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卷成本:小米SU7线束铜改铝:是“偷工减料”,还是行业趋势?
发布时间:2024-05-27 浏览 7779次

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2.

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成本结构及其控制:

一 小米SU7线束铜改铝风波

小米汽车官方回应了关于小米SU7车型使用铝质线束而非铜质线束的问题。小米表示,目前大多数汽车制造商在充电线束等部件中选择铝质导体,小米SU7也遵循了这一趋势。铝导体在导体性能、安全性能上与铜导体相似,只是导电率不同,但可以通过调整截面积实现相同的电流承载能力。铝导体相比铜导体具有轻量化的优势,重量轻约30%,有利于提高汽车的续航里程。小米强调,这种材料的选择是基于行业趋势,绝非偷工减料 。

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此外,专家和配件厂商也表示,铝在新能源汽车中取代铜线束并非偷工减料,而是基于以下几点考虑:1)铝的材料成本相对较低,有利于成本控制和市场拓展;2)选择铝软连接可降低电池包重量,提高汽车续航里程;3)铝具有良好的柔性和加工性,适用于不同厚度的产品类型;4)铝软连接具有较强的抗氧化能力,有利于维持导电性能稳定;5)铝的热容较低,有利于散热,可提高电池组的工作效率。因此,尽管铝在一些方面存在缺点,但通过适当的技术应用,它仍然是新能源汽车中的优选材料,例如用于电池组、逆变器和电机连接等高电流导线的选择。

但对于小米的回应,网友并不买单。

“不要拿行业所趋当挡箭牌,行业所趋不见得就是正确的,拿消费者当小白鼠”

“铜包铝,以后就是铁包钢了”

“高端车用铜,低端车用铝,绝了!”

“成本,成本,说到底还是资本家为了节省成本”

铝质线束在新能源汽车中的应用正在逐渐增加,但并没有达到普遍使用的程度。

目前,汽车线束主要还是以铜导线为主,特别是在新能源汽车的动力输入输出、电机电控部分等重要部位。然而,随着新能源汽车对成本控制和轻量化要求的提高,铝导线的发展受到了业界的关注。

铝导线与铜导线相比,优势:

密度小与铜导线相比铝导线密度小,在相同长度下铝导线重量更轻,是线束轻量化发展的趋势之一。铜铝性质对比见表 2,铜与铝的密度比为 10:3,购买1吨铝线的体积约相当于 3.3吨铜线。

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价格低、铝资源丰富全球铜储量远小于铝,因此铜价格高于铝,且铜价格呈上升趋势,铝价格相对低廉且波动较小。汽车线束用铜量大,采用铝替代铜,可以有效降低汽车线束的生产成本。

铝导线与铜导线相比,劣势:

(1) 电阻率高铝的电阻率比铜高,意味着在给定的电压降下,铝导体必须具有较大横截面积。

(2)机械强度低铝导线柔软易弯曲,且抗振性差。相同条件下,铝的抗拉强度仅为铜的一半,这会影响端子的压接拉脱力。

目前,铝质线束在新能源汽车中的应用案例丰富多样,涵盖了不同的车辆类型和电气系统部件。以下是一些具体的应用实例:

大巴车型电池包内/外线:在大型的新能源大巴车中,电池包作为重要的能量存储单元,其内外线的连接需要承受大电流的传输。铝质线束因其轻质和高导电性能,成为电池包内外线连接的理想选择。这不仅减轻了车辆的整体重量,还提高了电池系统的效率和稳定性。

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乘用车型直流母线:在乘用车型的新能源汽车中,直流母线是连接电池组和电机控制器的重要部分。使用50mm²截面积的铝线缆可以显著降低线束的重量,同时通过超声波焊接技术提升接头的电接触性能,确保了母线的可靠性和效率。

交流充电枪:交流充电枪是新能源汽车用户日常充电的必备设备。采用高强度抗弯的铝合金线材制造的充电枪,不仅重量轻便,而且具有优异的耐老化和耐腐蚀性能,保证了长期使用的稳定性和安全性。

