本文在簡(jiǎn)介了電氣連接的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述了電氣連接點(diǎn)的溫度變化、銅鋁物理特性、銅鋁連接的電化學(xué)反應(yīng)（腐蝕）及銅鋁電氣連接方法。

關(guān)鍵詞：連接選擇焊接

電連接從廣義上來講是電器產(chǎn)品中所有電器回路的集合，從狹義來講，是指產(chǎn)品內(nèi)部將不同導(dǎo)體連接起來的連接方式。而電氣連接點(diǎn)是指電器及電氣設(shè)備之間以及它們與母線或電纜之間的電氣連接部位，電氣連接點(diǎn)過熱是鋰動(dòng)力電池模組應(yīng)用中的一種故障隱患。

既然是電連接，肯定對(duì)過電流能力要有一個(gè)基本的要求，電連接是鋰動(dòng)力電池生產(chǎn)和使用過程中很重要的一環(huán)，需要高安全、高可靠性的，所以隨著電動(dòng)汽車對(duì)供電可靠性、安全性要求的提高，鋰動(dòng)力電池模組的電氣連接點(diǎn)過熱這一故障隱患已成為一個(gè)越來越受關(guān)注的問題，引起我們重視并認(rèn)真研究其發(fā)生、發(fā)展的原因，以便徹底解決。

導(dǎo)體連接的實(shí)際表面并不是光滑的，而是粗糙的、凹凸不平的。因此，當(dāng)兩個(gè)金屬接觸時(shí)，只在局部的金屬接觸點(diǎn)形成導(dǎo)電路徑。隨著接觸壓力的增加，微小的金屬接觸點(diǎn)的數(shù)量和面積也隨之增加。

這些金屬接觸被稱為a斑點(diǎn)，是唯一的導(dǎo)電路徑。氧氣和其他腐蝕性氣體可以進(jìn)入這些接觸區(qū)域并和暴露的金屬發(fā)生反應(yīng)，使金屬接觸面積減小，最終將導(dǎo)致真實(shí)可導(dǎo)電接觸面積消失，盡管此時(shí)在氧化表面仍存在著機(jī)械接觸。

需要注意的是，實(shí)際接觸面積包含了承載接觸面積。承載接觸面積覆蓋著氧化膜，因而不是可靠的電流傳輸通道。真實(shí)的導(dǎo)電接觸面積只是實(shí)際接觸面積的一小部分，通常認(rèn)為遠(yuǎn)小于1%的名義接觸面積。

電流通過接觸界面時(shí)，電流被收縮已通過a斑點(diǎn)，由于電流收縮而產(chǎn)生的接觸電阻稱為收縮電阻。收縮電阻與金屬的基本特征（如硬度和電阻率）相關(guān)，由于金屬表面并不是理想清潔的，電流路徑受到金屬表面上存在的薄氧化膜、硫化膜和其他無機(jī)膜的影響，因此總接觸電阻是收縮電阻和膜層電阻之和。

接觸電阻是電接觸電阻中最普通的特征，總是作為電路電阻的一部分而被考慮。雖然接觸電阻和電路電阻相比非常小，但接觸電阻的變化可能會(huì)導(dǎo)致電氣連接失效，這是因?yàn)榻佑|電阻的改變影響真實(shí)可導(dǎo)電接觸面積。

1.電氣連接點(diǎn)的溫度變化：

1）工作電流。鋰動(dòng)力電池模組的電氣連接點(diǎn)在通過工作電流時(shí)，由于存在媒質(zhì)的散熱因素，在一面散熱一面吸熱的情況下，其溫度上升曲線如圖1所示。

起初因溫差小，散熱少，從而造成溫度上升較快，隨著溫差的進(jìn)一步增大，散熱增多，吸熱相對(duì)減少，因而溫度上升較緩，當(dāng)溫差增大到單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱等于單位時(shí)間的散熱，達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，溫度達(dá)到一穩(wěn)定值QF。經(jīng)驗(yàn)及資料顯示，接觸點(diǎn)的溫升可以近似用下式估算：

式中：I是接觸點(diǎn)的電流，A；RJ是接觸電阻，Ω；λ是接觸點(diǎn)材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/℃.cm；ρ是接觸點(diǎn)材料的電阻系數(shù)，Ω.cm。

2）短路電流。鋰動(dòng)力電池模組的電氣連接點(diǎn)在通過短路電流時(shí)，由于短路電流的時(shí)間很短（一般為0.7s左右），導(dǎo)體所發(fā)熱量來不及向周圍介質(zhì)散發(fā)，其熱量全部集中于接觸點(diǎn)上，造成接觸點(diǎn)的溫度呈幾何級(jí)數(shù)急劇上升，如圖2所示。

