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新能源电动车电池组制造:三种焊接技术比较

2020-11-18 10:10:00


电气化在新能源电动汽车上演绎的淋漓尽致,也叫做e-Mobility系统,其包括电驱动系统、车载信息系统、通讯技术和相关连接技术。电动汽车的一大难题电池和电池组的制造。


电动汽车推向市场中面临的挑战,包括减少电池重量、增加行驶里程、更快充电和更低成本。这些需求转化成电池设计和制造的目标——电池需要更大容量,传递能量基本无损耗,更高的充电电流承载能力,以及使用重量更轻、成本更低的材料。而且,由于新能源电动汽车市场快速增长,对电池制造的产能和质量都提出了更高的要求。

上述目标,部分通过改进电池化学成分和电池组设计来实现。但其中“无能量损耗”和“更高充电承载能力”需要通过改进电池和导电极片(极耳)的连接质量来实现。

这就是为什么电池组制造中必须特别注意和小心选择焊接工艺的原因。在本文中,我们将对比电池极耳焊接的三种焊接工艺,讨论一下如何平衡和选择。

  • Resistance welding 电阻焊

  • Laser welding 激光焊

  • Micro TIG welding 微型钨极惰性气体保护电弧焊


另外还有一种焊接工艺——超声波金属焊接,暂时不在本文中进行对比,下次单独介绍。

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极耳焊接的5个挑战

极耳和电芯连接的5个挑战

  • 不同金属之间的焊接

  • 较厚极耳材料的焊接

  • 生产速度/节拍

  • 治具设计

  • 过程监控


下图是对RW(电阻焊),LW(激光焊),MT(微型钨极惰性气体保护电弧焊)和UW(超声波金属焊接)4种焊接工艺,在以上5个方面的对比。

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不同材料的焊接

在电池组制造中,电池通常已经组装好,工程师面临的挑战是如何设计将它们串联或并联起来,以提供最佳的能量输出。典型的锂离子电池是由镀镍的冷轧钢板制成的。我们很容易将镍或者钢片制成的极耳焊接到电池上,但问题是这两种材料都具有高电阻。


因此,理想的情况下,工程师会选择像铝或铜这些容易导电的材料制成极耳。这些材料将减少热损失,并能够满足快速充电和放电的大电流要求。然而,这些不同材料能连接在一起吗?哪种焊接工艺最好?让我们来看一看。

电阻焊

材料的导电性会影响和限制电阻焊。电阻焊需要电阻来加热和熔化零件,因此不能用于导电材料(例如铝或铜)的焊接。目前,已经开发出一些具有电阻和导电性能的新型合金,例如SIGMAclad合金。该合金利用电阻层来进行焊接,使用导电层来进行能量传递。

Micro TIG焊接

严格地说,微型TIG焊接是一种熔焊过程,这就限制了所连接的材料只能是那些化学性质兼容的材料。可以焊接铜和钢,但不能焊接铝和钢。

激光焊接

一般来说,激光焊接也是一种熔焊工艺,也会有所限制。然而,新的激光器的出现,突破了传统激光焊接限制。例如,传统激光工艺焊接铝和冷轧钢,会形成脆性金属连接结构。而新型激光器则不存在这类问题,接头可以提供良好的电学性能和热接触性能。不过,出于谨慎考虑,在选择激光焊接时,仍需要进行焊接可行性测试。

在焊接铝极耳到镀镍冷轧钢材料的电池上时,其机械抗拉强度在沿振动方向上非常好。热冲击测试表明,激光焊接的接头满足电导率、强度和耐久性的要求。

厚极耳的焊接

为什么电池制造商要选择更厚的极耳?是因为其有更高的载流能力(安全的可通过最大电流)。然而,使用厚极耳时输入能量更大,应避免其可能的燃烧和损伤电池。

电阻焊

当使用电阻点焊时,必须仔细考虑电极头之间的电流路径。电子将总是沿着最小电阻的路径流动,因此,当极耳变得更厚时,能量将在电极头之间的极耳表面进行直接传递,无法传递到设定的焊接点位。这种现象在125微米厚镍片极耳上开始出现。为了避免电流的分流,极耳需要精心设计槽结构,以集中和引导能量到特定的焊接点。