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高压铝扁带线束:随着新能源汽车技术的发展,高压大电流线束的应用越来越广泛。高压铝扁带线束的开发,旨在降低线束的重量和成本,同时保持高可靠性和优异的导电性能。

这些应用案例展示了铝质线束在新能源汽车中的重要地位。铝质线束的轻量化、低成本、资源丰富和良好的导电性能,使其成为新能源汽车电气系统设计的优选材料。随着技术的不断进步和成本的进一步降低,预计铝质线束在新能源汽车中的应用将更加广泛,有助于推动新能源汽车行业的发展和创新。

二 铝材在新能源汽车中的应用

汽车导线一贯是以铜为导体材料,用铜绞线作为导体,具有低电阻、高热传导率、高机械强度,而且加工容易,技术成熟。但是近年来铜金属的价格持续上升,使用铜金属做导体的汽车导线的成本急剧增加,中国每年需要进口大量的铜,铜的价格受国际市场影响波动非常大,导致汽车线束成本居高不下。

金属铝作为一种导电率仅次于铜的金属材料,具有密度小、成本低、储量大等优势,与铜相比有更轻的质量,更低的成本,更稳定的市场价格,可以作为传统汽车线束使用的铜导线的替代方案。

铝导线在汽车的应用中,铝的电阻率为27.8,铜的电阻率为17.24。因为铝的电阻率大于铜,所以需要通过增加铝导线的线径来满足整车电路的电阻要求。同时因为铝的比重为2.7kg/m3,铜的比重为8.89kg/m3,即使铝导线在增加相应的截面积后,也能实现减重约30%左右。

在价格方面,当前铝价为18000元/吨,铜价为70000元/吨,并且铜价还在持续上涨,在同等替代条件下,铝导线比铜导线降低成本约35%。

所以在汽车线束领域,用铝导线对传统铜导线进行替代有很大的成本及减重优势,轻量化是汽车线束的发展趋势之一,铝导线的应用有利于线束轻量化。

汽车电路的网络主体,其连接车上的各个组件,负责相关电力与电信号的传输,相当于汽车的神经系统。随着汽车智能化、电动化的发展,汽车上面的传感器、电子控制单元数量越来越多。之前传统油车上面可能就只有十几个电子控制单元,如今有的车型上都已经达到了上百个。控制单元一多,线束就多了起来,线束一多,整车的重量就多了起来。

1、绝大部分主机厂的充电线束等是不是都采用铝导体方案?

首先要确认一点,刚入行的小米汽车不是比亚迪,也不是华为,更不是特斯拉。

线束铜改铝这事,它自己做不来,也不敢首创。

2022年7月,中信证券的研究部门TMT与汽车团队协同多家公司和机构,经过两个月时间对一辆特斯拉 进行了完整的拆解。此后发布《新能源汽车行业特斯拉系列研究专题:从拆解Model 3看智能电动汽车发展趋势》报告,而在研报中便表示,Model 3 在高压线束中采用铝导线代替传统的铜导线,进一步实现轻量化。

2、铝导体在导体性能、安全性能上和铜导体是一样的,只是导电率不同?

不清楚小米所回复的导体性能具体指向是什么。但武断的说导体性能、安全性能上与铜导体一样,是相当不严谨的。铝的抗拉强度就跟铜比不了,这在汽车上也很关键,所以市面上大部分铝线束都应该是含有其他元素的。同时,铝导线导电率确实也比铜导线低,同等横截面的铝导线载流量比铜导线低25%。为了达到让两者载流能力相同,或者铝载流超越铜,增加铝截面积是一个目前常用的办法。

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根据载流对比可以算出,即便是铝导线的横截面增大了,两种材料具备同样载流量的情况下,铝的质量仍比铜轻很多。

3、铝导体还有着铜导体不具备的优势,比如轻量化,铝线比铜线可以轻30%?