如果此值大于設(shè)備接觸處材料的短時(shí)發(fā)熱溫度，接觸點(diǎn)將發(fā)生不可逆的損壞過程。以鋁-鋁對(duì)接為例，當(dāng)連接處產(chǎn)生200℃以上的高溫時(shí)，將發(fā)生溶焊等事故。

2.銅鋁電氣連接要點(diǎn)：

（1）銅鋁物理特性：

用于動(dòng)力電池連接的銅和銅箔匯流排通常采用紅銅，紅銅即純銅，又名紫銅。純銅的密度為8.969/cm3，熔點(diǎn)為1083℃，具有很好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，塑性極好，易于熱壓和冷壓力加工，大量用于制造電線、電纜、電刷、電火花專用蝕電蝕銅等要求導(dǎo)電性良好的產(chǎn)品。

紫銅的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率僅次于銀，廣泛用于制作導(dǎo)電、導(dǎo)熱器材。紫銅在大氣、海水和某些非氧化性酸（鹽酸、稀硫酸）、堿、鹽溶液及多種有機(jī)酸（醋酸、檸檬酸）中，有良好的耐蝕性，用于化學(xué)工業(yè)。另外，紫銅有良好的焊接性，可經(jīng)冷、熱塑性加工制成各種半成品和成品。20世紀(jì)70年代，紫銅的產(chǎn)量超過了其他各類銅合金的總產(chǎn)量。

用于動(dòng)力電池連接的鋁和鋁箔連接片的材質(zhì)為1060O態(tài)純鋁，鋁的密度很小，僅為2.7g/cm3，雖然它比較軟，但可制成各種鋁合金，如硬鋁、超硬鋁、防銹鋁、鑄鋁等。鋁的導(dǎo)電性僅次于銀、銅和金，雖然它的導(dǎo)電率只有銅的2/3，但密度只有銅的1/3，所以輸送同量的電，鋁線的質(zhì)量只有銅線的一半。鋁表面的氧化膜不僅有耐腐蝕的能力，而且有一定的絕緣性，所以鋁在電器制造工業(yè)、電線電纜工業(yè)和無線電工業(yè)中有廣泛的用途。

銅的密度為8.9×10千克/米，鋁的密度為2.7×10千克/米，鋁材質(zhì)量密度不到銅的三分之一。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(dǎo)電能力是銅的2/3，而重量是銅的1/3。

（2）銅鋁連接的電化學(xué)反應(yīng)（腐蝕）：

為銅和鋁是兩種不同的金屬，將它們簡(jiǎn)單連接在一起會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)（腐蝕）。時(shí)間稍長(zhǎng)，連接處接觸電阻會(huì)增大、發(fā)熱，造成電路時(shí)通時(shí)斷，電壓忽高忽低，甚至引起火災(zāi)。

銅鋁導(dǎo)線一般不能直接連接，因?yàn)殂~鋁兩種金屬的電化性質(zhì)不同。如果將他們直接連接，一旦遇水，二氧化碳及其他雜質(zhì)形成的電解液時(shí)，就形成了一種化學(xué)電池，這是由于鋁易于失去電子成為負(fù)極，銅難以失去電子成為正極，于是在正負(fù)極之間就形成了一個(gè)1.69V的電動(dòng)勢(shì)，并有一個(gè)很小的電流通過，腐蝕鋁線，即所謂的電化腐蝕。這樣就會(huì)引起銅鋁之間接觸不良，接觸電阻增大。當(dāng)有電流通過時(shí)，將使接頭部位溫度升高，而溫度升高有加速了接頭腐蝕，增加了接觸電阻，造成惡性循環(huán)，直至燒毀。

當(dāng)銅、鋁導(dǎo)體直接連接時(shí)，這兩種金屬的接觸面在空氣中水分、二氧化碳和其他雜質(zhì)的作用下極易形成電解液，從而形成的以鋁為負(fù)極、銅為正極的原電池（為何一定鋁是負(fù)極，失電子，主要是元素自身電勢(shì)決定的，元素電勢(shì)見下表），使鋁產(chǎn)生電化腐蝕，造成銅、鋁連接處的接觸電阻增大。

（3）鋰動(dòng)力電池銅鋁電氣連接方法：

銅鋁連接鋁的表面極易氧化，所形成的氧化膜十分牢同，且電阻性很大，采用機(jī)械連接是不可靠的。因此在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用焊接方法來實(shí)現(xiàn)連接，以提高銅和鋁的綜合性能。銅鋁焊接即是把銅質(zhì)材料和鋁質(zhì)材料通過焊接工藝接成一體。

