1 Những khó khăn kỹ thuật trong việc kết nối các thiết bị đầu cuối đồng và dây nhôm
1.1 Có một màng oxit trên bề mặt của dây dẫn nhôm
Có một mối quan hệ mạnh mẽ giữa dây dẫn nhôm và oxy. Ngay cả ở nhiệt độ phòng, oxit nhôm dày đặc (Al2O3) sẽ được hình thành trên bề mặt tại thời điểm tiếp xúc với không khí. Màng oxit này chỉ dày 2nm, nhưng nó được kết hợp chặt chẽ với bề mặt của chất nền nhôm. So với dây dẫn đồng, mặc dù màng oxit trên dây dẫn nhôm ngăn oxy khuếch tán vào nó, nó cũng đóng một vai trò tốt trong việc bảo vệ chống ăn mòn trong khí quyển. Nhưng hiệu ứng cách nhiệt tốt của nó ngăn chặn các electron di chuyển từ một dây dẫn chất nền nhôm sang một dây dẫn chất nền nhôm khác, nghĩa là các electron chỉ có thể di chuyển trong thân chất nền nhôm.
Bởi vì tính năng này, sau khi loại bỏ vỏ cách điện ở cuối dây nhôm, một màng oxit được hình thành trên bề mặt của dây dẫn nhôm tiếp xúc với không khí. Như thể hiện trong Hình 1, các electron trong dây dẫn nhôm chỉ có thể di chuyển trong một dây nhôm duy nhất, nhưng không thể di chuyển giữa dây nhôm và dây nhôm. Nếu có một hiện tượng dây bị hỏng một phần trong một bó dây lõi nhôm, sau đó chuyển động điện tử trong các dây bị hỏng sẽ bị chặn. So với dây nhôm trước khi dây bị hỏng, giá trị kháng sẽ tăng lên và độ dẫn điện sẽ giảm.
Ngược lại, bề mặt của dây dẫn chất nền đồng không nhanh chóng tạo thành một màng oxit dày đặc trong không khí, vì vậy ngay cả khi dây bị hỏng, các electron trong dây bị hỏng vẫn có thể di chuyển về phía trước thông qua các dây đồng khác. Do đó, từ quan điểm định tính, khi một tỷ lệ nhất định các dây bị hỏng xảy ra trong dây đồng, mặc dù độ dẫn điện giảm, nó vẫn có thể đáp ứng các yêu cầu sử dụng.
1.2 Ăn mòn điện hóa tồn tại trong các bộ phận tiếp xúc của dây dẫn đồng và nhôm
Hình 2 cho thấy trình tự tiềm năng điện hóa của các vật liệu kim loại khác nhau trong nước biển. Có thể thấy rằng có một sự khác biệt tiềm năng hóa học giữa kim loại đồng và kim loại nhôm trong nước biển. Khi hai kim loại này tồn tại trong một chất điện phân cùng một lúc, một tế bào mạ kẽm được hình thành, và một phản ứng điện hóa xảy ra. Các nguyên tử nhôm trong vật liệu nhôm tiềm năng thấp sẽ rời khỏi mạng tinh thể và mất electron, tạo thành các ion ngậm nước. Dây dẫn nhôm đã ở trong môi trường này trong một thời gian dài sẽ dần dần được ăn đi. Hiện tượng này được gọi là ăn mòn điện hóa.
Khi độ ẩm trong không khí cao hoặc chứa các tạp chất muối, một môi trường điện giải lý tưởng sẽ được hình thành. Phần mà thiết bị đầu cuối đồng và dây nhôm tiếp xúc trực tiếp sẽ tạo thành một pin chính với nhôm là điện cực âm và đồng là điện cực dương. Như thể hiện trong Hình 3, nếu phần kết nối không được xử lý đúng cách, sự ăn mòn điện hóa nghiêm trọng sẽ xảy ra, và các tính chất điện và cơ học của kết nối đồng-nhôm sẽ bị mất.
