汽车母线的超声波焊接

尽管电动汽车（EV）背后的技术已经存在了一段时间，但在过去十年中，电动汽车和混合动力电动汽车（HEV）作为私人机动车的销售显着增加。凭借它们提供的好处，电动汽车被许多人视为汽车行业的未来。随着电动汽车和混合动力汽车市场的增长，制造商将寻求技术进步，以提高这些车辆的效率、功率和能力，超声波焊接将在这些技术进步中发挥作用。自20世纪80年代末以来汽车线束制造业一直是超声波焊接的最大用户，主要使用该技术进行电线拼接。然而，该技术的新应用正被用作未来流程的一部分，最终将为汽车制造商提供解决当今电动汽车技术许多缺点的解决方案。

在电动汽车中，组合在密封包装中的大型电池组用于实现为车辆电动机供电所需的工作电压和电流。目前，EV/HEV领域的两个主要问题是储能和行驶里程。OEM正以两种方式解决这些问题：制造更大的电池以实现更大的续航里程，以及制造更强大的电池以加快充电速度。这两种方法都有挑战。是的，电池可以变得更大，但它们只能达到一定的尺寸，才能变得太贵和太重而无法成为可行的解决方案。

传统布线并不是人们通常寻找电动汽车创新的第一个地方，但最近的进步对电动汽车故事产生了重大影响，因为它们为OEM提供了他们在电动汽车架构中迫切需要的两样东西：更少的质量和更多的空间。一种腾出空间并减少质量的方法是从圆形布线转向扁平导体。这就是汇流排的作用。

汇流排源自拉丁文单词“omnibus”，翻译为“所有”（如“特定系统中的所有电流”），汇流排是扁平导体，正在成为电动汽车架构的一部分。母线通常安装在开关设备、配电盘和母线槽外壳内，用于局部大电流配电。它们还用于连接电气开关站的高压设备和电池组的低压设备。母线是由铜、黄铜或铝制成的金属条或棒，用于接地和导电。电气母线可以涂覆各种材料，例如铜，以提供不同的导电极限和变化。母线有多种形状和尺寸，这些形状和尺寸将决定导体在劣化之前能够承载的最大电流量。

如今，一个电池组中有多达20多条母线，随着电池组越来越大和/或越来越强大，这一数量将会增加，而电池组内部的空间仍然非常紧凑。超声波焊接是电动汽车应用中母线的首选连接工艺。但是，由于这些更强大的电池只有其快速充电的能力，我们很快就会看到电池组之外的更多汇流排创新，将高功率从充电入口传输到电池，再传输到其他高功率电机和设备，从而增加了创新超声波焊接应用的需求。

从长远来看，人们认为，对于汽车工业中的部分线束，母线可能比标准电缆更受青睐。电动汽车的日益普及、成本效益、易于安装、汽车母线的维修和服务成本低以及电动汽车充电基础设施的发展是汽车母线需求增长的一些关键因素。此外，电动汽车制造和充电基础设施的技术发展有望惠及全球汽车母线市场。根据市场研究，由于这些因素，预计2030年市场将产生1.7亿美元以上的收入，2021-2030年的复合年增长率为24.6%。

• 降低设施成本，加快安装速度

• 能够轻松快速地添加、移除或重新定位电源，无需停机

• 面向未来且高度灵活，因为某些插件可以在不断电的情况下断开连接和重新连接

• 无需日常维护

• 扩展或改造速度更快、成本更低

• 更环保，因为它通常需要更少的安装材料，并且插入式插座可重复使用且易于重新定位

• 扁平导体占用空间较小，高度缩短70%

• 可以支持比具有相同横截面积的电缆多 15% 的功率
  

• 重量和包装空间更小，灵活性更好。例如，160 mm² 柔性扁平铝 （FF-Al） 电缆是 200 mm² 圆形铝电缆的创新和替代解决方案。

• 使用螺栓进行紧固，这是当今最可靠的工艺，成本更低。但它增加了额外的零件（螺栓）并需要特定的扭矩值

• 高效散热 – 比绞合电缆更有效

• 多种结构 – 铜和铝，刚性或柔性，层压。见图1

• 内部电池无需电磁兼容

• 促进自动化，提高安全性和质量

图1 – 各种母线示例 - 刚性、柔性、定制设计（APTIVE_NA大会演讲)

母线通常由耐腐蚀的铜、黄铜或铝制成，装在实心或空心管中。母线的形状和尺寸，无论是扁平条、实心棒还是棒，由于表面积与横截面积比高，可以实现更有效的散热。

尽管铜会随着时间的推移而氧化，但它仍然具有导电性，但这通常意味着更多的功率可以推动电力沿着表面。虽然它不能完全防止长时间氧化，但它大大降低了影响。涂覆母线表面将有助于防止氧化。母线涂层通常有三个主要用途：