1）傳統(tǒng)上常用掛錫和熔錫的方法焊接銅鋁，這種方法成型不好，沒有很好的強(qiáng)度，由于錫的熔點(diǎn)低又不能焊接在高溫工作下的工件，所以此種工藝只適合低溫條件下的小工件上使用（只適用于多股銅線和小規(guī)格鋁漆包線的焊接），很難應(yīng)用到其它產(chǎn)品的生產(chǎn)中。

2）用熔化焊、摩擦焊、冷壓焊、爆炸焊、電子束焊、超聲波焊等焊接方法焊接銅鋁，焊接出來的接頭脆性大,易產(chǎn)生裂紋且焊縫易產(chǎn)生氣孔，焊接起來的工件難免出現(xiàn)斷裂，出現(xiàn)斷裂后就可能使導(dǎo)電體斷路、使管道泄露，所以往往達(dá)不到實(shí)際生產(chǎn)中要求的效果。

3）用釬焊（通常用火焰釬焊、爐中釬焊和高頻釬焊等）把銅和鋁焊接在一起，通過釬焊工藝把釬料作為中間介質(zhì)把銅和鋁焊接在一起（實(shí)際上是發(fā)生冶金反應(yīng)，釬料通過毛細(xì)作用滲入銅材和鋁材分子結(jié)構(gòu)中），焊接后接頭成型較好，抗拉抗剪性能及導(dǎo)電性耐腐蝕性好，是目前常用的銅鋁焊接方法，市場(chǎng)上能用于銅鋁焊接的釬料有銅鋁焊絲、銅鋁焊膏等。

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(yè)界采用了壓力焊、熔化焊和釬焊等多種焊接方法。由于不能同時(shí)滿足高強(qiáng)度、高抗腐蝕性低、成本和工藝簡(jiǎn)單等要求，現(xiàn)有銅鋁的熔化焊、壓力焊和釬焊工藝還有待于進(jìn)一步完善，其中比較有前途的是釬焊工藝。

釬料層的原子向銅和鋁兩側(cè)擴(kuò)散，阻擋銅鋁原子直接接觸。釬料的擴(kuò)散同時(shí)阻擋了銅鋁原子的擴(kuò)散，從而避免原電池反映的發(fā)生。作為中間層金屬，Ni是最常被用到的一種。

4）銅鋁過渡板。銅鋁過渡板如圖3所示，采用鋁制的基板，在基板表面的下半部分上設(shè)有銅片層，且該銅片層和相應(yīng)的基板表面部分緊貼熔合連接為一體式無釬料結(jié)構(gòu)。

5）擴(kuò)散焊。擴(kuò)散焊是指將工件在高溫下加壓，但不產(chǎn)生可見變形和相對(duì)移動(dòng)的固態(tài)焊方法。銅與鋁焊接有一定難度，一是鋁表面那層化學(xué)性能穩(wěn)定的氧化膜難以徹底去除，二是在界面附近易形成脆性化合物，降低擴(kuò)散接頭的強(qiáng)韌性。為了獲得高質(zhì)量的接頭，必須采取相應(yīng)的工藝措施，以便達(dá)到理想的焊接效果。母材的物理化學(xué)性能、表面狀態(tài)、加熱溫度、壓力、擴(kuò)散時(shí)間等是影響擴(kuò)散焊接頭質(zhì)量的主要因素。

加熱溫度越高，結(jié)合界面處的原子越容易擴(kuò)散。但由于受Cu、AI熱物理性能的限制，加熱溫度不能太高。否則母材晶粒明顯長(zhǎng)大，使接頭強(qiáng)韌性降低。在540℃以下，Cu、A1擴(kuò)散焊接頭強(qiáng)度隨加熱溫度的提高而增加，繼續(xù)提高溫度則使接頭強(qiáng)韌性降低，因?yàn)樵?65℃時(shí)形成A1與Cu的共晶體。

在擴(kuò)散焊接頭被拉斷后，在銅一側(cè)的表面可觀察到很厚的鋁層。壓力越大、溫度越高，界面處緊密接觸的面積越大，越易于原子擴(kuò)散。壓力小易產(chǎn)生界面孔洞，阻礙晶粒生長(zhǎng)和原子穿越界面的擴(kuò)散遷移。銅、鋁原子具有不同的擴(kuò)散速度，擴(kuò)散速度大的A1原子越過界面向Cu側(cè)擴(kuò)散。而反方向擴(kuò)散過來的Cu原子數(shù)量較少，受A1熱物理性能的影響，壓力不能太大。