盡管電動(dòng)汽車（EV）背后的技術(shù)已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但在過(guò)去十年中，電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）作為私人機(jī)動(dòng)車的銷售顯著增加。憑借它們提供的好處，電動(dòng)汽車被許多人視為汽車行業(yè)的未來(lái)。隨著電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)的增長(zhǎng)，制造商將尋求技術(shù)進(jìn)步，以提高這些車輛的效率、功率和能力，超聲波焊接將在這些技術(shù)進(jìn)步中發(fā)揮作用。自20世紀(jì)80年代末以來(lái)汽車線束制造業(yè)一直是超聲波焊接的最大用戶，主要使用該技術(shù)進(jìn)行電線拼接。然而，該技術(shù)的新應(yīng)用正被用作未來(lái)流程的一部分，最終將為汽車制造商提供解決當(dāng)今電動(dòng)汽車技術(shù)許多缺點(diǎn)的解決方案。

在電動(dòng)汽車中，組合在密封包裝中的大型電池組用于實(shí)現(xiàn)為車輛電動(dòng)機(jī)供電所需的工作電壓和電流。目前，EV/HEV領(lǐng)域的兩個(gè)主要問(wèn)題是儲(chǔ)能和行駛里程。OEM正以兩種方式解決這些問(wèn)題：制造更大的電池以實(shí)現(xiàn)更大的續(xù)航里程，以及制造更強(qiáng)大的電池以加快充電速度。這兩種方法都有挑戰(zhàn)。是的，電池可以變得更大，但它們只能達(dá)到一定的尺寸，才能變得太貴和太重而無(wú)法成為可行的解決方案。

傳統(tǒng)布線并不是人們通常尋找電動(dòng)汽車創(chuàng)新的第一個(gè)地方，但最近的進(jìn)步對(duì)電動(dòng)汽車故事產(chǎn)生了重大影響，因?yàn)樗鼈優(yōu)镺EM提供了他們?cè)陔妱?dòng)汽車架構(gòu)中迫切需要的兩樣?xùn)|西：更少的質(zhì)量和更多的空間。一種騰出空間并減少質(zhì)量的方法是從圓形布線轉(zhuǎn)向扁平導(dǎo)體。這就是匯流排的作用。

匯流排源自拉丁文單詞“omnibus”，翻譯為“所有”（如“特定系統(tǒng)中的所有電流”），匯流排是扁平導(dǎo)體，正在成為電動(dòng)汽車架構(gòu)的一部分。母線通常安裝在開(kāi)關(guān)設(shè)備、配電盤(pán)和母線槽外殼內(nèi)，用于局部大電流配電。它們還用于連接電氣開(kāi)關(guān)站的高壓設(shè)備和電池組的低壓設(shè)備。母線是由銅、黃銅或鋁制成的金屬條或棒，用于接地和導(dǎo)電。電氣母線可以涂覆各種材料，例如銅，以提供不同的導(dǎo)電極限和變化。母線有多種形狀和尺寸，這些形狀和尺寸將決定導(dǎo)體在劣化之前能夠承載的最大電流量。

如今，一個(gè)電池組中有多達(dá)20多條母線，隨著電池組越來(lái)越大和/或越來(lái)越強(qiáng)大，這一數(shù)量將會(huì)增加，而電池組內(nèi)部的空間仍然非常緊湊。超聲波焊接是電動(dòng)汽車應(yīng)用中母線的首選連接工藝。但是，由于這些更強(qiáng)大的電池只有其快速充電的能力，我們很快就會(huì)看到電池組之外的更多匯流排創(chuàng)新，將高功率從充電入口傳輸?shù)诫姵?，再傳輸?shù)狡渌吖β孰姍C(jī)和設(shè)備，從而增加了創(chuàng)新超聲波焊接應(yīng)用的需求。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，人們認(rèn)為，對(duì)于汽車工業(yè)中的部分線束，母線可能比標(biāo)準(zhǔn)電纜更受青睞。電動(dòng)汽車的日益普及、成本效益、易于安裝、汽車母線的維修和服務(wù)成本低以及電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展是汽車母線需求增長(zhǎng)的一些關(guān)鍵因素。此外，電動(dòng)汽車制造和充電基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)發(fā)展有望惠及全球汽車母線市場(chǎng)。根據(jù)市場(chǎng)研究，由于這些因素，預(yù)計(jì)2030年市場(chǎng)將產(chǎn)生1.7億美元以上的收入，2021-2030年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為24.6%。