• 抑制腐蚀

• 提高导电性

• 用于美容目的

叠层母线用于避免电力电子电路中并联开关装置中的循环电流。除了在电动汽车中的重要应用外，由于其低电感特性，它在太阳能和风能收集和分配方面也有广泛的应用。一种更有效且成本效益更高的方法是使用绝缘环氧涂层粉末。环氧涂层粉末具有极高的介电强度，可直接与母线铜、铝或镀银层结合。

母线的大小取决于其特殊用途。最常见的商用和工业母线尺寸为40–60安培、100安培、225安培、250安培、400安培和800安培。

汽车应用中使用的母线的当前尺寸为35、50或90 mm²。

母线有铜和铝两种材质。选择材料时考虑的主要区别是：

• 抗拉强度

• 电流载流量
  

• 电阻

• 重量

• 成本

铝母线成本较低，在高湿度条件下工作良好。但铝的电流能力和电阻率比铜低。铜具有优于铝的热特性。

母线制造商可以查看用于 EV/HEV 或其他配电应用的母线的最低要求，详细说明成本和材料选择与性能之间的权衡。当然，对于EV/HEV配电应用，驾驶员安全是一个额外的问题，在选择母线材料时，应尽可能实现最高的可靠性，不仅为了满足车辆保修要求，而且为了驾驶员和乘客的安全。

计算导体尺寸对于母线的电气和机械性能尤为重要。载流要求决定了导体的最小宽度和厚度。机械考虑因素包括刚性、安装孔、连接和其他子系统元素。导体的宽度应至少是导体厚度的三倍。增加凸耳和安装孔会改变导体的横截面积，从而在母线上产生潜在的热点。必须考虑每个片或端接的最大电流以避免热点。

必须考虑的另一个关键区别是实心母线与柔性母线。对于EV电池内的汽车应用，使用实心母线（见图2）。当特定区域需要移动以进行组装或应用时，柔性母线在短段中使用。它用作电气“跳线”。柔性母线的示例如图3所示。

柔性母线有几层薄薄的铜或铝，设计用于在交流或直流系统中有效地分配电力。在装配区域焊接铜箔叠层，使端部刚性连接，而中间保持柔性。需要柔性母线的应用示例包括：

• 电动、混合动力和燃料电池车辆

• 能源和海上行业的开关设备和变压器

• 发电机在船舶工业中的应用

• 变压器和充电站

• 铁路应用、化工厂和高压配电中的开关设备和变电站

• 发电机电源链路

• 开关柜中的电气连接

图 2 - 内部 EV 电池组（APTIVE_NA大会演示文稿)

图 3 – 柔性母线示例

电池组外部的母线创新将是未来的热门话题，将高功率从充电入口传输到电池，再传输到其他高功率电机和设备（见图4）。

所有原始设备制造商和一级供应商对汇流排的兴趣越来越高，主要用于高压应用。如今，电池组大约有15-20条母线。对于包装外，需要一种自动化的屏蔽过程，这在今天是不存在的。目前，重点是电池组。

随着未来的创新提高了电池组外部母线的利用率，这些新应用将为超声波焊接创造重大机会，以提高母线结构中未来连接设计的整体质量。超声波焊接，特别是扭转焊接技术，允许焊接更大尺寸的焊缝，轻微的振动，以及连接更难到达的区域的能力。随着行业的发展，这些功能将允许在电动汽车电池组外进一步实施母线。图5提供了在未来电动汽车应用中如何实施超声波焊接的几个示例。

特斯拉、宝马和福特等公司正在推动电池组外母线的使用。最近，全球技术公司APTIV以约6亿美元的价格收购了意大利公司Intercable，积极寻求利用母线在电池组外进行高功率配电。宝马是其前三大客户之一，显示出强烈的追求这种新的配电方式的迹象。在美国和欧洲，还有少数其他公司正在开发带屏蔽的母线。

图 4 – 带母线的入口线束（APTIVE_NA大会演讲)

图5——电动汽车应用中母线超声波焊接的未来实施

1.电池组外的母线需要屏蔽，这是目前没有的 – 电池组有一个密封和屏蔽电磁干扰的外壳

2.当母线需要在附近弯曲时存在一个问题——它们可能太硬或可能在弯曲的角落损坏

3.螺栓连接过程需要增加零件和特定的扭矩值。带螺栓孔的母线可以更换用于电池组以外的母线应用

4.由于腐蚀，铝母线需要电镀螺栓孔

5.端子连接到实心母线，便于自动化

6.由于屏蔽，自动化尚未完全实现

7.焊缝和装配可能需要新的标准和验证

超声波焊接技术是一种经过验证的连接工艺，汽车制造商越来越多地将其用于电动汽车中的电缆到端子连接、母线、电池制造和电力电子设备。线性焊接是所有设备制造商使用的更为传统和知名的技术，是拼接电线的标准工艺。然而，与许多其他连接工艺一样，线性焊接具有尺寸限制、在较小区域和特定几何形状中的焊接困难、焊接方向问题以及对外围部件的振动影响。Telsonic扭转SONIQTWIST®和PowerWheel®技术为电动汽车连接应用提供了以前不可能的创新解决方案。这些创新技术允许与母线应用相关的许多连接设计，而线性焊接是不可能的。目前已经有较小的母线应用使用超声波焊接进行连接。超声波焊接是许多母线的首选连接工艺，例如高达160 mm²的柔性扁平母线。在未来，将有许多新的应用，利用超声波焊接在接线线束的母线实施中。下面介绍了母线应用中超声波焊接的一些现有用途。