车企们更换原来的传统工艺,一定是有原因的。铝导体的优势,轻。

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通过铜、铝导线的对比可以看到,铜的密度明显更大,在相同长度、相同线径下铝导线重量更轻。如果是传统汽车还好点,如果是新能源汽车,那么线束的重量加起来还是很吓人的。这也导致车企要考虑线束重量带来的续航影响。汽车线束的重量的组成大约75~80%是导线、15%是端子及接插件、10%是外包材料及其它。重要组成部分的导线线径基本在0.35~25mm,每辆汽车的导线使用如果首尾相连约2KM。以一辆B级车的重量来估算,导线的重量约25~30KG。如果全部换成重量更轻的铝导线,整车重量下降了,续航上也确实有所影响。

4、车企的考量。

除了上面所说的“轻量化”以外,车企用铝代替铜还是一个成本的考量。铝是一种较为常见的金属,而铜是比较稀有的金属之一。由于铜的特殊性质和广泛的应用领域,使得铜的需求相对较高,从而导致了铜的价格比铝贵不少。

5、铝导线的劣势。

劣势1、前面提到了,铝材质已经决定了其抗拉性一定很低。根据《汽车电线束技术条件》中的规定,端子与电线压接应牢固,在规定的拉力下不应损伤和脱开。如何保证铝导线符合这一规定,或者考虑更深次一些,如何保证乘车人的安全呢?

解决方案办法:比如加入铜元素可以增加合金的电阻稳定性;加入铁元素提高合金的抗蠕变性,避免由于蠕变引起的松动问题;加入镁元素在同样的压力下,能够提高抗拉强度。

劣势2、致密的氧化层。

铝在空气中极易形成致密的氧化层,在保护不受腐蚀的情况下具有很强的绝缘性,为较好地电气连接,需要在端子压接时破坏氧化层。

6、铝导线的应用案例。

2011年,慕尼黑工业大学 (TUM) 的科学家与BMW工程师合作,现在已经找到了用铝替代铜的方法。本质上,这是一种使用铝制电气连接的连接概念,代号为 LEIKO。这种连接方法的使用寿命预计约为 10 年,并且在整个使用寿命期间应保持持续接触。

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LEIKO 铝制电源插头

住友电工也从2015年4月开始制造高强度铝线,从0.35mm2电线开始。住友电工使用的高强度铝线约占下图所示发动机线束的20%。

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住友电工制作的发动机线束

我们也为大家列出一些使用铝线的汽车品牌和车型:

特斯拉:特斯拉的Model 3和Model Y等车型中,铝线得到了广泛应用。特斯拉一直致力于推动电动汽车技术的进步,铝线的使用有助于减少车辆重量,提高能源效率。

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特斯拉铝制充电线

宝马:宝马的一些车型也采用了铝线。宝马作为豪华汽车品牌的代表,其产品在技术和材料使用上一直处于行业前沿。

沃尔沃:沃尔沃同样在其部分车型中使用了铝线。沃尔沃一直注重汽车的安全性和环保性,铝线的使用有助于实现这些目标。

本田:本田的一些车型也采用了铝线。本田作为知名的汽车制造商,其产品在市场上有着广泛的认可度和良好的口碑。

理想汽车:理想汽车也是国内首先使用铝导线的第一批新能源汽车厂家。

三常用铝材型号及其分类

铝材是由铝和其它合金元素制造的制品,通常是先加工成铸造品、锻造品以及箔、板、带、管、棒、型材等后,再经冷弯、锯切、钻孔、拼装、上色等工序而制成,铝型材被广泛用于建筑、工业生产制造、汽车制造、家具制造、医用设备制造等领域。铝合金型材的种类有很多,工业上比较常用的有纯铝合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌镁合金等,不同种类的铝合金型材规格和型号各有不同,接下来和小编来了解下吧!

铝型材是什么材料

铝型材是铝合金的一种应用产品形态,即铝棒(或铝板)通过热熔、挤压、上色等工艺流程制造出来的产品。

工业铝型材特点

铝型材具有较好的抗腐蚀性、可加工性、可成形性、可回收性,而且它的电导率、热导量率要比铜材好,且为非铁磁性材质,更适合应用于电子电气工业领域。但是铝合金在生产过程中比较容易出现缩孔、砂眼、气孔和夹渣等铸造缺陷。