• 降低設(shè)施成本，加快安裝速度

• 能夠輕松快速地添加、移除或重新定位電源，無(wú)需停機(jī)

• 面向未來(lái)且高度靈活，因?yàn)槟承┎寮梢栽诓粩嚯姷那闆r下斷開(kāi)連接和重新連接

• 無(wú)需日常維護(hù)

• 擴(kuò)展或改造速度更快、成本更低

• 更環(huán)保，因?yàn)樗ǔＰ枰俚陌惭b材料，并且插入式插座可重復(fù)使用且易于重新定位

• 扁平導(dǎo)體占用空間較小，高度縮短70%

• 可以支持比具有相同橫截面積的電纜多 15% 的功率
  

• 重量和包裝空間更小，靈活性更好。例如，160 mm2 柔性扁平鋁 （FF-Al） 電纜是 200 mm2 圓形鋁電纜的創(chuàng)新和替代解決方案。

• 使用螺栓進(jìn)行緊固，這是當(dāng)今最可靠的工藝，成本更低。但它增加了額外的零件（螺栓）并需要特定的扭矩值

• 高效散熱 – 比絞合電纜更有效

• 多種結(jié)構(gòu) – 銅和鋁，剛性或柔性，層壓。見(jiàn)圖1

• 內(nèi)部電池?zé)o需電磁兼容

• 促進(jìn)自動(dòng)化，提高安全性和質(zhì)量

圖1 –?各種母線示例 - 剛性、柔性、定制設(shè)計(jì)（APTIVE_NA大會(huì)演講)

母線通常由耐腐蝕的銅、黃銅或鋁制成，裝在實(shí)心或空心管中。母線的形狀和尺寸，無(wú)論是扁平條、實(shí)心棒還是棒，由于表面積與橫截面積比高，可以實(shí)現(xiàn)更有效的散熱。

盡管銅會(huì)隨著時(shí)間的推移而氧化，但它仍然具有導(dǎo)電性，但這通常意味著更多的功率可以推動(dòng)電力沿著表面。雖然它不能完全防止長(zhǎng)時(shí)間氧化，但它大大降低了影響。涂覆母線表面將有助于防止氧化。母線涂層通常有三個(gè)主要用途：

• 抑制腐蝕

• 提高導(dǎo)電性

• 用于美容目的

疊層母線用于避免電力電子電路中并聯(lián)開(kāi)關(guān)裝置中的循環(huán)電流。除了在電動(dòng)汽車中的重要應(yīng)用外，由于其低電感特性，它在太陽(yáng)能和風(fēng)能收集和分配方面也有廣泛的應(yīng)用。一種更有效且成本效益更高的方法是使用絕緣環(huán)氧涂層粉末。環(huán)氧涂層粉末具有極高的介電強(qiáng)度，可直接與母線銅、鋁或鍍銀層結(jié)合。

母線的大小取決于其特殊用途。最常見(jiàn)的商用和工業(yè)母線尺寸為40–60安培、100安培、225安培、250安培、400安培和800安培。

汽車應(yīng)用中使用的母線的當(dāng)前尺寸為35、50或90 mm2。

母線有銅和鋁兩種材質(zhì)。選擇材料時(shí)考慮的主要區(qū)別是：

• 抗拉強(qiáng)度

• 電流載流量
  

• 電阻

• 重量

• 成本

鋁母線成本較低，在高濕度條件下工作良好。但鋁的電流能力和電阻率比銅低。銅具有優(yōu)于鋁的熱特性。

母線制造商可以查看用于 EV/HEV 或其他配電應(yīng)用的母線的最低要求，詳細(xì)說(shuō)明成本和材料選擇與性能之間的權(quán)衡。當(dāng)然，對(duì)于EV/HEV配電應(yīng)用，駕駛員安全是一個(gè)額外的問(wèn)題，在選擇母線材料時(shí)，應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)最高的可靠性，不僅為了滿足車輛保修要求，而且為了駕駛員和乘客的安全。

