Perché i conduttori e i fogli di alluminio competono con il rame
L'alluminio-di grado elettrico, come la lega 1350, ha una conduttività pari a circa il 61% dello standard internazionale del rame ricotto. Il confronto utile non è solo la conduttività ma la conduttività per unità di massa. Per la stessa corrente e con lo stesso aumento di temperatura, un conduttore in alluminio necessita di circa il 60% in più di sezione trasversale-rispetto a uno in rame, ma pesa solo circa la metà e costa notevolmente meno per ampere di capacità. Questo commercio è il motivo per cui le reti di distribuzione, i pacchi batteria e i trasformatori-a secco si sono spostati costantemente verso l'alluminio.
Lo strato di ossido che protegge l'alluminio crea anche il classico problema delle terminazioni. L'ossido di alluminio è un isolante elettrico e l'alluminio si muove lentamente sotto la pressione sostenuta dei bulloni, quindi un giunto semplicemente serrato si allenterà nel tempo e si riscalderà. La pulizia abrasiva delle superfici di contatto, un composto-inibitore dell'ossido e le rondelle elastiche o Belleville sotto il bullone mantengono stabile la resistenza del giunto per tutta la durata dell'installazione.
Dissipatori di calore e gestione termica
I dissipatori di calore estrusi sono generalmente prodotti in lega 6063, che bilancia una conduttività termica di circa 200 W/m·K con l'estrusione necessaria per pressare alette alte e sottili in un unico passaggio. La lega 6061 viene scelta laddove la resistenza meccanica conta più della conduttività. Tuttavia, la geometria domina le prestazioni: raddoppiare il numero di alette all'interno della stessa impronta riduce la resistenza termica molto di più rispetto al cambio delle leghe e l'interfaccia tra alette-e-aria, non il metallo, è normalmente il passaggio limitante.
L'anodizzazione crea uno strato controllato di ossido di alluminio che aumenta l'emissività superficiale e migliora il raffreddamento radiativo all'interno degli involucri con scarso flusso d'aria. Laddove la conduzione anziché la convezione limita il percorso, un sottile foglio di alluminio viene utilizzato come riempitivo e schermo contro le radiazioni, poiché un foglio da 0,05 mm non aggiunge quasi alcuna resistenza termica attraverso il suo spessore bloccando al contempo il trasferimento radiativo tra le superfici.
Sbarre collettrici e distribuzione-di corrente elevata
Le sbarre collettrici per pacchi batteria, quadri elettrici e collegamenti CC degli inverter sono estruse o laminate da gradi di alluminio conduttivo e placcate con stagno o argento nelle zone di contatto per mantenere stabile la resistenza del giunto. Le sbarre in lamina laminata, realizzate con fogli sottili impilati, riducono la perdita per effetto pelle-e l'induttanza del circuito ad alta frequenza e possono essere modellate nelle curve strette necessarie all'interno di un modulo batteria. La saldatura laser e la saldatura ad attrito sono i metodi usuali per unire pile di fogli nelle interconnessioni delle celle.
Leghe: 1050, 1060 e 1350 per servizio conduttore; 6101 e 6063 per profili estrusi.
Formati: barra estrusa per percorsi di corrente principali, foglio laminato per collegamenti flessibili a bassa-induttanza.
Placcatura: stagno per giunti bullonati, argento per contatti separabili a bassa-resistenza.
Raffreddamento: aria naturale o forzata a media corrente, piastre raffreddate a liquido-e canali integrati superiori a poche migliaia di ampere.
Avvolgimenti a lamina nei trasformatori e collettori di corrente della batteria
I produttori di trasformatori sostituiscono il filo tondo con un foglio di alluminio nelle unità di distribuzione e di tipo-secco. Un avvolgimento a lamina impila come un foglio continuo l'intera altezza della bobina, riducendo il tempo di avvolgimento e la perdita di correnti parassite-perché il conduttore è sottile nella direzione del flusso di dispersione. La maggiore resistività dell'alluminio rispetto al rame aiuta anche nella resistenza al cortocircuito-, poiché il conduttore stesso limita la corrente di guasto.