柔性母线需要在连接部分固化，以将其连接（连接）到标准电缆或连接器。在某些情况下，电缆或端子的连接和凝固可以通过一步焊接完成。根据柔性母线的整体尺寸，超声波金属焊接可以成为高质量、经济的解决方案。使用扭转焊接工艺，可以焊接多达 200 mm² 的横截面材料。这种焊接技术可防止连接材料硬化，这可能会导致材料变脆和材料性能的明显变化。此外，凝固可以通过Telsonic设备（如TT7 PowerWheel®）实现自动化，如图6和图7中的应用所示。

图 6 – TT7-特索尼克动力轮®

图 7 – 使用 TT7 Telsonic PowerWheel® 将凝固的柔性母线和实心母线焊接到实心母线上

在某些应用中，母线焊接到橙色电缆上，橙色电缆将焊接到电流连接器上。图8显示了与绞合电缆焊接的短电缆的示例。在两端焊接短电缆可能会导致焊接质量不一致，因为第一焊缝可能由于第二焊缝引起的振动而变得较弱。USCAR-38要求对长度小于500 mm的电缆进行测试。使用扭转焊接提供了如此温和的振动，研究表明，根据端子设计，对绞合电缆和柔性母线的影响要小得多（见图9）。这允许更短的电缆和适当的连接器焊接在一起。

图 8 – 焊接到标准电缆的实心母线（APTIVE_NA大会演讲)

图 9 – 两端焊接的短电缆 （200 mm）

在某些情况下，制造商使用扁平编织电缆代替橙色电缆。扁平编织电缆被焊接并自动切割成具有特定长度和两端焊缝的零件（见图10）。两端有焊缝的编织电缆也称为分流器。使用超声波焊接制造分流器的优点是，在制造分流器和将分流器焊接到母线上时，所需的热量最少（见图11）。这可以防止由于电阻焊接（另一种可以使用的技术）产生的热量而导致的脆性股线和异常细股线的刻痕。

图 10 – 实心母线连接到扁平编织跳线

图 11 – 通过超声波焊接固化和焊接的扁平编织电缆

柔性母线箔用铜等材料层压/电镀，以防止氧化问题。对于实心母线，螺栓孔连接部分必须电镀。对于铝实心母线，连接触点必须为铜。因此，使用铜垫圈并通过扭转焊接连接到母线（见图12）。经验证的SONIQTWIST®技术以及Telsonic TSP焊机（图13）可用于此应用。

图 12 – 使用 Telsonic 扭转焊机 SONIQTWIST® 焊接在 Al 母线上的铜螺母（APTIV_NA大会演示文稿）

图 13 – Telsonic SONIQTWIST® TSP

英国汽车制造商捷豹目前利用SONIQTWIST®和PowerWheel®的扭转焊接能力，用于配电母线组件。该公司使用母线代替铜电缆，以显著降低F-TYPE跑车的重量和成本（见图14）。每条母线将车辆后备箱中的蓄电池的电力传导至发动机舱中的电气设备。因为铝的相对密度明显低于铜，所以铝棒的重量仅为传统铜电缆的40%至60%。仅就电池连接而言，这可以减少多达3千克的重量。

图 14 – 焊接到母线的莱尼连接螺栓

创新和快速增长的电动汽车市场需要新的、发展中的解决方案来应对未来的挑战。不久，高压母线的使用将取代高压电缆终端的一些当前应用。随着行业转向使用电池组外的母线，在汽车行业建立母线线束标准化之前，将出现新的挑战。随着新的应用需要更多创新的焊接解决方案，包括焊接设备制造商在内的各个层面都将面临挑战。但新的工艺和理念将为电动汽车市场的线束提供更高效、更经济的解决方案。扭转焊接已成为行业中一种重要的连接工艺。除了各种连接器的电池电缆终端解决方案外，该技术还为电动汽车重量控制、电池包装、母线、电池制造和电力电子提供了焊接解决方案。应用程序功能的扩展超出了以前的想象。

随着产品设计师和工艺工程师不断熟悉扭转焊接工艺及其能力，该技术将有助于推动电动汽车行业达到更高的水平。原始设备制造商、一级供应商和设备供应商之间建立更密切的工作关系是推动母线利用的必要条件。我们肯定会及时了解更多信息，并引入创新理念，但超声波焊接无疑将成为实现材料成本、重量和空间减少以及劳动密集型制造工艺目标的解决方案的一部分。