Bouwers van EV-batterijmodules staan onder voortdurende druk om de systeemprestaties te verbeteren - met name door het bereik te vergroten en de oplaadtijd te verkorten - en tegelijkertijd de productiekosten te verlagen. Deze prijsdruk leidt er vaak toe dat fabrikanten de voorkeur geven aan prismatische cellen, die momenteel de meest economische batterijvormfactor zijn. Helaas leveren prismatische cellen meestal lagere prestaties in vergelijking met cilindrische alternatieven, waardoor systeemontwerpers nog steeds slechts de helft van hun probleem opgelost hebben.
Het is mogelijk om de laad- en ontlaadsnelheden in prismatische ontwerpen te verbeteren door de dwarsdoorsnede van de busbar te vergroten en zo de elektrische weerstand te verlagen. Maar dikkere busbars brengen nieuwe uitdagingen met zich mee, vooral voor het lassen. Met name de lasers die traditioneel worden gebruikt voor het verbinden van busbar hebben moeite om de benodigde diepere penetratie te bereiken zonder overmatige hitte toe te passen die de kans op schade aan het onderdeel vergroot.
Nu hebben twee technologieën deze uitdagingen overwonnen, waardoor Kosten Efficiënte lassen van dikkere busbars mogelijk wordt met behoud van de snelheid, betrouwbaarheid en opbrengsten die nodig zijn voor massaproductie. De eerste van deze technologieën is het dubbelstraals fiber laserlassen. De tweede is real-time, in-proces lasmeting en verificatiemet behulp van optische coherentie tomografie (OCT).
Hier leren we hoe elk van deze tools de volgende generatie geavanceerde EV-batterijmodules ondersteunt.
Laserlassen met dubbele bundel
Dual-beam technologie is een van de belangrijkste ontwikkelingen op het gebied van laserbewerking in de afgelopen jaren. De impact is vooral groot bij de productie vane-mobility , waar het betrouwbaar sleutelgatlassen mogelijk maakt van sterk reflecterende metalen zoals koper en aluminium, evenals uitdagende ongelijksoortige materiaalcombinaties. Deze materialen hebben vaak last van spatten, porositeit en inconsistente inbranddiepte wanneer ze worden gelast met traditionele fiber met één laserstraal.
De meest gebruikte en effectieve vorm van dual-beam technologie heeft een centrale, ronde "kernstraal" omgeven door een concentrische ringvormige "ringstraal". Het vermogen in elke bundel kan onafhankelijk worden aangepast - idealiter over het hele bereik van 0% tot 100%.
Hoe laserlassen met dubbele bundel werkt
Om de voordelen van deze configuratie te begrijpen, is het belangrijk om te beseffen dat voor stabiel lasergestoken gatenlassen twee tegengestelde krachten in het gesmolten metaal goed uitgebalanceerd moeten worden.
Druk: De eerste kracht is de druk die het sleutelgat opent en in stand houdt. Deze druk ontstaat wanneer de laser het oppervlak verhit en verdampt metaal uitzet.
Oppervlaktespanning: De tweede is een combinatie van oppervlaktespanning en viskeuze krachten in het gesmolten metaal die het sleutelgat dichttrekken.
Als het evenwicht tussen deze twee tegengestelde krachten verstoord wordt, kan het sleutelgat gaan trillen, instorten, gas opsluiten of gesmolten metaal uitwerpen.
Bij laserlassen met twee laserstralers initieert en handhaaft de kernstraal het lasgat terwijl de ringstraal het smeltbad stabiliseert. De ringstraal verwarmt het materiaal rond de kern voor en smelt het. Dit egaliseert temperatuurgradiënten en zorgt ervoor dat damp gestaag kan ontsnappen, waardoor drukpieken die spatten, instorten of andere instabiliteiten veroorzaken, worden verminderd. Op deze manier wordt het krachtenevenwicht behouden.
Door het gebied rond het sleutelgat gesmolten te houden, kan er ook materiaal in terugvloeien. Het kan zich dan gelijkmatiger verspreiden voordat het stolt. Bovendien vertraagt de verwarming door de ringstraal het afkoelen en stollen, wat warmscheuren in aluminium voorkomt.
Ringbundel voorsmelting verhoogt ook de absorptie van infrarood licht in koper, wat de procesefficiëntie verhoogt en de stabiliteit verder verbetert.