Nelle celle agli ioni di litio-, il foglio di alluminio è il collettore di corrente positiva. È specificato tra 0,009 mm e 0,020 mm nelle leghe 1060, 1070 o 1235, con resistenza alla trazione e allungamento controllati in modo che un elettrodo rivestito possa essere avvolto o impilato senza rompersi. La pulizia della superficie e l'olio di laminazione residuo sono importanti in questo caso tanto quanto le proprietà meccaniche, poiché da esse dipende l'adesione del rivestimento.
Selezione delle leghe, specifiche e controllo qualità
| Applicazione | Lega | Temperare | Spessore tipico | La proprietà che conta di più |
|---|---|---|---|---|
| Collettore di corrente della batteria | 1060, 1070, 1235 | H18 o O | 0,009-0,020 mm | Purezza, trazione ed allungamento controllati |
| Avvolgimento della lamina del trasformatore | 1050, 1060, 1350 | O | 0,100-0,500 mm | Bassa resistività, bordi della fessura puliti |
| Foglio laminato per sbarre | 1050, 1060 | O o H14 | 0,200-1.000mm | Formabilità, adesione della placcatura |
| Lamina del dissipatore di calore e riempitivo | 8011, 1050 | O | 0,020-0,100mm | Planarità, contatto superficiale |
| Profilo di montaggio solare | 6061, 6005A | T6 | Profilo estruso | Forza con resistenza alla corrosione |
L'ispezione in entrata dei fogli elettrici normalmente riguarda lo spessore, la larghezza, la qualità dei bordi, la conduttività o resistività, la resistenza alla trazione, l'allungamento e la pulizia della superficie. I risultati vengono controllati rispetto allo standard applicabile, ad esempio GB/T 3198 per il foglio laminato o ASTM B479 per il foglio sottile, e rispetto al valore di conduttività concordato nelle specifiche di acquisto. I certificati devono indicare la lega, la tempra, il numero di lotto e i risultati meccanici in modo che qualsiasi bobina consegnata possa essere ricondotta alla linea e al passaggio su cui è stata prodotta.
Domande frequenti
D: L’alluminio può trasportare la stessa corrente del rame?
Sì, se la sezione trasversale-è maggiore. L'alluminio necessita di circa il 60% di superficie in più rispetto al rame per la stessa corrente con lo stesso aumento di temperatura, e il conduttore risultante pesa ancora circa la metà.
D: Cosa causa l'allentamento delle connessioni in alluminio?
Due effetti agiscono insieme: uno strato di ossido naturale che è elettricamente isolante e il flusso freddo del metallo sotto la pressione sostenuta dei bulloni. La pulizia del contatto, l'applicazione di un composto-inibitore dell'ossido e l'utilizzo di rondelle elastiche mantengono stabile la resistenza del giunto.
D: Perché il 6063 è la scelta abituale per i dissipatori di calore estrusi?
Combina una conduttività termica di circa 200 W/m·K con l'estrusione necessaria per pressare alette alte e sottili in un unico passaggio. Laddove la resistenza conta più della conduttività, viene utilizzato invece il 6061.
D: Qual è lo spessore standard della lamina per i collettori di corrente agli ioni di litio-?
Il foglio di alluminio- per batterie è normalmente specificato tra 0,009 mm e 0,020 mm, a seconda del formato della cella e se l'elettrodo è impilato o avvolto. L'uniformità dello spessore conta più del valore nominale, perché ad essa viene contrapposto il peso del rivestimento.
D: Gli avvolgimenti dei trasformatori in alluminio sono più caldi di quelli in rame?
Trasportano la stessa corrente in una sezione trasversale- maggiore, quindi la perdita del rame può essere simile, ma il design deve consentire la minore conduttività termica dell'alluminio. Un avvolgimento in lamina avvolta conduce il calore lungo il foglio fino alle estremità della bobina, il che aiuta nei progetti di tipo-a secco.
D: Una barra collettrice in lamina laminata è migliore di una barra piena?
Per corrente ad alta-frequenza o a commutazione-rapida, sì. La laminazione di fogli sottili riduce l'effetto pelle e l'induttanza del circuito, inoltre la pila può essere piegata per adattarsi a spazi ristretti all'interno di un modulo.