1.3 Các tính chất điện và sức mạnh cơ học của dây nhôm yếu hơn dây đồng
Trong điều kiện đường kính dây tương tự, độ dẫn điện của dây nhôm yếu hơn so với dây đồng. Do đó, dây nhôm có đường kính lớn hơn dây đồng phải được sử dụng để giảm sức đề kháng của nó để đạt được hiệu suất điện tương đương của dây đồng.
Ngoài ra, độ bền kéo, độ cứng và các tính chất cơ học khác của dây dẫn nhôm yếu hơn dây dẫn đồng, vì vậy chúng không thích hợp để chế biến thành các thiết bị đầu cuối bằng nhôm để kết nối với các bộ phận khác trên xe. Thiết bị đầu cuối đồng chỉ có thể được xem xét để kết nối với dây nhôm, nhưng các bộ phận kết nối dễ dàng thiệt hại cơ học hoặc thiệt hại mệt mỏi xảy ra, vì vậy các biện pháp bảo vệ tương ứng phải được thực hiện trong quá trình ứng dụng.
2 Cơ sở phán quyết cho dây nhôm hàn và thiết bị đầu cuối đồng
2. 1 Đảm bảo hiệu suất điện tốt của phần hàn
2.1.1 Đảm bảo rằng kích thước dây nhôm được chọn tương đương với dây đồng
Hiện nay, tiêu chuẩn dây đồng thường được sử dụng trong ngành là ISO6722-1 [1], và tiêu chuẩn dây nhôm là ISO 6722-2 [2]. Việc thay thế tương đương của dây nhôm phải xem xét các đặc tính của độ dẫn điện tương tự, công suất mang dòng điện, đường cong derating và các đặc điểm khác của dây đồng thay thế, để thay thế vật liệu dẫn và duy trì chiến lược bảo vệ mạch ban đầu.
Bảng 1 liệt kê bảng so sánh các thông số kỹ thuật dây nhôm và dây đồng có thể được xem xét để thay thế tương đương. Bảng này có thể được sử dụng như một tài liệu tham khảo để thay thế tương đương dây đồng-nhôm, và xác minh thêm và xác nhận được yêu cầu trong các ứng dụng cụ thể.
2.1.2 Sự chuyển động tự do của các electron giữa các dây nhôm được thực hiện bằng cách hàn siêu âm
Hàn siêu âm sử dụng sóng rung tần số cao được truyền đến bề mặt của hai đối tượng được hàn. Dưới áp lực, bề mặt của hai vật thể được cọ xát với nhau để tạo thành một phản ứng tổng hợp giữa các lớp phân tử (xem Hình 4).
Thông qua phương pháp này, màng oxit trên bề mặt của dây nhôm có thể bị phá hủy hiệu quả, và chuyển động tự do của các electron giữa các dây dẫn nhôm khác nhau có thể được thực hiện (xem Hình 5).
Thông qua phương pháp tương tự, cũng có thể đạt được sự hợp nhất cấp độ phân tử giữa chất nền đồng của thiết bị đầu cuối và chất nền nhôm của dây, để đạt được hiệu suất điện tốt. Việc đánh giá hiệu suất hàn siêu âm trong lĩnh vực khai thác dây điện ô tô thường sử dụng tiêu chuẩn USCar38-2016 [3]. Trong phiên bản này của tiêu chuẩn, các tiêu chí đánh giá cho việc hàn các thiết bị đầu cuối đồng và dây nhôm đã được đưa ra. Các phương pháp đánh giá và tiêu chí cho độ dẫn điện cũng giống như các phương pháp đánh giá cho các thiết bị đầu cuối đồng và dây đồng.
2.2 Đảm bảo tính chất cơ học tốt của phần hàn
Việc lắp ráp cáp sẽ được tiếp xúc với nguy cơ bị kéo bởi các lực lượng bên ngoài trong quá trình sử dụng, đặc biệt là đối với cáp pin với mặt cắt ngang lớn. Ngoại lực thường tác động trực tiếp trên một cáp duy nhất. Đối với các mạch điện sử dụng dây nhôm, cường độ cơ học tương đối yếu là gần khu vực kết nối hàn. Ví dụ, trong quá trình lắp ráp dây pin, khi lắp đặt bất tiện, người vận hành sẽ kéo dây để tạo ra một lực kéo thẳng dọc theo hướng của dây, hoặc áp dụng một lực rách vuông góc với bề mặt hàn vào dây. Do đó, khi thiết kế cấu trúc thiết bị đầu cuối, cần phải xem xét các biện pháp bảo vệ đầy đủ để chống lại lực kéo thẳng và lực rách.
