In der Welt der Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge (EV) ist das Laserschweißen ein Eckpfeiler der Technologie, der unvergleichliche Präzision, Zuverlässigkeit und Effizienz beim Verbinden von Batteriezellen und Stromschienen bietet. Das Laserschweißen ermöglicht die Herstellung von Batterien und Batteriebaugruppen von gleichbleibend hoher Qualität und ermöglicht komplexere, leistungsfähigere Batteriekonstruktionen. Um die unbestreitbaren Vorteile des Laserschweißens in vollem Umfang nutzen zu können, müssen jedoch vor Beginn der Batterieproduktion einige wichtige Überlegungen angestellt werden - von der Werkzeugausstattung bis hin zur Qualitätssicherung (QS).
1. Auswahl einer Spannmethode
Es gibt zwei grundlegende Ansätze für die Konstruktion von Werkzeugen, mit denen Stromschienen oder Kollektorplatten auf Batteriezellenpole gepresst werden: Schweißmasken oder Einzelzellenklemmen. Die Wahl zwischen diesen Spannmethoden hat erhebliche Auswirkungen auf die Produktionseffizienz und die Anpassungsfähigkeit.
Schweißmasken versprechen Geschwindigkeit und Effizienz, indem sie die Stromschiene an mehreren Zellen gleichzeitig festklemmen - der Nachteil ist, dass die Maßtoleranzen notwendigerweise enger sein müssen, um einen ausreichenden Kontakt zwischen Stromschiene und Zelle über einen großen Bereich zu gewährleisten. Umgekehrt ermöglicht die Einzelzellenklemmung größere Variationen in der Ausrichtung oder Geometrie der Zellen, was die Produktion vereinfacht und die Kosten senkt. Diese Flexibilität geht jedoch auf Kosten der Geschwindigkeit. Das Laserschweißen bietet sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten von Stromschiene zu Zelle, die manchmal ein Dutzend Zellen pro Sekunde überschreiten, aber langsamere Klemmverfahren können die Schweißgeschwindigkeit begrenzen.
Die Laserschweißgeschwindigkeit kann bei zylindrischen Zellverbindungen ein Dutzend Zellen pro Sekunde überschreiten
2. Genaue Positionierung der Zellen sicherstellen
Das Laserschweißen ist ein äußerst präzises Verfahren, und die Positionierung der Zellen muss einheitlich und genau sein, um gleichmäßige Schweißnähte zu gewährleisten. Schwankungen in der Zellenausrichtung innerhalb des Batteriepacks können zu falsch ausgerichteten Schweißnähten oder unzureichender Schweißtiefe führen, die die strukturelle Integrität beeinträchtigen. Engere Zellhalterkonstruktionen verringern oft die Abweichungen bei der Batterieplatzierung, bergen jedoch die Gefahr einer Überkomprimierung und einer Beschädigung der Zellen während der Installation. Die Optimierung des Batteriepackdesigns mit Ausrichtungshilfen und die Minimierung von Lücken verbessert die Zugänglichkeit und Qualität der Schweißnähte.
3. Stromschienen für mehr als nur Leistung entwerfen
Bei der Entwicklung einer effektiven Stromschiene oder Stromabnehmerplatte geht es nicht nur um die Optimierung der elektrischen Leistung. Erwägungen wie die Dicke, die die Steifigkeit und Flexibilität bestimmt, wirken sich sowohl auf das Werkzeug als auch auf die optimalen Laserparameter aus. Dickere Stromschienen, die häufig für prismatische Zellen verwendet werden, sind zwar effizient bei der Stromübertragung, lassen sich aber für den Kontakt mit den Zellanschlüssen schwieriger biegen. Außerdem können dickere Materialien die Laserdurchdringungszeit verlängern.
Das Material der Stromschienen ist ein besonders wichtiger Faktor bei der Entwicklung von Batteriesammelschienen für Elektrofahrzeuge. Kupfer ist aufgrund seiner ausgezeichneten Leitfähigkeit seit langem eine beliebte Wahl sowohl für Stromschienen als auch für andere EV-Batterieelemente. Aluminium wird jedoch immer beliebter als Ersatz für Kupfer-Sammelschienen, da es eine gute elektrische Leistung bietet und gleichzeitig das Gewicht des Batteriepacks reduziert. Aluminium-Sammelschienen wiegen oft nur halb so viel wie Kupfer-Sammelschienen.
