動(dòng)力電池PACK焊接性能研究

杜獲

(合肥國(guó)軒高科動(dòng)力能源股份公司,安徽合肥 235000)

動(dòng)力電池PACK焊接性能研究

杜獲

(合肥國(guó)軒高科動(dòng)力能源股份公司,安徽合肥 235000)

本文研究了鍍錫銅極片與鎳端子的可焊接性,并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試,此方案表現(xiàn)出優(yōu)良的可焊接性、抗拉強(qiáng)度性能,樣件焊接溫升、內(nèi)阻較低,滿足高的過電流要求,是一種高效的電池PACK焊接工藝。

鋰電池 PACK 點(diǎn)焊 電動(dòng)汽車

The welding performance of tinned copper and nickel, which are used as cell connector and terminal respectively, were researched. This welding solution shows excellent welding ability and tensile strength, the increase of internal temperature caused by welding was lower. The sample also shows lower resistance which is suitable for rigorous requirement on current.

Lithium Battery PACK Spot Welding Electric Vehicle

1 引言

隨著國(guó)際能源供應(yīng)的持續(xù)緊張及全球環(huán)境變暖、大氣污染的不斷加重，作為CO2排放及化石燃料消耗“大戶”的傳統(tǒng)燃油汽車逐步被綠色環(huán)保的新能源汽車取代成為一大趨勢(shì)[1-3]。在此背景下，我國(guó)也大力發(fā)展新能源汽車特別是純電動(dòng)汽車，這不僅有利于降低對(duì)石油的依賴、保障我國(guó)能源安全，也利于我國(guó)的環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)實(shí)現(xiàn)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展[4-7]。

作為新興產(chǎn)業(yè)的純電動(dòng)汽車有廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)值得注意的是純電動(dòng)汽車是一個(gè)多領(lǐng)域跨學(xué)科的產(chǎn)業(yè)，僅技術(shù)領(lǐng)域就仍有諸多難點(diǎn)、瓶頸需要去研究突破。材料研發(fā)領(lǐng)域諸如提升電池能量密度及高壓電解液研制[8]等；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面需要對(duì)電池PACK成組設(shè)計(jì)、工藝等深入的研究[9，10]。目前，鋰電池PACK正不斷向大容量、快速充電、長(zhǎng)壽命和高安全性方向發(fā)展，對(duì)其制造過程中的焊接技術(shù)也提出了新的要求。主要問題是要針對(duì)電池裝配與焊接過程的較高精度要求，解決不同材料、尺寸的連接片焊接問題，同時(shí)，還要滿足快速、大批量和牢固焊接，這樣才能應(yīng)用于企業(yè)的批量生產(chǎn)。針對(duì)電池PACK中的焊接工藝，本文對(duì)鍍錫銅-鎳材料的點(diǎn)焊效果進(jìn)行了研究，并與公司現(xiàn)有銅-銅焊接工藝進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了更改方案的可靠性及性能穩(wěn)定性。

2 實(shí)驗(yàn)方法

本文采用本公司交流點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行相關(guān)焊接操作，所用極片的規(guī)格為40*10*0．35(mm)，材料分別為鍍錫銅、紫銅；所用端子為公司現(xiàn)有規(guī)格，厚度為1mm，材料分別為鎳、紫銅。首先對(duì)樣品進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試要求速度為50mm/min，焊接樣品內(nèi)阻測(cè)試采用HIOKI3554型內(nèi)阻測(cè)試儀進(jìn)行，溫度測(cè)試采用的是HUATO的HE804測(cè)溫儀，利用GP/YWP 60型鹽霧試驗(yàn)箱對(duì)樣件進(jìn)行了鹽霧測(cè)試，其中NaCl濃度為5%，試驗(yàn)箱溫度為50℃，飽和桶溫度為47℃，測(cè)試濕度＞85%，測(cè)試時(shí)間為30小時(shí)。最后對(duì)樣件進(jìn)行了過電流性能測(cè)試，測(cè)試設(shè)備為Neware CT-3008W-5V100A-TF型充放電測(cè)試柜，測(cè)試時(shí)給樣件加50Amp電流持續(xù)通電，通電時(shí)間為200S。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1給出了公司現(xiàn)有工藝紫銅—紫銅方案(左)與鍍錫銅—鎳方案(右)的焊接對(duì)比圖。如圖所示，兩方案均能實(shí)現(xiàn)有效的焊接效果。但是由于紫銅-紫銅焊接時(shí)需要進(jìn)行打磨端子去除氧化等另行處理，工序較多且要投入更多的人工、工時(shí)；而鍍錫銅-鎳焊接無需相關(guān)操作，有效的降低了人力成本投入，降低了環(huán)境及噪聲污染，是一種有效的焊接工藝。

