Лазерный мир

В течение всего лишь нескольких лет электромобильность эволюционировала от футуристической идеи и экзотической концепции идеалистов к технологической революции, которая в значительной степени меняет автомобильную промышленность.

Рис. Д-р Joachim Döhner, вице-президент подразделения по производству аккумуляторных батарей Kuka и председатель правления VDMA Battery Production, утверждает, что лазерная сварка является наиболее эффективным способом изготовления электрических контактов в батареях

В то время как общие последствия для снабжения и распределения электрической энергии, общий выброс CO2, сырье, требуемое для производства аккумуляторных батарей, и склонность к типичным повседневным потребностям в мобильности все еще остаются предметом страстных дискуссий, одно можно сказать наверняка: сегодня наступает электромобильность , и она здесь чтобы остаться.

В китайских мегаполисах электрические автобусы с питанием от батареи, такси и скутеры больше не являются необычными, но быстро становятся стандартными. Даже для традиционных поставщиков автомобильной техники на основе сжигания гибридные концепции, использующие батареи и электроприводы, являются единственной оставшейся возможностью значительно снизить потребление двигателями внутреннего сгорания.

Батарея гибридного или полного электромобиля является наиболее важным компонентом во многих измерениях. Например, её стоимость определяет экономическую жизнеспособность транспортного средства, её ёмкость определяет диапазон перемещения транспортного средства и, следовательно, его жизнеспособность для конкретных случаев использования, а его надежность и срок службы имеют решающее значение для принятия клиентами.

Сегодня типичная аккумуляторная батарея электромобиля имеет мощность 50-100 кВт*Ч, что соответствует диапазону 400-500 км. Батарея также работает в режиме высокого напряжения, обычно 400-800 В, и может отдавать или поглощать до нескольких сотен киловатт мощности. Электрическая аккумуляторная батарея собрана путем подключения многих отдельных литиево-ионных аккумуляторных батарей, каждый из которых дает около 3,6 В и имеет емкость — в зависимости от используемой технологии ячейки — от нескольких десятков до нескольких сотен ватт-часов.

Создание электрических контактов в этих ячейках, между собой и / или в структурах коллектора тока является одним из ключевых этапов процесса сборки, и процесс должен справляться с несколькими проблемами для создания высококачественной и надежной аккумуляторной системы:

• Для обеспечения высокого уровня напряжения, используемого для минимизации токов, обычно последовательно подключаются 1-200 ячеек. Цепь настолько прочная, как её самое слабое звено, поэтому один плохой стык может поставить под угрозу выходную мощность всей цепи, что требует устойчивого и надежного процесса сварки.
• Во время зарядки и разрядки аккумуляторная система может подвергаться воздействию мощности до 500 кВт или даже больше. В зависимости от конструкции батареи ток в каждой строке ячеек может достигать нескольких сотен Ампер. Чтобы избежать потери энергии и, следовательно, нежелательного нагревания ячеек, контактное сопротивление каждого электрического соединения должно быть чрезвычайно малым.
• С тенденцией к увеличению емкости аккумулятора система батарей может состоять из нескольких сотен или даже тысяч отдельных ячеек. Контакт каждого положительного и отрицательного полюсов одним или двумя сварными соединениями подразумевает огромное количество точек сварки — в крайнем случае — несколько десятков тысяч, что требует быстрого и экономичного процесса сварки.
• Для определенных конструкций батарей необходимо даже выполнять интерметаллидное электрические соединения, например, между медно-алюминиевыми электродами пакетных ячеек.
• Как и люди, батареи имеют температурный диапазон «хорошо себя чувствую»: если слишком холодно, производительность затруднена; если они слишком горячие, они могут повредиться или их срок службы будет уменьшен. Поэтому процесс сварки должен минимизировать приток тепла к ячейке.
• Батарейные системы в транспортных средствах подвержены механическим нагрузкам, возникающим в результате термических циклов, механических вибраций или ударов. Следовательно, процесс сварки должен обеспечивать механически прочное соединение.

• С точки зрения производства используемая технология процесса должна, конечно, быть экономически эффективной — как в отношении инвестиционных, так и эксплуатационных затрат — обеспечить надежно высокую доступность и, конечно, должна быть безопасной в использовании.

Рисунок 1: поперечное сечение лазерного сварного шва, 1,2 мм алюминия на 0,2 мм меди. (Изображение: Kuka)

Рисунок 2: поперечное сечение лазерного шва, 1,6 мм алюминия на алюминий 0,4 мм. (Изображение: Kuka)

Технология лазерной сварки уже стала незаменимой для сборки аккумуляторов и, следовательно, для электромобиля. Кроме того, не редкость, что появление улучшенных технологий соединения приводит к созданию новых моделей продуктов, использующих эти возможности для повышения производительности, — то же самое можно ожидать и в режиме электронной мобильности.

Технология, однако, здесь не остановится: исследования и разработки сосредоточены, например, на дальнейшем улучшении лазерных источников и доступе к дополнительным длинам волн, что позволит оптимизировать лазерные приложения для их использования на конкретных материалах или сплавах с особыми характеристиками поглощения излучения.

Разумеется, выбор правильной технологии сварки является лишь одним важным аспектом; Не менее важна реализация процесса, его интеграция и автоматизация с использованием специализированных и настраиваемых излучателей. Поэтому тесное сотрудничество между поставщиками лазерного оборудования, исследовательскими институтами, а также опытными интеграторами в области сборки аккумуляторов — такими как Kuka — является ключом к созданию успешного объема производства для качественных аккумуляторных систем, позволяя электромобилю стать ключевым вкладчиком в более зеленые и понятные концепции мобильности.

Перевод: https://www.lasersystemseurope.com/news/analysis-opinion/best-battery-welding-tools