計(jì)算導(dǎo)體尺寸對(duì)于母線的電氣和機(jī)械性能尤為重要。載流要求決定了導(dǎo)體的最小寬度和厚度。機(jī)械考慮因素包括剛性、安裝孔、連接和其他子系統(tǒng)元素。導(dǎo)體的寬度應(yīng)至少是導(dǎo)體厚度的三倍。增加凸耳和安裝孔會(huì)改變導(dǎo)體的橫截面積，從而在母線上產(chǎn)生潛在的熱點(diǎn)。必須考慮每個(gè)片或端接的最大電流以避免熱點(diǎn)。

柔性母線有幾層薄薄的銅或鋁，設(shè)計(jì)用于在交流或直流系統(tǒng)中有效地分配電力。在裝配區(qū)域焊接銅箔疊層，使端部剛性連接，而中間保持柔性。需要柔性母線的應(yīng)用示例包括：

• 電動(dòng)、混合動(dòng)力和燃料電池車輛

• 能源和海上行業(yè)的開(kāi)關(guān)設(shè)備和變壓器

• 發(fā)電機(jī)在船舶工業(yè)中的應(yīng)用

• 變壓器和充電站

• 鐵路應(yīng)用、化工廠和高壓配電中的開(kāi)關(guān)設(shè)備和變電站

• 發(fā)電機(jī)電源鏈路

• 開(kāi)關(guān)柜中的電氣連接

圖 2?- 內(nèi)部 EV 電池組（APTIVE_NA大會(huì)演示文稿)

電池組外部的母線創(chuàng)新將是未來(lái)的熱門(mén)話題，將高功率從充電入口傳輸?shù)诫姵?，再傳輸?shù)狡渌吖β孰姍C(jī)和設(shè)備（見(jiàn)圖4）。

所有原始設(shè)備制造商和一級(jí)供應(yīng)商對(duì)匯流排的興趣越來(lái)越高，主要用于高壓應(yīng)用。如今，電池組大約有15-20條母線。對(duì)于包裝外，需要一種自動(dòng)化的屏蔽過(guò)程，這在今天是不存在的。目前，重點(diǎn)是電池組。

隨著未來(lái)的創(chuàng)新提高了電池組外部母線的利用率，這些新應(yīng)用將為超聲波焊接創(chuàng)造重大機(jī)會(huì)，以提高母線結(jié)構(gòu)中未來(lái)連接設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量。超聲波焊接，特別是扭轉(zhuǎn)焊接技術(shù)，允許焊接更大尺寸的焊縫，輕微的振動(dòng)，以及連接更難到達(dá)的區(qū)域的能力。隨著行業(yè)的發(fā)展，這些功能將允許在電動(dòng)汽車電池組外進(jìn)一步實(shí)施母線。圖5提供了在未來(lái)電動(dòng)汽車應(yīng)用中如何實(shí)施超聲波焊接的幾個(gè)示例。

特斯拉、寶馬和福特等公司正在推動(dòng)電池組外母線的使用。最近，全球技術(shù)公司APTIV以約6億美元的價(jià)格收購(gòu)了意大利公司Intercable，積極尋求利用母線在電池組外進(jìn)行高功率配電。寶馬是其前三大客戶之一，顯示出強(qiáng)烈的追求這種新的配電方式的跡象。在美國(guó)和歐洲，還有少數(shù)其他公司正在開(kāi)發(fā)帶屏蔽的母線。

圖 4 –?帶母線的入口線束（APTIVE_NA大會(huì)演講)

