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锂电池组组装对导电连接镍片的应用分析

浏览:1083 发表时间:2018-10-24 13:47:21

贤阳汇聚金属科技有限公司专业生产高品质纯镍带镍片、汇流排、汇流片、铜带铝带软连接、铜镍复合带及各类电池连接片,并提供模具设计到生产制造一体化全套解决方案


现代电力电子科技的发展应用和普及,使可充电池特别是锂电池被大量使用到各种电力、电动、电子产品中,而这些产品使用的几乎都是由单体电池组成的电池组,因此我们需要把单体电池连接实际需要的电压、容量等通过并联或串联、或串并联方式组装连接成电池组,而要实现电池组的连接组装,导电连接片的作用不容忽视,其导电能力(电阻大小)、焊接性能抗拉强度价格高低等左右着使用者的选择。因此,为使选用SUNKKO点焊机的用户对选择导电连接片有一定的认识。同时使已拥有或将购买SUNKKO点焊机的用户能得心应手地生产组装出质量可靠,性能优良的电池组,SUNKKO工程师特此撰写导电连接片的选用指南为用户参考,以帮助各用户识别连接片及合理选用。

一、常见导电片金属材质理论电阻率(ρ)及金属片电阻的计算

    铜的电阻率:1.694uΩ.cm  纯镍的电阻率:6.9 uΩ.cm  纯铁的电阻率:9.78 uΩ.cm  铝镍合金电阻率:1.6~3.6 uΩ.cm根据R=ρL/S  即电阻=电阻×长度÷截面积,可以算出各种导电连接片的电阻值,而再根据要通过电流的大小情况。机械抗拉力度这两方面因素来选择合适的连接导电片。当然,成本因素也是需要考虑的。上述公式中,R的单位为Ω;ρ是电阻率;L是长度米;S是导体截面积mm²。(1Ω=1000mΩ 1mΩ=1000MΩ)

结论:金属的导电能力与其电阻率成反比,电阻率和电阻越大则导电能力越差。并且,金属材料因其纯度不同会使其实际电阻比理论计算值增大,而导电能力是连接片的关键因素。

金属片实际电阻的仪器测量:

    测量金属片材特别是长度较短的片材,因其电阻值很小,故并不能采用简单的万用表电阻档作测量,而只能使用精密数字电桥或精密数字微欧电阻表,例如采用微欧电阻表测量金属连接片电阻就非常方便。SUNKKO TR-1精密微欧电阻表,仪器最高分辩率为1微欧(0.000001Ω),测量范围涵括所有规格尺寸的导电连接片。当然,用户亦可使用现成的4位高精度万用表的电阻欧姆档(200Ω档),利用该档的最高分辩率为0.01Ω(10mΩ),然后选取较长一段(1~2m或更长)连接片进行测量电阻值。但此方法的准确度很低,作为比较多种不同材质连接片电阻尚可。

、几种常见的导电连接片的比较

   连接片尺寸:0.1x5x100mm   (测试仪表为SUNKKO TR-1 精密微欧电阻表)

类型

导电性能/

电阻

焊点

可靠性

硬度

韧性

抗拉强度

焊接

容易度

价格

普遍用途

铜连接片

(铜镀镍片)

良好,约为

 4.2 mΩ

较高

较软

最好

较高

难焊

140~160元

/KG

超大电流高

要求场合

纯镍连接片

一般,约

16mΩ

较软

最好

较高

易焊

220~260

/KG

大电流较高

要求场合

镀镍连接片

较差,

约25mΩ

较差

较硬

低 容易

断裂

较难焊

(比纯镍难焊)

48~55

/KG

小电流及经

济性产品

铝镍合金片

较好,

3.2~7.2 mΩ

一般

较软

较高

较难焊

350~380

/KG

聚合物电

芯专用

不锈钢连接片

差,

200

良好

较硬

最好

最高

易焊

35~50

/KG

小电流及低

要求产品

注:上述表中的导电性能是以厚0.1×宽5mm×100mm(长度)计算出来,当改为厚0.2×宽5mm×100mm或厚0.1×宽10mm×长100mm时,其电阻数值为上表数值的1/2倍。

小结:导电连接片电阻越大,则连接片产生的线损耗越大,电池的最大输出容量会减少,甚至会在电池组工作时发热而降低产品安全性。

连接片选择的理论计算

  当该0.1x5x100mm长的连接片流过5A和10A电流时,其产生的电压降落分别是下表:

导电片类型

电阻值

5A电流压降

10A电流压降

并联使用损耗

串联使用损耗

铜连接片

4.2mΩ

0.21V

0.42V

很小

N个串联损耗

纯镍连接片

16mΩ

0.8V

1.6 V

较小

N个串联损耗

镀镍连接片

25mΩ

1.25V

2.5 V

N个串联损耗

铝镍合金片

3.2~7.2mΩ

0.16~0.36 V

0.32~0.72V

很小

N个串联损耗

不锈钢连接片

200mΩ

1V

2V

较大

N个串联损耗

    例:36V/10AH电动车电池组,若串联连接采用镀镍铁片0.15x8mmx3cm共10片串联连接,导电片总共电阻值约为45mΩ,当电池组工作时若以10A放电电流计算,可推算出总压降线损约为0.45V,该压降值占总电压值的约1%,此选择较为合理。不过,上述计算出的损耗并未包含各分组电池并联焊片的损耗,故实际全组总损耗比上述的数值大出约1~1.5倍左右。

    同时上述假设是从平均电流值为基础的,而实际上电池在相当多场合应用时,其流出的峰值电流往往是平均值的几倍,甚至十倍以上,因此考虑损耗和瞬间压降时要重视,否则会对产品的启动造成不良影响。从上表可知,并联连接时可以选择较小截面尺寸的连接片,而当串联连接时就必须选择较大截面尺寸的连接片。

五、聚合物电芯对连接片的材质要求:

    聚合物电芯其电极引出材质由电池类型及其技术工艺决定,电芯负极为纯镍引出,电芯正极为铝片引出,负极纯镍片可与纯镍、镀镍材质连接片焊接,但正极引出的铝片是无法与纯镍或镀镍片焊接,而必须采用铝镍复合连接片才能焊接,并且在点焊时必须分清复合连接片铝质那面要与电芯正极铝片相对才能焊接,此焊接工艺也简称为聚合物电芯正极铝转镍工艺。SUNKKO-70C 脉冲对焊笔,专门为聚合物电池正极片铝转镍工艺而特制,配合SUNKKO 709719精密焊机能完成铝极片的转镍焊接工作。

六、导电连接片时(厚度及宽度)的选择

   1、选择连接片尺寸(厚度及宽度)的依据有两个:A、流过连接片电流大小,通常以电池在产品工作中的最大输出放电电流而定。例如:在移动电源(充电宝)中,电池最大输出电流在3~4安倍左右;在电动自行车(10AH电池组)中,电池最大输出电流在7~8安倍(车启动电池约在20~30安倍间);在电动工具动力电池组中,电池最大输出电流在10~15安倍左右;B、导电连接片的使用长度,通常以该段导电片通过电流后产生的电压降落(线损耗)低于电池组总电压的1%~1.5%来确定宽度,简单来说就是长度越长则选宽度大的尺寸,通过加宽来降低连接片的“线损耗”。例如:在电动车电池组中,两组近邻电池串联用的短连接片可以用0.2x6mm的连接片,但较远距离的电池串联和电池组终端输出较长的连接片,就需要用0.2x10mm的连接片。

 

 

2、根据电流确定镀镍钢带尺寸,如下表;

电流

长度

    0~5cm

   5~7.5cm

    7.5~10cm

    10~15cm

   5A以下

     0.1x3mm

     0.1x5mm

   0.1x8mm

   0.15x8mm

    5~10A

     0.1x8mm

    0.15x8mm

    0.2x7mm

    0.2x8mm

    10~15A

     0.2x7mm

     0.2x8mm

    0.2x9mm

    0.2x10mm

    15~20A

     0.2x9mm

    0.2x10mm

    0.25x10mm

    0.3x10mm

3、根据电流确定镀镍尺寸,如下表;(焊接测试样机使用SUNKKO 709AD)


  电流          长度

电流

长度

0~5cm

5~7.5cm

7.5~10cm

10~15cm

5A以下

0.1x2mm

0.1x4mm

0.1x6mm

0.1x9mm

5~10A

0.1x6mm

0.1x8mm

0.15x5mm

0.15x7mm

10~15A

0.15x5mm

0.15x6mm

0.15x8mm

0.2x7mm

15~20A

0.15x8mm

0.2x7mm

0.2x9mm

0.25x9mm

4、根据电池使用产品场合的粗略选择,如下表:

产品

导电片材料

镀镍铜片

纯镍

  镀镍铁片

建议材质选择

脉冲焊接个数

充电宝

0.05x2mm

0.1x3mm

   0.1x4mm

   镀镍铁片

    单脉冲

手电照明类

0.03x2nn

0.1x2mm

   0.1x3mm

   镀镍铁片

    单脉冲

电动自行车

0.10x4mm

0.15x8mm

   0.2x8mm

  纯镍/镀镍铁

    双脉冲

电动手衡车

0.10x3mm

0.15x6mm

   0.15x8mm

  纯镍/镀镍铁

    双脉冲

电动工具

0.1x3mm

0.2x8mm

   0.25x9mm

  纯镍/镀镍铁

    双脉冲

笔记本电池组

0.05x2.5mm

0.7x4mm

   0.1x6mm

  纯镍/镀镍铁

    双脉冲

自动应急电源

0.15x8mm

0.2x8mm

   0.25x8mm

  镀镍铁

    双脉冲

无人飞机

0.1x8mm

0.25x10mm

   0.3x10mm

  纯镍/镀镍铜

    脉冲群

七、导电连接片焊接组合效果分析

    选择好导电连接片后,需要解决的重要步骤是把电池单体与连接片可靠地焊接起来,而实际焊接效果与A:脉冲焊接功率;B:焊接压力;C:脉冲个数;D:电池及焊片可焊性 这四个主要因素有关。上述四个因素除去最后一个可焊性因素后,余下的三个因素皆为焊接设备因素;因此,采用脉冲功率余量较大同时具备宽范围功率参数调节的焊机;焊机具备焊针压力调节器的;焊机焊接脉冲个数可调的(从单个~群脉冲)这样的精密脉冲焊接设备。目前市面上具备上述功能产品只有SUNKKO 788H709719797的型号。下面,我们对不同电池极片+连接片组合作焊接效果分析。

组合①、采用纯镍片与优质电池极片(镍基不锈钢引出极)的点焊连接效果通常较为良好,原因是焊片与工件的焊接共熔特性一致,点焊时容易金属同质共熔,熔池均匀,这是焊点可靠性最高的。

组合②、采用纯镍片与低质电池极片(铁镀镍材料极)的点焊连接效果会差一些,原因是焊片与工件的焊接共熔特性不一致,点焊时造成非同质共熔导致熔池(熔点)合金晶体的形成这样的熔点会变硬和脆裂,难以经受较高的抗拉和抗震作用,这种情况下需要高功率双脉冲焊接设备(例如SUNKKO 788H或709AD)来解决部分不足。

组合③、采用镀镍铁片与低质电池极片(铁镀镍材料极)的点焊连接效果最差,原因是焊片与工件的焊接时,由于双方基材实际都是软铁片。当点焊时出现的瞬间高温使连接片和电池极片迅速下陷变形,导致焊片与工件间压力即时降低,未能形成良好共熔的效果,焊点很容易出现虚焊,这需要选用带焊针压力调节的焊机解决。(SUNKKO “7”系列焊机均具备专业机所配置的焊针压力调节器)

八、镀镍铁片连接片的使用及焊接技巧、存放要求:

A、铁镍片的使用和焊接技巧

    镀镍铁片作为替代纯镍连接片,其具有价格低廉,采购方便等特点。铁镍片电阻偏高问题可选用增大截面积(即加宽或加厚)来补偿。但是,铁镍片另一缺点是焊点容易变脆。从而影响施焊后的连接抗拉强度,这是值得重视的。发生焊点变脆的根本原因之一在于铁片中杂质较多,如碳、氢等容易与铁生成化合物使铁片变硬变脆;原因之二是铁片在快速升降温的焊接中等同钢铁热处理“淬火”一样,点焊后往往使焊点周边变硬变脆。要解决焊后变脆问题,在选用脉冲焊机及焊接工艺上可采用一些技巧:

①选购铁镍连接片时要选择最软的。因为越软的铁片其铁内杂质越少,焊点变硬情况会不那么严重。所以软镀镍铁片要比硬镀镍钢带质量好。

②选用带双脉冲或脉冲群功能的点焊机。如SUNKKO 788H、709、719等型号。因为双脉冲或多脉冲(群)能通过延长焊接能量时间来缓冲焊点温度的下降时间。从而达到减慢“淬火”速度,使焊点变脆得到控制。

③点焊时保持一定的焊针压力和施压时间,在焊机放电后依然保持约0.5S才放开,以减少焊点部分的应力急剧下降。

④注意不要用较尖的焊针,即应让焊针尖有一定直径。如0.6~0.8mm(可使用SUNKKO S-30电动磨针机对焊针尖进行研磨修理至合适直径),较大的焊点直径可降低局部变硬程度。

⑤为预防有可能出现的焊点脱裂,可以采用增加焊点作加强施焊。

B、铁镍片的存放注意:

    由于铁的化学活泼性比镍要强得多,故为防止铁片氧化生锈才在其表面作镀镍作防护处理,但工厂在生产镀铁连接片时,一般都是一整卷宽幅电镀,镀后再根据用户尺寸需求来分条至窄带卷料,分条切口(卷料两侧)就不会有镍层防锈。当接触到潮湿空气或手汗污染后就很快生锈。所以在运输或存放过程中应注意防潮,使用时尽量带手套再触摸片材,同时应尽快焊完。

 

 、综合意见:

①组装的电池组输出电流超过10A和工作时电池组震动的,如电动车、电动工具,建议采用镀镍铜片纯镍导电片;

②当组装高电压的串联电池组时,建议采用纯镍或较厚(0.2~0.3mm)优质镀镍铁导电片

③当组装要求不高的并联产品电池组,如移动电源时,建议采用低成本的优质软铁镀镍片;

④当组装聚合物原始电芯时,其正极须使用铝镍复合导电片作铝-镍转换工艺。厚度根据电池正极片厚度而定;

⑤当使用国产低端电芯(18650),应使用优质导电片配合高功率双脉冲点焊机。例如SUNKKO 788H709719型号焊机。

电池组由于供电电路异常而导致的超大电流,如负载具有高信率起动电流而电池保护板过电流保护又未到保护值时,为防止大电流流过导电连接片发热甚至起火,在选择导电连接片时一般适宜用厚度0.15mm以上或宽度在8mm~10mm以上的,以策安全。

⑦组装并串联电池时,必须把并连接片与串联连接片分别选择。例如:串联片的截面尺寸应该是并联片截面尺寸的N倍,N为电池串联组数。

⑧当出现上述第五条第③点的镀镍贴片与质量差的镀镍电池极片难以焊牢或焊牢后容易扯掉(抗拉强度差)情况时。建议选用0.15mm以下厚度,但足够宽度(6~10mm)的连接片,同时点焊前应把焊针研磨较尖(0.6~0.8mm),适当地把针压力调到300~450g之间,焊接模式选用双脉冲能量,放电功率的数调到40~60之间试焊接,应能获得较好焊接效果。目前在低端电池组的组装中大量出现上述的难以焊牢或抗拉力差情况,而除了选好连接片质量厂家时,更要脉冲焊机优异性能的保证。本公司的“7”系列精密脉冲焊机均能很好地解决上述焊接问题。

当用户自己由于经验不足或实验条件不具备时,对所选择的连接片不确定或未能获得良好焊接效果的SUNKKO的工程人员可为阁下提供技术支持服务。直到客户目的达到为止。

⑩建议选购本公司代理的国产优质导电连接片,质量保证而价格低廉,我们的目的只是配套用户,使用户获得良好的产品组装质量。绝非赚钱,更绝非劣质,我们接受用户对此产品的考验。

十、如何用简易快速办法分辨纯镍和镀镍铜片、镀镍铁片?

   由于金属镍属于较贵金属材料,而金属镍同样属于铁磁材料类型,纯镍和镀镍铁片同样吸引磁铁,故不能采用磁铁来分辨纯镍和镀镍铁。故市场上较多商户为赚取高额利润而往往用镀镍铁片来蒙骗不明白用户,导致用户损失严重,以下方法能基本粗略为客户分辨连接片的材质。

1、色泽辨别法:用较锋利刀片在连接片上刮削约5~8下,观察连接片被刮削表面颜色。若显现金黄或金红色的,该连接片为镀镍铜片。

2、比重法:同尺寸体积情况下,纯镍连接片与镀镍铁连接片约是1.15倍。即镍比镀镍铁重,用电子称容量分辨。

3、化学辨别法:取玻璃茶杯一只,放半茶匙精食盐后倒入温水开成盐水,把连接片剪开几片后放入,静置四-五小时观察盐水颜色。变浅绿色的为镀镍铜片;变黄色的为镀镍铁片;不变色的或微变黄色的为纯镍片(纯镍片因不同纯度等级而少量含铁等杂质)

4、电阻测量法:取数米长(以万用表电阻档能测出电阻值为参考)采用4位数字万用表(能最小分辨0.01Ω),测量该段连接片的电阻值,比较相同厚度、宽度和长度而不同种类之连接片,电阻值最小的为纯镍片,电阻值大的为镀镍片。镀镍铁片与纯镍片的电阻值倍数约为1.4倍。

5、目测分辨法:纯镍片制造过程无须电镀,因此其表面较为平整光滑,但色泽稍偏暗哑;而镀镍片经电镀工艺,其表面呈现微砂纹,同时有较闪亮的银白色泽。。



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