Glücklicherweise bieten Laser, die für das Schweißen von EV-Batterien entwickelt wurden, hohe Schweißgeschwindigkeiten und eine hervorragende Schweißqualität für eine Vielzahl von Sammelschienen-Designs und Materialien. Batterieschweißlaser bieten oft hoch fokussierte Strahlen mit hervorragender Strahlqualität, die eine schnelle Durchschweißung ermöglichen, ohne eine große Wärmeeinflusszone zu erzeugen.
4. Planung für die Anforderungen an die Batteriehandhabung
Jedes Jahr führen Hersteller von Elektroautobatterien Millionen oder sogar Milliarden von Schweißnähten zwischen Stromschienen und Zellen durch, was eine effiziente Automatisierung unabdingbar macht. Es gibt viele Faktoren, die das Batteriedesign beeinflussen, aber ein anschauliches Beispiel ist die Platzierung der Pole auf zylindrischen Zellen.
Zylindrische Zellen können so konstruiert werden, dass sich sowohl der Plus- als auch der Minuspol oben befinden oder der Pluspol oben und der Minuspol unten. Die Wahl zwischen diesen beiden Ausführungen bestimmt die Produktionsgeschwindigkeit und die Komplexität. Das traditionelle Top/Bottom-Design ermöglicht ein vereinfachtes Busbar-Design, erfordert aber einen zusätzlichen Schritt der Batteriehandhabung, um die Baugruppe für einen zweiten Schweißdurchgang zu drehen. Das Top/Top-Design, das mit der Einführung der 4680er-Zellen immer häufiger verwendet wird, ermöglicht schnellere Produktionszyklen bei geringerem Batteriehandling, erfordert aber sowohl eine präzise Schweißplatzierung innerhalb enger Toleranzen als auch ein komplexeres Sammelschienen-Design.
Unabhängig vom Batteriedesign oder den Anforderungen an das Batterieschweißen eignet sich das Laserschweißen gut für die Automatisierung. Ein effektives Laserschweißsystem für EV-Batterien passt sich dem jeweiligen Produktionsstadium an, von der Forschung und Entwicklung bis hin zur Serienfertigung, und erfüllt die Anforderungen an die Werkzeuge und das Batteriehandling.
5. Einbindung eines robusten QA-Prozesses
Wenn die eingehenden Batterien eine gleichbleibende Oberflächenqualität und Toleranzen aufweisen, ist das Laserschweißen ein äußerst stabiler und wiederholbarer Prozess. Kommt es jedoch zu unerwarteten Abweichungen bei den Abmessungen oder der Positionierung, kann das Ergebnis eine fehlerhafte Schweißnaht sein. Fehlerhafte Schweißnähte führen zu teurer Nacharbeit oder Ausschuss und im schlimmsten Fall zu einem katastrophalen Ausfall des Endprodukts. Daher ist es notwendig, jede Schweißnaht zwischen Sammelschiene und Endgerät genau und effizient zu messen und zu prüfen.
Die Echtzeit-Schweißnahtmesstechnik misst die Schweißnahtgeometrie direkt bei der Herstellung der Schweißnaht.
Die zerstörende Prüfung liefert genaue Ergebnisse, ist aber teuer und nicht in der Lage, jede Schweißnaht zu messen. Methoden wie die Fotodiodenprüfung werden während des Prozesses für jede Schweißnaht durchgeführt, können aber nur indirekte Messungen vornehmen und liefern unvollkommene Ergebnisse. Hersteller von Elektroautobatterien haben sich zunehmend der Echtzeitmessung von Schweißnähten zugewandt. Bei der Echtzeitmessung von Schweißnähten werden kritische Faktoren wie die Schweißnahttiefe direkt bei der Herstellung der Schweißnaht gemessen, was hochpräzise Daten liefert, die mit zerstörenden Prüfungen vergleichbar sind. Darüber hinaus lassen sich anhand von Trends in den Schweißmessdaten Prozessabweichungen erkennen, was den Batterieherstellern hilft, in Zukunft inakzeptable Schweißnähte zu vermeiden.
Die Vorteile des Laserschweißens voll ausschöpfen
Um das volle Potenzial der Laserschweißtechnologie auszuschöpfen, muss man sowohl die Möglichkeiten des Lasers als auch die Anforderungen an die Batterie kennen. Die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Anbieter von Laserlösungen für die Elektromobilität ist ein wichtiger Schritt zur Optimierung der EV-Batterieproduktion. Anbieter von Laserlösungen wie IPG Photonics integrieren Laser, Strahlführung, Schweißnahtmessung in Echtzeit und Lasersysteme speziell für das Batterieschweißen, um Batterieherstellern zum Erfolg in dieser dynamischen Branche zu verhelfen.
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