圖5——電動(dòng)汽車應(yīng)用中母線超聲波焊接的未來(lái)實(shí)施

1.電池組外的母線需要屏蔽，這是目前沒(méi)有的 – 電池組有一個(gè)密封和屏蔽電磁干擾的外殼

2.當(dāng)母線需要在附近彎曲時(shí)存在一個(gè)問(wèn)題——它們可能太硬或可能在彎曲的角落損壞

3.螺栓連接過(guò)程需要增加零件和特定的扭矩值。帶螺栓孔的母線可以更換用于電池組以外的母線應(yīng)用

4.由于腐蝕，鋁母線需要電鍍螺栓孔

5.端子連接到實(shí)心母線，便于自動(dòng)化

6.由于屏蔽，自動(dòng)化尚未完全實(shí)現(xiàn)

7.焊縫和裝配可能需要新的標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)證

超聲波焊接技術(shù)是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的連接工藝，汽車制造商越來(lái)越多地將其用于電動(dòng)汽車中的電纜到端子連接、母線、電池制造和電力電子設(shè)備。線性焊接是所有設(shè)備制造商使用的更為傳統(tǒng)和知名的技術(shù)，是拼接電線的標(biāo)準(zhǔn)工藝。然而，與許多其他連接工藝一樣，線性焊接具有尺寸限制、在較小區(qū)域和特定幾何形狀中的焊接困難、焊接方向問(wèn)題以及對(duì)外圍部件的振動(dòng)影響。Telsonic扭轉(zhuǎn)SONIQTWIST?和PowerWheel?技術(shù)為電動(dòng)汽車連接應(yīng)用提供了以前不可能的創(chuàng)新解決方案。這些創(chuàng)新技術(shù)允許與母線應(yīng)用相關(guān)的許多連接設(shè)計(jì)，而線性焊接是不可能的。目前已經(jīng)有較小的母線應(yīng)用使用超聲波焊接進(jìn)行連接。超聲波焊接是許多母線的首選連接工藝，例如高達(dá)160 mm2的柔性扁平母線。在未來(lái)，將有許多新的應(yīng)用，利用超聲波焊接在接線線束的母線實(shí)施中。下面介紹了母線應(yīng)用中超聲波焊接的一些現(xiàn)有用途。

柔性母線需要在連接部分固化，以將其連接（連接）到標(biāo)準(zhǔn)電纜或連接器。在某些情況下，電纜或端子的連接和凝固可以通過(guò)一步焊接完成。根據(jù)柔性母線的整體尺寸，超聲波金屬焊接可以成為高質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)的解決方案。使用扭轉(zhuǎn)焊接工藝，可以焊接多達(dá) 200 mm2 的橫截面材料。這種焊接技術(shù)可防止連接材料硬化，這可能會(huì)導(dǎo)致材料變脆和材料性能的明顯變化。此外，凝固可以通過(guò)Telsonic設(shè)備（如TT7 PowerWheel?）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，如圖6和圖7中的應(yīng)用所示。

圖 6 –?TT7-特索尼克動(dòng)力輪?

圖 7 – 使用 TT7 Telsonic PowerWheel? 將凝固的柔性母線和實(shí)心母線焊接到實(shí)心母線上

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在某些應(yīng)用中，母線焊接到橙色電纜上，橙色電纜將焊接到電流連接器上。圖8顯示了與絞合電纜焊接的短電纜的示例。在兩端焊接短電纜可能會(huì)導(dǎo)致焊接質(zhì)量不一致，因?yàn)榈谝缓缚p可能由于第二焊縫引起的振動(dòng)而變得較弱。USCAR-38要求對(duì)長(zhǎng)度小于500 mm的電纜進(jìn)行測(cè)試。使用扭轉(zhuǎn)焊接提供了如此溫和的振動(dòng)，研究表明，根據(jù)端子設(shè)計(jì)，對(duì)絞合電纜和柔性母線的影響要小得多（見(jiàn)圖9）。這允許更短的電纜和適當(dāng)?shù)倪B接器焊接在一起。

圖 8 –?焊接到標(biāo)準(zhǔn)電纜的實(shí)心母線（APTIVE_NA大會(huì)演講)