工业铝型材用途

建筑:断桥铝门窗、幕墙铝型材等。

散热器:铝型材散热器,可应用于各类电力电子设备散热。

工业生产制造:工业铝型材配件、自动化机械设备、流水线输送带等。

汽车零部件制造:汽车行李架、车门、车身等。

家具制造:家居装饰框、全铝家具等。

太阳能光伏型材:太阳能铝型材边框、支架等。

轨道车道结构:主要用于轨道车辆车体制造。

装裱:制成铝合金画框,用来装裱各种展览或装饰画。

医用设备:制作担架车框架、医疗器械、医疗床等。

工业铝型材国家标准

工业铝型材国家标准是《一般工业用铝及铝合金挤压型材》(GB/T6892-2006),但由于这一标准比建筑铝型材的标准要低,所以一般以《铝合金建筑型材》(-2008)来管控工业铝型材。

工业铝型材的分类

按铝型材材质分类

工业铝型材常用的材质有纯铝合金、铝铜合金、铝锰合金、铝硅合金、铝镁合金、铝镁硅合金、铝锌镁合金、铝与其他元素合金这几种。

按加工工艺分类

轧延制品:片材(Sheet)、板材(Plate)、卷片材(Coil)、带材。

挤型制品:管材、实心棒材、型材()。

铸造制品:铸件。

铝型材规格型号

1系:1000系列

含铝99.00%以上,导电性能好,耐腐蚀性能好,焊接性能好,强度低,不可热处理强化。

应用范围:主要用于科学试验,化学工业及特殊用途。

2系:2000系列

以铜为主要合元素的含铝合金,也会添加锰、镁、铅和铋。切削性好,但是晶间腐蚀倾向严重。

应用范围:航空工业(2014合金),螺丝(2011合金)和使用温度较高的行业(2017合金)。

3系:3000系列

以锰为主要合金元素,耐腐蚀性能好,焊接性能好。缺点是强度低,但可通过冷加工硬化来加强强度。退火时易产生粗大晶粒。

应用范围:飞机上使用的导油无缝管(3003合金),易拉罐(3004合金)。

4系:4000系列

以硅为主,耐磨性高,热膨胀系数小,易于铸造,含硅量较少或较高都会影响性能。

应用范围:广泛用于机动车的活塞、缸体等,在国外应用较多。

5系:5000系列

以镁为主,耐耐性能好,焊接性能好,疲劳强度好,不可热处理强化,只能冷加工提高强度。

应用范围:割草机的手柄、飞机油箱导管、防弹衣。

6系:6000系列

以镁和硅为主。中等强度,耐腐蚀性能好,焊接性能好,工艺性能好,氧化着色性能好。

应用范围:6系铝合金是目前应用最广泛的合金材质之一,主要用于交通工具部件的制造(如:汽车行李架、门、窗、车身、散热片、间箱外壳)。

7系:7000系列

以锌为主,但有时也要少量添加了镁、铜。7005和7075是7系中最高的档次,可热处理强化。

应用范围:航空方面(飞机的承力构件、起落架)、火箭、螺旋桨、航空飞船。

其他系列

八系:8000系列,大部分应用为铝箔,生产铝棒方面不太常用。

九系:9000系列,铝合金是备用合金。

四 铝材面临的挑战

1) 电化学腐蚀问题。铜和铝分属于不同的元素,铜的金属惰性要大于铝,即铜的化学活性要比铝低,这样两种金属连接后通电会发生电化学反应(在有水、二氧化碳及其他杂质时,会形成电解液,构成化学电池的必备条件。由于铝易于失去电子成为负极,铜难以失去电子成为正极,于是在正负极之间就形成了一个1.69V的电动势,并有一个很小的电流通过,腐蚀铝线,即所谓的电化腐蚀,这样就会引起铜铝之间接触不良,接触电阻增大。当有电流通过时,将使接头部位温度升高,而温度升高又加速了接头腐蚀,增加了接触电阻,造成恶性循环,直至烧毁),导致铝线逐渐被氧化,降低铝线的机械强度和导电性。