Tiêu chuẩn USCar38 [3] đã quy định giới hạn thấp hơn của sức kéo phải đạt được khi các thông số kỹ thuật khác nhau của dây nhôm được kết nối với các thiết bị đầu cuối đồng. Đối với dây nhôm có đường kính dây lớn (≥10 mm 2), tiêu chuẩn USCar38 [3] không xác định rõ giới hạn thấp hơn của cường độ vỏ và kỹ sư của nhà sản xuất thường đưa ra giới hạn thấp hơn được đề xuất.
2. 3 Đảm bảo khả năng chống ăn mòn điện hóa tốt của các bộ phận hàn
Để ngăn chặn sự ăn mòn điện hóa của phần hàn của thiết bị đầu cuối đồng và dây nhôm, điều quan trọng là để cô lập phần kết nối từ môi trường ẩm ướt hoặc muối. Có hai phương pháp niêm phong hàn siêu âm thường được sử dụng: niêm phong ống co lại hai bức tường (Hình 6) và niêm phong chất kết dính nóng chảy (Hình 7). Hai phương pháp này có thể đáp ứng các yêu cầu của đặc điểm kỹ thuật trong thử nghiệm xác minh môi trường cuối cùng, nhưng xem xét các yêu cầu tính lưu loát của keo trong khoang phun trong quá trình kết dính nóng chảy, độ dày tường của chất kết dính nóng chảy phải được duy trì ít nhất 2,5 ~ 3mm. Kết quả là, khối lượng của phần kết nối thiết bị đầu cuối sau khi xử lý niêm phong là tương đối lớn, và nó không thể được sử dụng trong không gian hẹp của môi trường tải. Độ dày tường của ống co lại nhiệt hai bức tường sau khi xử lý thu hẹp nhiệt là 1 ~ 1,5 mm, vì vậy việc niêm phong ống co lại nhiệt hai bức tường có nhiều ứng dụng hơn.
Ống co lại nhiệt hai bức tường thường được gọi là ống co lại nhiệt dán. Nó được làm nóng bởi nhiệt độ cao và các bức tường bên ngoài co lại, và keo rắn trên tường bên trong tan chảy thành keo lỏng.
Ống co lại nhiệt hai bức tường thường được gọi là ống co lại nhiệt dán. Nó được làm nóng bởi nhiệt độ cao và các bức tường bên ngoài co lại, và keo rắn trên tường bên trong tan chảy thành keo lỏng. Sau khi dòng chảy đầy đủ, nó bao gồm phần kết nối thiết bị đầu cuối và bề mặt của da cách điện dây, và nó được niêm phong sau khi làm mát và hiệu quả bảo dưỡng. Hiệu quả niêm phong của phần kết nối có thể được đánh giá bằng thử nghiệm phun muối. Các tiêu chí đánh giá có thể tham khảo GMW3191 [4].
2. 4 Đảm bảo khả năng sản xuất tốt của các bộ phận hàn
Hàn siêu âm là chuyển động tương đối qua lại tốc độ cao của hai bề mặt vật liệu ở một áp suất và tần số nhất định. Chuyển động ma sát làm cho hai bề mặt tan chảy ở nhiệt độ cao và tạo thành một phản ứng tổng hợp lớp phân tử. Thông thường các thiết bị đầu cuối được cố định trên các thiết bị hàn, và dây làm cho chuyển động qua lại tần số cao so với các thiết bị đầu cuối cố định. Do đó, thiết bị đầu cuối cần phải có một cấu trúc đáng tin cậy để sửa chữa. Chất lượng của hiệu ứng hàn cũng có thể được kiểm tra và đánh giá bởi các yêu cầu lực kéo thẳng được quy định bởi tiêu chuẩn USCar38 [1] và các yêu cầu lực rách được khuyến nghị bởi khách hàng.