表1 紫銅—紫銅、鍍錫銅—鎳方案抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表2 焊接溫升表

表3 紫銅-紫銅、鍍錫銅-鎳方案內(nèi)阻測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表4 鍍錫銅—鎳、紫銅—紫銅方案50A連續(xù)過電流溫度變化表

圖1 紫銅—紫銅方案(左)和鍍錫銅—鎳方案(右)焊接圖示

圖2 焊接溫升測(cè)試溫感探頭布置示意圖

圖3 樣件安裝示意圖

為了更好的證實(shí)鍍錫銅-鎳的焊接效果，我們對(duì)樣件進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試時(shí)焊點(diǎn)出現(xiàn)松脫既停止測(cè)試并記錄此時(shí)拉力數(shù)值，兩方案的測(cè)試結(jié)果在表1種給出。從表1中的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果可以看出鍍錫銅—鎳方案抗拉強(qiáng)度均值大于紫銅-紫銅方案，且其穩(wěn)定性好，數(shù)值均大于25kg，鍍錫銅-鎳方案的抗拉強(qiáng)度滿足生產(chǎn)要求。

我們知道點(diǎn)焊是一種接觸性的焊接工藝，是通過高溫使得焊區(qū)材料熔化來實(shí)現(xiàn)有效焊接的。那么熱量就必然的會(huì)通過端子金屬傳入電池內(nèi)部。由于鋰電池內(nèi)部電解液在高溫度下存在分解、產(chǎn)氣的可能，這就對(duì)電池的安全性產(chǎn)生了威脅。所以焊接引起電池內(nèi)部材料的溫升將是一項(xiàng)重要的指標(biāo)。因此，我們2中方案焊接溫升進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試時(shí)，焊接次數(shù)為連續(xù)焊接2次引起的溫升。如圖2所示，溫感探頭黏貼在蓋板內(nèi)側(cè)的銅極耳處，具體的測(cè)試數(shù)據(jù)在表2中列出。

從表2中看出，鍍錫銅—鎳的方案的焊接溫升較低，在安全溫升范圍內(nèi)。而紫銅-紫銅的焊接溫升較高，存在一定的隱患。為了解釋焊接溫升的差異，我們從唯象理論來對(duì)銅—銅方案和鍍錫銅—鎳方案的焊接溫升進(jìn)行分析。從表二我們看出，鍍錫銅—鎳方案所需的焊接電流較小，同時(shí)焊接時(shí)間較紫銅—紫銅方案少一個(gè)周波，依據(jù)Q=UIt，鍍錫銅-鎳方案所吸收的熱量相對(duì)較少。銅的導(dǎo)熱率為401W/(m*K)，而鎳的導(dǎo)熱率為91W/(m*K)，考慮到空氣的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0．024W/(m*K)，并且兩方案通電過程中均處在相同的環(huán)境中，可以認(rèn)為兩者對(duì)空氣的熱傳導(dǎo)基本相同。那么由于銅較高的導(dǎo)熱率，熱量會(huì)更快的分布于紫銅-紫銅樣件中，使得蓋板內(nèi)部同樣散布了較多熱量；而鍍鎳銅-鎳樣件熱量在鎳中傳導(dǎo)的變慢，降低對(duì)電芯內(nèi)部的熱擴(kuò)散。最終使得鍍錫銅—鎳方案的內(nèi)部溫升較低。因此，通過溫升測(cè)試結(jié)果看，鍍錫銅—鎳的方案更好的滿足焊接溫升要求。

圖4 鍍錫銅—鎳方案50A連續(xù)過電流溫升圖

圖5 紫銅—紫銅方案50A連續(xù)過電流溫升圖

隨后我們對(duì)兩方案鹽霧測(cè)試前后的內(nèi)阻進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果在表3中給出。

從表3可以得到以下結(jié)論。

(1)兩方案在鹽霧測(cè)試后內(nèi)阻均有小幅的增大，紫銅—紫銅方案內(nèi)阻增加約1%，鍍錫銅—鎳方案內(nèi)阻增大約1．6%。(2)兩方案兩兩相比，無論在鹽霧測(cè)試前還是測(cè)試后，相差極小。鹽霧測(cè)試前，鍍錫銅—鎳方案阻值較紫銅—紫銅阻值增大約0．3%；鹽霧測(cè)試后紫銅—紫銅方案的阻值增大約0．97%。

通過此項(xiàng)測(cè)試可看出，雖然鎳的導(dǎo)電率較銅的導(dǎo)電率低，但實(shí)際方案中鍍錫銅—鎳的內(nèi)阻完全可以和紫銅—紫銅方案的內(nèi)阻相比較，前者代替后者內(nèi)阻變化基本可以忽略。