2) 蠕变问题。热膨胀系数不一样,先看热膨胀系数数据:铜0.,铝0.,在汽车运行环境中,随着温度高低的变化,铜和铝不同的热膨胀系数会造成连接区域逐渐形成空洞,降低了导线连接区域的电性能,增加了接触电阻,在通电情况下发热,造成恶性循环,直至烧车。同时空洞降低了机械强度,在车辆振动情况下,造成车辆断路,存在安全隐患。

3) 导线连接处电性能问题。金属铝在空气中与氧反应很快生成一种氧化膜,而此氧化膜在保护金属铝不受进一步氧化腐蚀的前提下同时也造成了连接处的电阻增大。因为此氧化膜为电的不良导体,增加了连接处的连接电阻,影响汽车电信号和能量传输,造成连接处发热。

五 常用铝材连接技术

01

概 述

随着汽车线束铝导线应用的推广,铝导线替代传统铜导线的应用正在逐步增多。但是在铝导线替代铜导线的应用过程中,电化学腐蚀、高温蠕变、导体氧化是应用过程中必须要面临与解决的问题,同时铝导线替代铜导线的应用中要满足原有铜导线的电气性能及机械性能,避免性能降低。

为解决铝导线应用过程中的电化学腐蚀、高温蠕变、导体氧化等问题,目前行业内主流的连接方式有4种,分别是:摩擦焊接加压接、摩擦焊接、超声波焊接、等离子焊接。

下面对这4种连接的连接原理、结构进行解析及性能比较。

02

摩擦焊接加压接

摩擦焊接加压接,首先采用铜棒与铝棒进行摩擦焊接,然后对铜棒进行冲压成型,形成电气连接端。铝棒机加工成型,形成铝压接端,制作完成铜铝端子。然后铝线穿入铜铝端子铝压接端通过传统线束压接设备进行液压压接,完成铝导线与铜铝端子的连接,如图1所示。

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相比其他连接形式,摩擦焊接加压接,通过铜棒与铝棒的摩擦焊接,形成铜铝合金过渡区,焊接面更加均匀致密,有效避免了铜铝因热膨胀系数不同导致的热蠕变问题,另外合金过渡区的形成也有效避免了因铜铝之间金属活性不同导致的电化学腐蚀情况产生。后续通过热缩管密封隔绝盐雾水汽,也有效避免了电化学腐蚀的产生。通过铝线与铜铝端子铝压接端的液压压接,对铝导线单丝结构及铝压接端内壁的氧化层进行破坏剥离,然后单丝之间以及铝导线导体与压接端内壁完成冷焊结合,提升了连接处的电气性能,提供了最可靠的机械性能。

03

摩擦焊接

摩擦焊接采用铝管对铝导线压接塑形,切除端面后与铜端子进行摩擦焊接,通过摩擦焊接完成导线导体与铜端子的焊接连接,如图2所示。

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摩擦焊接连接铝导线,首先铝管通过压接连接安装在铝导线的导体上,通过压接对导体的单丝结构进行塑性,形成紧密的圆形断面,然后通过车削完成焊接断面的平整,完成焊接面的准备。铜端子的一端为电器端连接结构,另一端为铜端子的焊接连接面。铜端子的焊接连接面与铝线焊接面通过摩擦焊接进行焊接连接,然后对焊接飞边进行切削整型,完成摩擦焊接铝导线的连接加工。

相比其他连接形式,摩擦焊接通过铜端子和铝导线之间的摩擦焊接连接,形成铜铝之间的过渡连接,有效降低铜和铝的电化学腐蚀。铜铝摩擦焊接过渡区后期经过带胶热缩管密封,焊接区域不会接触到空气和水分,进一步减少腐蚀。此外,焊接区域是铝导线导体通过焊接与铜端子直接连接,有效地增加了接头的拉拔力,加工过程简单。

但缺点也同图1 铝导线与铜铝端子的连接时存在,摩擦焊接在线束厂商的应用需要单独增加摩擦焊接专用设备,通用性较差,增加了线束厂商的固定资产投入,其次在摩擦焊接过程中,导线的单丝结构与铜端子直接摩擦焊接,导致摩擦焊接连接区域存在空洞,粉尘等杂质的存在会影响最终焊接品质,导致焊接连接的机械性能及电性能具有不稳定性。

