果连接片出现问题，可能会导致接触电阻增大、发热等情况，严重时甚至会影响电池的使用寿命和安全性。

例如，在实际应用中，一些电动汽车制造商就曾遇到过高压线束连接可靠性不足的问题。部分车辆出现了连接不稳定、接触电阻增大等故障，影响了整车的性能和安全性。经过调查分析，发现问题主要集中在铜铝端子连接处。

由此可见，电池包高压铜铝连接片的质量和性能至关重要。在选择连接片时，需要综合考虑各种因素，如连接方式、材料性能、成本等，以确保连接片能够在电池包中发挥最佳的性能。

二、铜铝连接片发热原因探究

（一）铜铝面氧化腐蚀

铜和铝的标准电势不同，当铜铝直接接触时，在空气中的水分、二氧化碳和其他杂质的作用下很容易形成电解液，从而形成以铜为正极、铝为负极的原电池，铝面发生电化腐蚀。据相关资料记载，这种电化腐蚀会造成铜铝连接面接触电阻增大。接触电阻增大后，长时间运行，接合面温度就会升高。而在高温下，铜铝接合面腐蚀氧化会加快，如此反复，产生恶性循环，最后导致接触面温度过高。例如，在一些高压电力设备中，如高压 6KV 铜排与铝排结合面，由于铜铝面氧化腐蚀，最高温度可达到 126 度，严重威胁设备的安全稳定运行。

（二）铜铝物理性质差异

铜和铝的弹性模量和热膨胀系数相差很大。在运行中经过多次冷热交替即通电与断电的过程中，铜铝排会产生变形。这种变形会导致接触面间隙增大，从而增加接触电阻值。在这种状态下，长期运行温度就会升高。例如，在实际的电池包使用过程中，随着电池的充放电循环，温度不断变化，铜铝连接片由于物理性质差异，容易出现间隙增大、接触电阻增加的情况，进而导致发热。

（三）螺栓压力问题

铜铝排连接通常使用螺栓连接，由于螺帽面积小，铜铝排接触面承受螺栓压力的面积小，即铜铝面有效接触面小。当螺栓压力不足时，电阻值将增大，导致连接面电压降增加，处于微间隙状态的接触面电场强度增加；当螺栓压力过大引起铝排变形时，同样会使电阻值增大。当电场强度增加到一定程度时，在微间隙空间会产生放电现象，即出现微弧小火花。由于铜铝金属熔点不同，铝熔化了但铜不会熔化，两种材质不会熔合，且铝在火花中极易氧化，生成的氧化铝电阻率又极高，小火花使有效接触面进一步减小，这将引发一个恶性循环过程：小火花使有效接触面减小 — 接触面电压降增加 — 接触面间电场强度增加 — 小火花形成大火花 — 有效接触面加速减小，这个过程直到连接点铝排融化断开结束。比如在一些变电设备接头发热的案例中，很多就是由于螺栓压力问题导致的发热现象。

三、铜铝连接片载流能力分析

（一）铜铝连接存在的问题

在电池包的高压连接中，铝导体虽然具有良好的导电性和低密度的特点，是轻量化的良导体之一，但与铜导体相比，在导电率、力学性能及蠕变性能上存在一定差距。具体而言，铝的强度低于铜，热膨胀系数却是铜的 1.35 倍。这种热膨胀系数的差异使得铜铝连接在充放电过程中的冷热冲击下，容易在连接界面处形成间隙或孔洞。例如，在电动汽车的高压线束中，随着充电电流向 400A 甚至更高的方向发展，如果继续使用铜作为电缆导体，需要使用 95mm² 或更大规格的电缆，这不仅会增加线束和整车的质量，不利于降低能耗和提高续航里程，而且在不增加冷却措施的情况下，电流增加会根据焦耳定律（Q = I²Rt）使车辆面临热失效等问题。而铝排由于其矩形形状，在相同截面积的条件下具有更大的散热面积和较好的导电能力，在线束布置时也更具优势。然而，铜铝连接由于热膨胀系数差异形成的间隙或孔洞会导致电阻增加，温升升高。另外，铜铝存在电位差，容易形成电化学腐蚀，进一步影响连接的稳定性和可靠性。

