電纜是電動(dòng)汽車(chē)高壓連接器線束中成本占比較大的零部件,通常使用的導(dǎo)體材料主要是銅及銅合金。銅具有較好的電氣性能和力學(xué)性能,是電傳導(dǎo)的理想材料。隨著電動(dòng)汽車(chē)充電電流向400A或者更高的方向發(fā)展,如果繼續(xù)使用銅作為電纜導(dǎo)體,需使用95mm2或更大規(guī)格的電纜,這將增加線束和整車(chē)的質(zhì)量,不利于降低能耗、提高續(xù)航里程的發(fā)展策略。因此,為了能夠提高車(chē)輛的續(xù)航里程,降低能耗,高壓線束需做輕量化設(shè)計(jì)。鋁及鋁合金導(dǎo)體具有良好的導(dǎo)電性和低密度的特點(diǎn),是汽車(chē)線束輕量化的良導(dǎo)體之一。但鋁導(dǎo)體由于自身物理屬性的原因,在導(dǎo)電率、力學(xué)性能以及蠕變性能上與銅導(dǎo)體存在一定的差距,尤其是銅鋁連接由于熱膨脹系數(shù)相差較大,在充放電過(guò)程中的冷熱沖擊容易在連接界面處形成間隙或孔洞,導(dǎo)致電阻增加,溫升升高。另外,由于銅鋁存在電位差,容易形成電化學(xué)腐蝕。因此,要想銅鋁連接能夠較穩(wěn)定、安全地應(yīng)用,在力學(xué)性能和電化學(xué)腐蝕方面要有好的解決方案。

銅鋁連接存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的高壓線束主要是銅電纜組成,銅電纜導(dǎo)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(xué)腐蝕的問(wèn)題。

在充電功率向大功率充電發(fā)展的背景下,現(xiàn)行的充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《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(biāo)準(zhǔn),已把充電的電流上調(diào)至400A、600A,甚至1000A以上。在車(chē)輛端不增加冷卻措施的情況下,電流增加時(shí),根據(jù)焦耳定律(Q=I2Rt),需降低導(dǎo)體電阻才能使車(chē)輛不出現(xiàn)熱失效等問(wèn)題。降低電阻的有效措施是增加導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致線束質(zhì)量超重、彎曲半徑過(guò)大等問(wèn)題。因此,鋁排或鋁棒等輕量化的導(dǎo)體將迎來(lái)應(yīng)用的契機(jī)。

鋁排由于其矩形形狀的特征,相同截面積的條件下具有更大的散熱面積和較好的導(dǎo)電能力,在線束布置時(shí),矩形的形狀有利于平面的敷設(shè)，占用更小的空間，同時(shí)鋁排自身的結(jié)構(gòu)剛性使其在安裝時(shí)可以使用更少的線束固定卡扣而獲得好的線束布置性能。

根據(jù)鋁導(dǎo)體自身的材料屬性，與銅端子連接時(shí)，在力學(xué)性能、電氣性能、耐腐蝕性能等方面存在一些固有的問(wèn)題，如下文所述。為了解決或減弱由于銅鋁材質(zhì)自身特質(zhì)差異帶來(lái)的性能降低，需研究鋁合金材料、連接方式和表面處理對(duì)銅鋁連接的力學(xué)性能和電氣性能的影響。

銅和鋁的物理參數(shù)在力學(xué)性能和電氣性能上有明顯差異。表1為銅和鋁的物理參數(shù)，從表中可以看出，鋁的強(qiáng)度低于銅，但其熱膨脹系數(shù)是銅的1.35倍。熱膨脹系數(shù)的差異是銅鋁連接是否可靠的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。具體選擇何種系列的鋁合金需要根據(jù)連接的方案進(jìn)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(qiáng)度較高且抗蠕變性好的可以選擇6系或8系鋁合金。

通常情況下，可以作為導(dǎo)體的鋁合金主要有1系、6系和8系系列，其中1系主要牌號(hào)為1350/1050，6系鋁合金的主要牌號(hào)為6101，8系鋁合金的主要牌號(hào)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(diǎn)是含鋁99.00%以上，導(dǎo)電率約61%，耐腐蝕性能好，焊接性能好，其缺點(diǎn)是質(zhì)地較軟，強(qiáng)度較低，連接強(qiáng)度不高;

2)6系鋁合金主要特點(diǎn)是以鎂和硅為主要強(qiáng)化相，具有較好的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能，適合螺栓連接，一般其導(dǎo)電率約55%IACS;

3)8系鋁合金主要特點(diǎn)是會(huì)在合金體系中添加一些稀土或微量元素，起到強(qiáng)化作用，具有較高的機(jī)械強(qiáng)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(dǎo)體的合金成分加入，大大地提高了其導(dǎo)電性能和連接性能，在電流過(guò)載時(shí)，合金成分發(fā)揮持續(xù)的連接作用，使鋁合金導(dǎo)體抗蠕變性能增加。

銅端子或銅排與鋁導(dǎo)體線束的連接可靠性需要考慮抗蠕變、應(yīng)力松弛等力學(xué)性能，同時(shí)也需要考慮鋁表面氧化膜帶來(lái)的電氣連接問(wèn)題。通常，銅鋁連接的方式主要有閃光對(duì)接焊、釬焊、攪拌摩擦焊以及螺栓連接，其中閃光對(duì)接焊、釬焊、攪拌摩擦焊等焊接連接可以有效避開(kāi)鋁表面氧化膜的問(wèn)題，而螺栓連接則需要慎重考慮鋁表面氧化膜帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

銅和鋁的焊接需要考慮以下幾點(diǎn)問(wèn)題。

1)銅鋁的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱性不一樣，焊接時(shí)受熱時(shí)的膨脹量不一樣，如果緩慢加熱，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使膨脹的差異更大，因此，在焊接時(shí)需注意控制焊接面的受熱情況及焊接時(shí)間。

2)異種金屬材料復(fù)合焊接獲得的焊接接頭脆性較大，根據(jù)圖2的銅鋁二元相圖可知，銅鋁融化焊接的過(guò)程中容易生成脆性相。這是因?yàn)樵谶B接處易生成銅、鋁間化合物，其主要成分為鋁化銅，即在銅鋁焊縫處有脆性化合物生成，易導(dǎo)致焊接頭的強(qiáng)度降低。

3)銅鋁的熔點(diǎn)相差較大，相差約400℃，焊接時(shí)容易出現(xiàn)鋁已熔化但銅未焊透，需要調(diào)試出適當(dāng)?shù)墓に嚒?/p>