04

超声波焊接

超声波焊接铝导线是将铝导线与铜端子使用超声波焊接设备,通过超声波焊接设备焊头的高频振荡,将铝导线单丝之间和铝导线与铜端子之间连接在一起,完成铝导线与铜端子的连接,如图3所示。

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超声波焊接连接是铝导线和铜端子在超声波高频振动的情况下,铜铝之间振动摩擦完成了铜铝间的连接,因为铜铝均为面心立方的金属晶体结构,在高频振荡环境下,完成了金属晶体结构中的原子置换,形成合金过渡层,有效避免了电化学腐蚀情况的产生。同时在超声波焊接过程中,铝导体单丝表面的氧化层被剥离,然后单丝之间完成焊接结合,提升了连接处的电气性能及机械性能。

相比其他连接形式,超声波焊接设备是线束生产厂商常用加工设备,无需新增固定资产投入,同时端子采用铜冲压端子,端子成本较低,所以拥有最优的成本优势。但缺点也同时存在,相比其他连接形式,超声波焊接的机械性能较弱,抗振性差,所以在高频振动区域不建议超声波焊接连接的使用。

05

等离子焊接

等离子焊接采用铜端子与铝导线进行压接连接,然后通过添加焊料,采用等离子弧对待焊接区域进行照射加热,熔化焊料,填充焊接区域,完成铝导线连接,如图4所示。

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等离子焊接铝导线首先采用等离子焊接铜端子,通过压接完成铝导线的压接紧固,等离子焊接端子压接后形成圆桶状结构,然后在端子焊接区填充含锌焊料,在压接端部添加含锌焊料,在等离子弧的照射下,含锌焊料通过加热熔化,然后通过毛细作用进入到压接区域的导线缝隙中,完成铜端子和铝导线的连接加工。

等离子焊接铝导线通过压接完成铝导线与铜端子的紧固连接,提供可靠的机械性能同时在压接过程中,通过70%~80%的压缩比,完成导线导体氧化层的破坏剥离,有效提高电气性能,降低连接点的接触电阻,防止连接点的发热。然后在压接区端部添加含锌焊料,使用等离子束对焊接区进行照射加热,含锌焊料经过加热熔化,通过毛细作用完成焊料对压接区的缝隙填充,实现压接区的盐雾水汽隔绝,避免了电化学腐蚀的产生。同时因为焊料隔离缓冲,形成过渡区,有效避免了热蠕变现象的发生,降低了在冷热冲击下连接电阻的升高风险。通过连接区域的等离子焊接,有效提高了连接区的电气性能,同时对连接区的机械性能也有进一步的提升。

相比其他连接形式,等离子焊接通过过渡焊接层和强化焊接层使铜端子和铝导线隔绝开来,有效地降低铜和铝的电化学腐蚀。且强化焊接层包裹铝导线端面,铜端子与导线的导芯不会接触到空气和水分,进一步减少腐蚀。此外,过渡焊接层和强化焊接层紧紧地固定住铜端子和铝导线接头,有效地增加了接头的拉拔力,加工过程简单。但缺点也同时存在,等离子焊接在线束厂商的应用需要单独增加等离子焊接专用设备,通用性较差,增加了线束厂商的固定资产投入,其次在等离子焊接过程中,焊料是通过毛细作用完成焊料对压接区的缝隙填充,此过程是不可控的,导致等离子焊接连接区的最终焊接品质并不稳定,导致电气性能及机械性能表现偏差较大。

06

结束语

综上所述,4种行业内常用的铝导线连接方式各有自身的优缺点,无论何种连接方式均可满足解决铝导线与铜端子连接过程中的电化学腐蚀、高温蠕变、导体氧化等问题,保证了铝导线与铜端子之间的连接性能,但在稳定性、成本、性能等方面存在差异,可根据成本要求、装车环境等因素综合评价选取最适用的连接。

素材来源:电驱动,线束世界,网络。


注塑件开发:

5.

功率半导体:

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800V电压平台:

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2.新能源汽车800V高压技术产业链趋势
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20.Benchmark--细数行业中800V电驱动产品

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