超声金属焊接性能表现--机械强度、电阻和温升(下) |
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| (2021-3-29 9:27:39) 0人次浏览 |
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塑料焊接技术
3. 测试结果和讨论
3.2 接头电阻性能
接头通过250A的恒定电流，再测量接头两侧电压，就可以计算出不同材料的Tab焊接后的电阻大小。通电流60秒时，我们发现由于热量产生，电阻在缓慢增加，增加幅度取决于Busbar的材料和厚度。图1是0.3mmAL Tab焊接到AL或Cu不同厚度的Busbar的电阻值。在恒定电流下，电阻的计算公式为=/，其中表示电阻率，表示长度，表示横截面积。
图1 电阻变化曲线，分别为 0.3mmAl的Tab焊接到(a)1.0mm AL Busbar (b)1.5mm AL Busbar (c)2.0mm AL Busbar (d)2.5mm AL Busbar (e)1.0mm Cu Busbar (f)1.5mm Cu Busbar (g)1.5mm Cu Busbar (h)是变化百分比。
在本次测试中，电压传感器夹持在固定位置，以保持测量长度不变。同样，超声焊接动作采用一样的焊接参数，以避免焊接操作过程中的变化。另外，横截面积取决于Busbar厚度，并且根据计算公式，电阻会随着Busbar厚度增加而降低。
因此，我们可以观察到：随着Busbar厚度增加，起始电阻逐渐减小。这是由于当电流大小保持不变时，电阻随截面积的增加而减小。例如，0.3mmAL Tab与1.0mm, 1.5mm, 2.0mm和2.5mm的AL Busbar焊接后起始电阻分别为0.089mΩ, 0.087mΩ, 0.080mΩ和0.065mΩ；0.3mmAL Tab与1.0mm, 1.5mm和2.0mmCu Busbar焊接后起始电阻分别为0.084mΩ、0.083mΩ和0.080mΩ。Cu Busbar起始电阻变化相对较小。
另外，Busbar厚度越小，随着通电时间增加，电阻变化越大。例如，0.3mmAL Tab与1.0mmAL Busbar焊接接头在通电过程中电阻增加了0.034mΩ。对应1.5mm AL Busbar，电阻增加了0.024mΩ；对应2.0mm AL Busbar，电阻增加了0.021mΩ；对应2.5mm AL Busbar，电阻增加了0.016mΩ。同样的变化也发生在AL Tab与不同厚度的铜Busbar的焊接接头上。变化百分比见图1(h)。
图2 电阻变化曲线，分别为 0.3mmCu[Ni] Tab焊接到(a)1.0mmAL Busbar (b)1.5mmAL Busbar (c)2.0mmAL Busbar (d)2.5mmAL Busbar (e)1.0mmCu Busbar (f)1.5mmCu Busbar (g)1.5mm Cu Busbar (h)是变化百分比。
类似的，0.3mmd厚Cu[Ni] Tab焊接到不同厚度和AL/Cu Busbar上的接头电阻，也会随着通电时间的增加而增加，见图2。我们还可以观察到：
0.3mmCu[Ni]焊接到1.5mm AL Basbar的接头初始电阻，和焊接到1.0mm Cu Basbar的电阻相同(0.057mΩ);
0.3mmCu[Ni]焊接到2.0mm AL Basbar的接头初始电阻，和焊接到1.5mm Cu Basbar的电阻相同(0.050mΩ)；
0.3mmCu[Ni]焊接到2.5mm AL Basbar的接头初始电阻，和焊接到2.0mm Cu Basbar的电阻相同(0.046mΩ)；
随着Busbar厚度增加，接头电阻在通电过程中变化的梯度减小，且呈现趋于恒定数值。
0.3mmCu[Ni] Tab与1.0mmAL Busbar焊接接头在通电过程中电阻增加了0.013mΩ。对应1.5mm AL Busbar，电阻增加了0.010mΩ；对应2.0mm AL Busbar，电阻增加了0.006mΩ；对应2.5mm AL Busbar，电阻增加了0.005mΩ。
0.3mmCu[Ni] Tab与1.0mmCu Busbar焊接接头在通电过程中电阻增加了0.0089mΩ。对应1.5mm Cu Busbar，电阻增加了0.0053mΩ；对应2.0mm Cu Busbar，电阻增加了0.0049mΩ。变化百分比见图2(h)。