Samen zorgen deze effecten ervoor dat spatten vrijwel worden geëlimineerd, dat er een consistente inbranding is en dat er soepelere verbindingen ontstaan met een superieure mechanische sterkte. En lasers met dubbele bundel bereiken dit met lassnelheden die tot tien keer sneller zijn dan systemen met enkele bundel.
Precisie bereiken met Single-Mode lasers
Dual-beam lasers zijn verkrijgbaar in vele mogelijke combinaties van totaal uitgangsvermogen, verhouding ring-kerngrootte en totale bundelgrootte. Er is geen universele "beste" configuratie - Zoals altijd zijn de optimale laserparameters afhankelijk van het specifieke materiaal en de procesvereisten.
Voor het lassen van dikkere busbars (meer dan 2 mm) is het van cruciaal belang om deep inbranding te bereiken samen met grote, consistente lasdoorsneden om de elektrische weerstand te minimaliseren. Er zijn een paar verschillende benaderingen om dit te bereiken.
De eerste is het gebruik van een high-power laser met dubbele straal en een multi-mode kernstraal. Deze configuratie maakt het mogelijk om snel een grote hoeveelheid laserenergie af te geven in een relatief grote laszone.
Het voordeel van deze benadering is snelheid. Het produceert zeer snel een las met een grote doorsnede.
Het nadeel is dat het zo snel afgeven van al deze energie een aanzienlijke warmte-beïnvloede zone (HAZ) creëert. Dit vergroot de kans op beschadiging van hittegevoelige onderdelen of structuren in de buurt (zoals plastic onderdelen achter de terminal).
De tweede benadering is het gebruik van een dual-beam laser met een single-mode (TEM00) kernstraal met een lager vermogen. Ondanks het lagere totale vermogen maakt de hoge Straalkwaliteit het mogelijk om de middelste bundel naar een veel kleinere plek te richten. Dit levert een hogere energiedichtheid op dan gewoonlijk haalbaar is met een multi-mode bundel.
Bundels met een hogere energiedichtheid bereiken een diepere penetratie in vergelijking met bundels met een lagere energiedichtheid en hetzelfde totale vermogen. Bovendien is het bundelprofiel van een single-mode laser inherent consistenter in de tijd dan een multi-mode laser, waardoor het sleutelgat beter kan worden gecontroleerd en de procesconsistentie kan worden verbeterd.
Het resultaat is dat een dual-beam laser met een single-mode kernstraal snel een las kan starten, zelfs in metalen met een hoog reflectievermogen - zoals koper en aluminium. Tegelijkertijd wordt snel de vereiste inbranddiepte bereikt. Omdat meer van de laserenergie naar het lassen van het materiaal gaat in plaats van het te verhitten, wordt de HAZ geminimaliseerd.
En er is nog een ander, subtieler voordeel van een single-mode middenstraal. De betere moduskwaliteit (M²) betekent een groter bereik van Rayleigh. Dit is de afstand waarover de gefocuste bundel een bijna constante spotgrootte behoudt.
Omdat de bundelgrootte niet zo sterk varieert boven en onder het focuspunt, wordt het lasproces veel minder gevoelig voor veranderingen in materiaalhoogte of -dikte. Dit betekent een toleranter proces en een breder procesvenster. Dit kan een enorme invloed hebben op de opbrengst in een echte productieomgeving.
Tot slot moet worden opgemerkt dat al deze voordelen schalen met de kwaliteit van de lasermodus. Naarmate M² afneemt (wat duidt op een hogere Straalkwaliteit), worden al deze voordelen duidelijker.
Natuurlijk is er een nadeel aan het lassen met een single-mode kernstraal. Dit produceert een smallere lasnaad, wat betekent dat er een langere las nodig is om een voldoende grote totale lasdoorsnede op te bouwen. Dit wordt meestal bereikt door een patroon te lassen (zoals een spiraal) of door meerdere korte lassen op korte afstand van elkaar te maken in plaats van één lange rechte las.
Er is dus een duidelijke afweging tussen processnelheid en laskwaliteit. Multi-mode laserlassen is sneller maar genereert een grotere HAZ. Single-mode laserlassen duurt langer om een bepaalde doorsnede te lassen, maar minimaliseert de HAZ en maximaliseert de kwaliteit van verbinding .