通過以上諸多測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)無論是焊接內(nèi)阻、焊接溫升還是抗拉強(qiáng)度，鍍錫銅—鎳均表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。但是以上測(cè)試幾乎都是焊接工藝的性能測(cè)試，其實(shí)際利用效果怎樣仍需要進(jìn)行過電流性能的測(cè)試，因此我們對(duì)鍍錫銅-鎳與紫銅-紫銅進(jìn)行了過電流測(cè)試。如圖3所示，在蓋板內(nèi)側(cè)銅極耳處黏貼溫感探頭，連接到Data log讀取實(shí)時(shí)溫度并記錄。圖4給出了鍍錫銅—鎳方案在50A連續(xù)過電流情況下的溫度變化關(guān)系，從圖中可以看出，在整個(gè)測(cè)試過程中，10個(gè)樣品的溫度均為升高的趨勢(shì)，在初始25S內(nèi)溫度變化較快，溫度升高到35℃左右，溫升在7℃左右。在經(jīng)過200S連續(xù)通電后，各個(gè)樣品的溫升

變化差別較大，溫度最高的樣品達(dá)到了54．2℃，溫升達(dá)25℃；溫度最低的樣品溫度為41．7℃，溫升約為13℃。從圖看出，經(jīng)過200S過電流后，樣品的最高溫度在48℃左右變動(dòng)。

圖5顯示的是紫銅—紫銅方案在50A連續(xù)過電流情況下的溫度變化關(guān)系。在整個(gè)測(cè)試過程中，10個(gè)樣品的溫度同樣表現(xiàn)處連續(xù)升高的趨勢(shì)，在初始25S內(nèi)溫度升高到37℃左右，溫升在8℃左右。在經(jīng)過200S連續(xù)通電后，溫度最高的樣品達(dá)到了58．2℃，溫升達(dá)29℃；溫度最低的樣品溫度為46．6℃，溫升約為17℃。同時(shí)樣品的最高溫度在51℃左右變動(dòng)。

為了更好的分析以上兩種方案的過電流性能，將溫度數(shù)據(jù)列入圖表4中。

從表4中看出，鍍錫銅—鎳方案的溫升均低于紫銅—紫銅方案的溫升，經(jīng)過200S50A過電流后，前者溫升比后者約低4℃。考慮到內(nèi)阻測(cè)試中，兩者內(nèi)阻相差無幾，依據(jù)焦耳定律Q=I2Rt，在通電時(shí)間、電流、內(nèi)阻相同的情況下，其產(chǎn)生的熱量是相同的，那么造成溫升差異的就應(yīng)當(dāng)是比熱容的差異造成的。銅的比熱為0．39kJ/(kg*K)，鎳的比熱為0．54kJ/(kg*K)，幾乎為銅的2倍。依據(jù)Q=CM△T，在吸收相同熱量情況下，紫銅將會(huì)升高更高的溫度。因此紫銅—紫銅方案在過電流測(cè)試中內(nèi)部溫升較鍍錫銅—鎳方案的溫升高。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)鍍錫銅-鎳、紫銅-紫銅方案的焊接性能對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)，極片選用鍍錫銅材質(zhì)，端子選用鎳材質(zhì)的方案具有優(yōu)良的可焊接性、抗拉性能，焊接過程中溫升適當(dāng)，內(nèi)阻較低，完全滿足高的過電流要求(50A)。而且此方案去除紫銅-紫銅方案中打磨銅端子帶來的粉塵污染改善了工作環(huán)境(紫銅極易氧化，需要打磨才能焊接)，是一個(gè)有效的PACK焊接工藝。

[1]邵昕.新能源汽車是未來發(fā)展的必由之路[J].汽車工業(yè)研究,2012(3).

[2]劉發(fā)水.中國(guó)汽車消費(fèi)增長(zhǎng)與低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)策戰(zhàn)略[J].商業(yè)經(jīng)濟(jì)研究,2011(16).

[3]羅少文.我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究(碩士論文)[M].復(fù)旦大學(xué),2008.

[4]李眾宜.新能源汽車何時(shí)主宰中國(guó)汽車市場(chǎng)[J].市場(chǎng)研究,2012(8).

[5]霍風(fēng)利.我國(guó)發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的可行性及對(duì)策研究(碩士論文)[M].中國(guó)海洋大學(xué),2010.

[6]黃嘉興.電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑與政策研究(碩士論文)[M].北京交通大學(xué),2010.

[7]劉志業(yè).新能源汽車對(duì)我國(guó)汽車工業(yè)的重要性分析[J].時(shí)代金融,2012(8).

[8]Aurbach D, Gamolsky K, Markovsky B,Salitra G, Gofer Y.The study of surface phenomenarelated to electrochemical lithium intercalation into LixMOy host materials (M=Ni,Mn).J.Electrochem.Soc. 2000, (147) :1322-1331.

[9]孫逢春,王震坡,林程,馬軍.(專利)CN200710145806.X.

[10]王劍,張?zhí)戾?郭秋林.(專利) CN201110309515.6.