（二）铜铝连接方案

1. 铝合金材料的选择：不同系列的铝合金具有不同的特点，需要根据具体的连接方案进行选择。例如，要求可焊性比较好的可选择 1 系铝合金，1 系铝合金含铝 99.00% 以上，导电率约 61%，耐腐蚀性能好，焊接性能好，但质地较软，强度较低，连接强度不高。要求强度较高且抗蠕变性好的可以选择 6 系或 8 系铝合金。6 系铝合金以镁和硅为主要强化相，具有较好的力学性能和导电性能，适合螺栓连接，一般其导电率约 55% IACS。8 系铝合金会在合金体系中添加一些稀土或微量元素，起到强化作用，具有较高的机械强度，其抗蠕变性能基本可以与铜合金媲美。

2.铜铝连接方式：铜铝连接的方式主要有闪光对接焊、钎焊、搅拌摩擦焊以及螺栓连接。这些连接方式各有特点，需要考虑不同的因素。

焊接连接：闪光对接焊、钎焊、搅拌摩擦焊等焊接连接可以有效避开铝表面氧化膜的问题。但铜铝的热膨胀系数和导热性不一样，焊接时受热时的膨胀量不一样，如果缓慢加热，时间过长会使膨胀的差异更大，因此，在焊接时需注意控制焊接面的受热情况及焊接时间。同时，异种金属材料复合焊接获得的焊接接头脆性较大，铜铝融化焊接的过程中容易生成脆性相，因为在连接处易生成铜、铝间化合物，其主要成分为铝化铜，即在铜铝焊缝处有脆性化合物生成，易导致焊接头的强度降低。而且铜铝的熔点相差较大，相差约 400℃，焊接时容易出现铝已熔化但铜未焊透，需要调试出适当的工艺。

螺栓连接：螺栓连接需慎重考虑铝表面氧化膜带来的挑战。当选用螺栓连接时需设计防松的螺栓连接结构，防止铜铝连接由于冷热冲击带来的热胀冷缩，导致连接界面产生间隙或孔洞，发生应力松弛。

四、降低铜铝连接片发热的方法

（一）借鉴电力行业搭接方法

1. 采用铜铝过渡板，铜端搪锡，减小电位差，防止电化腐蚀：在电力行业中，为了解决铜铝连接带来的电化腐蚀问题，通常采用铜铝过渡板，并在铜端进行搪锡处理。这是因为铝导体在极短的时间内就会氧化，无法手工搪锡，而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，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。例如，在高压电力设备中，采用铜铝过渡板和铜端搪锡的方法，可以大大降低铜铝连接面的接触电阻，减少发热现象，提高设备的可靠性和安全性。

2. 除去金属氧化层后涂导电膏，降低接触电阻，减少发热：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）。导电膏并不是导电率很高的涂敷膏，相反，它的电阻率很大，是由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。据相关数据显示，使用导电膏后，铜铝连接面的接触电阻可降低 30% 至 50%，发热现象明显减少。

（二）电池包内特定用途专利解决方案

1. 对铜电极片进行分区焊接、改进为铜台及开发柔性铝电极连接片，解决焊接强度低、稳定性不好及界面结合力不足问题：在电池包内，由于总输出极承担较大的载流量，所以一般会采用铜材质。然而，铜电极片直接与铝极柱焊接强度低，稳定性不好。为了解决这个问题，研发人员采取了递进式的改善措施。首先，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，但依然存在铜电极片上插接件造成的剪切力。接着，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。一方面降低了剪切力带来的影响；二来降低了插接件的生产难度，实现自主生产。最后，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. 研发铜镍复合电极片及由厚薄两片铝极片组成的复合连接片，解决导电能力不足、焊接性能受影响及成本高问题：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。然而，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。