圖 9 –?兩端焊接的短電纜 （200 mm）

在某些情況下，制造商使用扁平編織電纜代替橙色電纜。扁平編織電纜被焊接并自動(dòng)切割成具有特定長(zhǎng)度和兩端焊縫的零件（見(jiàn)圖10）。兩端有焊縫的編織電纜也稱為分流器。使用超聲波焊接制造分流器的優(yōu)點(diǎn)是，在制造分流器和將分流器焊接到母線上時(shí)，所需的熱量最少（見(jiàn)圖11）。這可以防止由于電阻焊接（另一種可以使用的技術(shù)）產(chǎn)生的熱量而導(dǎo)致的脆性股線和異常細(xì)股線的刻痕。

圖 10 –?實(shí)心母線連接到扁平編織跳線

圖 11 –?通過(guò)超聲波焊接固化和焊接的扁平編織電纜

柔性母線箔用銅等材料層壓/電鍍，以防止氧化問(wèn)題。對(duì)于實(shí)心母線，螺栓孔連接部分必須電鍍。對(duì)于鋁實(shí)心母線，連接觸點(diǎn)必須為銅。因此，使用銅墊圈并通過(guò)扭轉(zhuǎn)焊接連接到母線（見(jiàn)圖12）。經(jīng)驗(yàn)證的SONIQTWIST?技術(shù)以及Telsonic TSP焊機(jī)（圖13）可用于此應(yīng)用。

圖 12 – 使用 Telsonic 扭轉(zhuǎn)焊機(jī) SONIQTWIST? 焊接在 Al 母線上的銅螺母（APTIV_NA大會(huì)演示文稿）

圖 13 –?Telsonic SONIQTWIST? TSP

英國(guó)汽車制造商捷豹目前利用SONIQTWIST?和PowerWheel?的扭轉(zhuǎn)焊接能力，用于配電母線組件。該公司使用母線代替銅電纜，以顯著降低F-TYPE跑車的重量和成本（見(jiàn)圖14）。每條母線將車輛后備箱中的蓄電池的電力傳導(dǎo)至發(fā)動(dòng)機(jī)艙中的電氣設(shè)備。因?yàn)殇X的相對(duì)密度明顯低于銅，所以鋁棒的重量?jī)H為傳統(tǒng)銅電纜的40%至60%。僅就電池連接而言，這可以減少多達(dá)3千克的重量。

圖 14?–?焊接到母線的萊尼連接螺栓

創(chuàng)新和快速增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車市場(chǎng)需要新的、發(fā)展中的解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)未來(lái)的挑戰(zhàn)。不久，高壓母線的使用將取代高壓電纜終端的一些當(dāng)前應(yīng)用。隨著行業(yè)轉(zhuǎn)向使用電池組外的母線，在汽車行業(yè)建立母線線束標(biāo)準(zhǔn)化之前，將出現(xiàn)新的挑戰(zhàn)。隨著新的應(yīng)用需要更多創(chuàng)新的焊接解決方案，包括焊接設(shè)備制造商在內(nèi)的各個(gè)層面都將面臨挑戰(zhàn)。但新的工藝和理念將為電動(dòng)汽車市場(chǎng)的線束提供更高效、更經(jīng)濟(jì)的解決方案。扭轉(zhuǎn)焊接已成為行業(yè)中一種重要的連接工藝。除了各種連接器的電池電纜終端解決方案外，該技術(shù)還為電動(dòng)汽車重量控制、電池包裝、母線、電池制造和電力電子提供了焊接解決方案。應(yīng)用程序功能的擴(kuò)展超出了以前的想象。

隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和工藝工程師不斷熟悉扭轉(zhuǎn)焊接工藝及其能力，該技術(shù)將有助于推動(dòng)電動(dòng)汽車行業(yè)達(dá)到更高的水平。原始設(shè)備制造商、一級(jí)供應(yīng)商和設(shè)備供應(yīng)商之間建立更密切的工作關(guān)系是推動(dòng)母線利用的必要條件。我們肯定會(huì)及時(shí)了解更多信息，并引入創(chuàng)新理念，但超聲波焊接無(wú)疑將成為實(shí)現(xiàn)材料成本、重量和空間減少以及勞動(dòng)密集型制造工藝目標(biāo)的解決方案的一部分。