Prioriteit geven aan kwaliteitsborging van lassen
Een EV-batterijmodule kan honderden afzonderlijke lassen bevatten. Eén enkele defecte verbinding kan de interne weerstand verhogen, de prestaties van het pakket verminderen of zelfs een veiligheidsrisico creëren. Dit betekent dat een defectpercentage van slechts 1 op 10.000 kan leiden tot frequente defecten op moduleniveau. Dit maakt inline verificatie noodzakelijk, zelfs bij gebruik van zeer betrouwbare laserlassystemen.
Traditioneel maken de meeste lascontrolesystemen gebruik van fotodiodesensoren die het licht detecteren dat wordt uitgezonden door het smeltbad en de plasmapluim boven de las. Deze signalen worden vervolgens statistisch vergeleken met opgeslagen referentiegegevens van bekende goede lassen. Hoewel deze methode algemene procesveranderingen kan aantonen, meet ze niet de las zelf. - alleen hoe het uitgezonden licht verschilt van gemiddelden uit het verleden.
En omdat het signaal afhankelijk is van het opgevangen licht in plaats van de werkelijke lasgeometrie, wordt het gemakkelijk beïnvloed door factoren die er niets mee te maken hebben. Variaties in oppervlaktereflectie, bundeluitlijning of focuspositie kunnen allemaal de hoeveelheid teruggekaatst licht en schakelaar metingen veranderen. Om het nog erger te maken, genereren onder- en overpenetratie vaak bijna identieke emissieprofielen. Deze dubbelzinnigheid kan leiden tot onnodig schroot, herbewerking en voortdurende onzekerheid over de werkelijke laskwaliteit.
Optische coherentie tomografie (OCT) is ontwikkeld om een directe meting van de werkelijke lasdiepte te verkrijgen. OCT gebruikt een bijna-infrarood meetstraal met laag vermogen die door dezelfde optiek wordt geprojecteerd als de laslaser. Dit betekent dat deze altijd perfect uitgelijnd en coaxiaal blijft met de procesbundel.
Het licht van de OCT-bron komt het sleutelgat binnen en wordt teruggekaatst. Interferometrie wordt gebruikt om de afstand tot het reflecterende oppervlak te bepalen - in dit geval de bodem van het sleutelgat.
Deze reflectie wordt continu bewaakt voor een real-time meting van de diepte van het lasgat met een precisie op microniveau. Omdat het detecteert door middel van coherente interferentie, in plaats van te vertrouwen op de helderheid of temperatuur van de lasrook, wordt de OCT niet beïnvloed door veranderingen in de toestand van het oppervlak, de reflectiviteit van het materiaal of het vermogen van de straal.
OCT is vooral waardevol voor het lassen single-mode kernbundel. Dit produceert deep, smalle sleutelgaten met een hoge beeldverhouding die voor de meeste optische systemen moeilijk te bereiken zijn. Maar OCT kan gemakkelijk sleutelgaten aftasten die slechts enkele tientallen microns breed zijn. Daarom is het zeer geschikt voor het meten van penetratie in dikke busbars waar dieptecontrole kritisch is.
Dankzij de snelheid van OCT-instrumenten kunnen fabrikanten elke uitgevoerde las in realtime valideren. Omstandigheden zoals te weinig of te veel inbranding kunnen onmiddellijk worden geïdentificeerd en gemarkeerd..
Voor de massaproductie van EV-batterijen betekent dit een hogere verwerkingscapaciteit, een hogere opbrengst en een veel groter vertrouwen dat elke busbar volgens de specificaties is gemaakt. Bovendien zorgen de opgeslagen meetgegevens voor een hogere mate van traceerbaarheid.
Aan de slag met een laseroplossing
Samen maken dual-beam fiber lasers en real-time, inline OCT lasdiepte meting betrouwbaar, Kosten Efficiënte lassen van dikke busbars mogelijk. IPG Photonics is als geen ander in staat om deze technologieën te combineren tot de optimale oplossing voor uw specifieke applicatie.
Dit komt omdat we de grootste selectie van dual-beam fiber lasers op de markt aanbieden en ook ons eigen OCT-gebaseerde laserlasmeetinstrument bouwen en integreren. Dit garandeert een constant hoge gegevenskwaliteit, stabiliteit en operationele betrouwbaarheid.
Neem contact op met een van onze laserlasexperts om het juiste systeem te kiezen voor uw behoeften op het gebied van batterijlassen.