不同组合的接头电阻，在通电过程中的最大值汇总在表1。从表上可以观察出：0.3mm Cu[Ni] Tab的平均电阻值约是对应Al Tab 0.6倍。
表1 不同组合下的电阻值
3.3 接头热性能
锂电池老化是电动汽车行业面临的最大挑战之一，导致电池老化的主要原因之一是高温。有研究表明，Tab温度升高比电池表面温度升高更令人担忧，对Tab接头充分冷却可延长电池组寿命3倍，即降低电池使用成本66%。
Tab焊接到Busbar的接头温升曲线见图3，所有试验的起始温度设定为25℃。与电阻变化类似，接头处的温度随着热量产生和电阻变化而增加。例如，当250A电流通过0.3mmAL Tab和1.0mm AL Busbar的焊接接头60s后，测量得到的最高温度96.18°C。随着Busbar厚度的增加，接头处得到的最大温度会因为一些原因而降低，包括起始电阻、电阻变化、热传导系数和散热质量等。例如，0.3mmAL Tab和1.5mm、2.0mm和2.5mm厚的AL Busbar接头通电的最大温度分别为80.27℃、67.83℃和59.97℃。
一般来说，由于铜的热传导系数大且电阻相对较低，因此采用Cu Busbar的接头温度要低于采用AL Busbar接头温度。例如，0.3mm AL Tab和2.0mm AL Busbar的焊接头温升67.83℃，要高于0.3mm AL Tab和2.0mm Cu Busbar的焊接头温升50.07℃。图3(a)和(b)表示0.3mmAL Tab焊接到不同厚度的AL 和Cu Busbar的温度响应曲线。Cu Busbar 的温升明显小于Al Busbar 温升。因此，当采用AL Tab时，Cu Busbar的接头热学性能更好。
0.3mm Cu[Ni] Tab焊接到Al和CuBusbar的接头温升曲线见图图3(c)和(d)。由于Cu电阻小且热传导系数低，因此采用 Cu[Ni] Tab的接头温升低。例如，0.3mm Cu[Ni] Tab和1.0mm AL Busbar的焊接头通电60s最大温度66.96℃，明显低于0.3mm Al Tab和 1.0mm Al Busbar通电温升96.18℃。
图3 在250A电流下60s内的温升曲线，(a)0.3mm Al Tab焊接到Al Busbar，(b)0.3mm Al Tab焊接到Cu Busbar，(c)0.3mm Cu[Ni] Tab焊接到Al Busbar，(d)0.3mm Cu[Ni] Tab焊接到Cu Busbar。
图4给出了0.3mm Al/Cu[Ni] Tab和不同厚度的Al/Cu Busbar焊接后的接头在通电过程中的温升变化，相比较初始温度的增加倍数。与电阻特性相同，Cu{Ni} Tab的平均温升只有AL Tab的0.6倍。
图4 0.3mm Al/Cu[Ni] Tab和不同厚度的Al/Cu Busbar接头在通电60s的温升变化
4 结论
本次研究对比了不同组合下的Tab和Busbar焊接接头的机械强度、电阻和温升特性。对0.3mmAl 和 Cu[Ni] Tab焊接到不同厚度的Al和Cu Busbar的接头的关键质量指标：机械强度、电阻和温升进行了评价。用T-peel拉力试验机测试了接头的机械强度，得到最佳焊接参数。对于0.3mm Al Tab和Al Busbar的超声波焊接，焊接压力1.5Bar，焊接振幅50m，焊接时间0.35s；对于0.3mm Cu[Ni] Tab 和 Cu Busbar 的超声波焊接，焊接压力1.5Bar，焊接振幅50m，焊接时间0.55s。用以上最佳参数进行打样，并对样件进行电阻和温升特性测试。有以下结论：
随着Busbar厚度增加，接头在通电过程中电阻变化减小，并且趋近一条平坦直线。我们可以观察到0.3mm AL Tab 和1.5mm AL Busbar的接头电阻变化与0.3mm Cu[Ni] Tab和1.0mm Cu Busbar的接头相同。
温升曲线表明，随着Busbar厚度增加，接头处测量的最高温度降低。此外，Cu{Ni} Tab的平均温升只有AL Tab的0.6倍。
以上结果和数据，对采用超声波金属焊接工艺的Tab和Busbar选型，提供参考和指南。此外，这些结果还可以用于电池组建模和仿真来评估整个PACK性能。
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