激光焊接

激光焊接时,电池极耳的接头设计是搭接焊缝,这意味着激光必须完全穿透上层极耳和至少少量进入电池罐壁。使用单模光纤激光器,理论有非常高的穿透能力,可达到10mm。但是实际使用时,极耳最厚是0.5mm,最佳是0.25mm。

Micro TIG焊接

可以处理的极耳厚度最大0.5mm,满足200A的输出电源要求。但是较厚的极耳需要更多的焊接能量,这可能对生产造成安全隐患。

生产速度/节拍
电池模块越来越大,对电池组的需求也在不断增加。因此,生产速度和节拍非常重要,以保证高产能输出。有几个因素影响生产节拍,包括驱动头的下降上升时间,焊接循环时间,电池焊接点位的移动时间。

电阻焊

在每次焊接时,电极头先下降接触到工件,达到触发压力时开始焊接,随后进入保压阶段,最后电极头上升回到原位。另外还必须计算两次电池焊接之间的切换时间。

下面表1表明,每个电芯极耳焊接需要2.2秒。对于一个由117个电芯(9×13)组成的电池组,要焊接234次极耳,总焊接时间为514.8秒。

激光焊接

由于激光焊接是一个非接触焊接过程,运动时间包括光束扫描轨迹和焊接时间,以及激光头从一个电芯移动到下一个电芯的运动时间。对于激光焊接,焊接234个极耳的总时间约为257.4秒。

Mirco TIG焊接

Micro TIG焊接,动作过程与电阻焊接类似。其焊接时间比激光焊接长,焊接234个极耳的总时间约为491.4秒。

表1 对比了三种焊接工艺所需时间。激光焊接速度最快,更具有吸引力,而且其可利用准同步焊接系统(A Galvo Scanning System)进一步减少焊接时间。此时,极耳上焊接轨迹运动不是电机驱动,而是用在镜头内的带小马达的反光镜组来实现。

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表1 电阻焊、激光焊和Micro TIG焊循环时间对比

治具设计
为了实现成功的焊接,极耳和电芯必须紧密接触。对于接触式焊接,电极头本身或者压头可以压紧工件。但对于非接触式焊接,需要设计特殊的治具压紧焊接部位,且不能阻挡激光。

随着电池组变得更大,治具设计需要考虑额外因素。例如,电芯的高度偏差和焊接后保证电池组表面平整度。不管采用哪一种焊接工艺,治具设计必须能够有效固定焊接位置,不阻挡焊接,补偿零件误差,并满足产能和使用寿命需求。

电阻焊

电阻焊使用的电极头,本身可以压紧零件,不需要额外的治具。零件较大时,有时仍需要用治具多点压紧。不过,总体来说,电阻焊接的治具设计最为简单。

激光焊接

属于非接触焊接,需要额外治具来压紧零件。一般来说,压紧位置需要接近焊点,以避免极耳在焊接处变形。另外,治具不能阻挡激光束。

Micro TIG焊接

作为一种电弧焊接工艺,也是一种非接触焊接工艺。和激光焊接一样,必须设计一个合适的治具来保持零件之间的紧密接触。焊接时,焊枪电极与零件的距离为1-3mm,且电极管嘴尺寸远大于焊点,因此这使得治具设计具有一定的挑战性。

过程监控
基于对更高产能、更高安全性、更高质量产出的需求,以及产品可追溯的要求,过程监控的使用越来越多。过程监控的挑战在于如何进行实时监控。

电阻焊

电阻焊工艺可测量电流、电压、力、位移和时间。这些监控手段应用非常成熟。对于电池组焊接时,对塌陷位移和电压的测量非常重要。

激光焊接

激光焊接的监控在最近5年发展起来。采用不同类型的传感器,可以检测到激光和物质相互作用时发射出来的各种信号,包括反射,热,可见光和紫外光等。一般焊接时,主要监控焊接能量、时间和温度。

Micro TIG焊接

Micro TIG焊接监控电流、电压和时间。

如何进行实时监控?根据小批量焊接结果,可以对每一个监控参数设定一个区间,即设定一个上限和一个下限。每次焊接后自动对比该参数是否落在该合格件区间,如果不在区间内,则判定不合格件进行报警。

总结
我们探讨了电池组焊接中的5个挑战,对比了三种不同的焊接工艺。最重要的一点,每种技术在当今的电池组制造中都有自己的位置。选择何种工艺取决于电池组的设计、成本和质量要求以及生产要求。