超声金属焊接性能表现--机械强度、电阻和温升(下)

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0.3mmALTab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)1.0mmALBusbar(b)1.5mmALBusbar(c)2.0mmALBusbar(d)2.5mmALBusbar(e)1.0mmCuBusbar(f)1.5mmCuBusbar(g)1.5mmCuBusbar(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，0.3mmALTab与1.0mm,1.5mm,2.0mm和2.5mm的ALBusbar焊接后起始电阻分别为0.089mΩ,0.087mΩ,0.080mΩ和0.065mΩ；0.3mmALTab与1.0mm,1.5mm和2.0mmCuBusbar焊接后起始电阻分别为0.084mΩ、0.083mΩ和0.080mΩ。CuBusbar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，0.3mmALTab与1.0mmALBusbar焊接接头在通电过程中电阻增加了0.034mΩ。对应1.5mmALBusbar，电阻增加了0.024mΩ；对应2.0mmALBusbar，电阻增加了0.021mΩ；对应2.5mmALBusbar，电阻增加了0.016mΩ。同样的变化也发生在ALTab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)1.0mmALBusbar(b)1.5mmALBusbar(c)2.0mmALBusbar(d)2.5mmALBusbar(e)1.0mmCuBusbar(f)1.5mmCuBusbar(g)1.5mmCuBusbar(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/CuBusbar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1.5mmALBasbar的接头初始电阻，和焊接到1.0mmCuBasbar的电阻相同(0.057mΩ);
0.3mmCu[Ni]焊接到2.0mmALBasbar的接头初始电阻，和焊接到1.5mmCuBasbar的电阻相同(0.050mΩ)；
0.3mmCu[Ni]焊接到2.5mmALBasbar的接头初始电阻，和焊接到2.0mmCuBasbar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1.0mmALBusbar焊接接头在通电过程中电阻增加了0.013mΩ。对应1.5mmALBusbar，电阻增加了0.010mΩ；对应2.0mmALBusbar，电阻增加了0.006mΩ；对应2.5mmALBusbar，电阻增加了0.005mΩ。
0.3mmCu[Ni]Tab与1.0mmCuBusbar焊接接头在通电过程中电阻增加了0.0089mΩ。对应1.5mmCuBusbar，电阻增加了0.0053mΩ；对应2.0mmCuBusbar，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：0.3mmCu[Ni]Tab的平均电阻值约是对应AlTab0.6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0.3mmALTab和1.0mmALBusbar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，0.3mmALTab和1.5mm、2.0mm和2.5mm厚的ALBusbar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CuBusbar的接头温度要低于采用ALBusbar接头温度。例如，0.3mmALTab和2.0mmALBusbar的焊接头温升67.83℃，要高于0.3mmALTab和2.0mmCuBusbar的焊接头温升50.07℃。图3(a)和(b)表示0.3mmALTab焊接到不同厚度的AL和CuBusbar的温度响应曲线。CuBusbar的温升明显小于AlBusbar温升。因此，当采用ALTab时，CuBusbar的接头热学性能更好。

0.3mmCu[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，0.3mmCu[Ni]Tab和1.0mmALBusbar的焊接头通电60s最大温度66.96℃，明显低于0.3mmAlTab和1.0mmAlBusbar通电温升96.18℃。



图3在250A电流下60s内的温升曲线，(a)0.3mmAlTab焊接到AlBusbar，(b)0.3mmAlTab焊接到CuBusbar，(c)0.3mmCu[Ni]Tab焊接到AlBusbar，(d)0.3mmCu[Ni]Tab焊接到CuBusbar。

图4给出了0.3mmAl/Cu[Ni]Tab和不同厚度的Al/CuBusbar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ALTab的0.6倍。


图40.3mmAl/Cu[Ni]Tab和不同厚度的Al/CuBusbar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CuBusbar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0.3mmAlTab和AlBusbar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0.3mmCu[Ni]Tab和CuBusbar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0.3mmALTab和1.5mmALBusbar的接头电阻变化与0.3mmCu[Ni]Tab和1.0mmCuBusbar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ALTab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。