전기 자동차(EV) 배터리 제조 분야에서 레이저 용접은 배터리 셀과 버스바를 결합하는 데 있어 탁월한 정밀도, 신뢰성, 효율성을 제공하는 초석 기술입니다. 레이저 용접을 통해 일관된 고품질의 배터리와 배터리 어셈블리를 생산할 수 있으며, 더 복잡하고 고성능의 EV 배터리 설계가 가능합니다. 그러나 레이저 용접의 확실한 이점을 최대한 활용하려면 배터리 생산을 시작하기 전에 툴링부터 품질 보증(QA)까지 몇 가지 주요 고려 사항이 필요합니다.
1. 클램핑 방법 선택
버스바 또는 콜렉터 플레이트를 배터리 셀 단자에 압착하는 툴링 설계에는 용접 마스크 또는 단일 셀 클램프의 두 가지 기본 접근 방식이 있습니다. 이러한 클램핑 방법 중 어떤 것을 선택하느냐에 따라 생산 효율성과 적응성에 큰 영향을 미칩니다.
용접 마스크는 한 번에 여러 셀에 버스바를 클램핑하여 속도와 효율성을 약속하지만, 넓은 영역에서 버스바-셀 간 충분한 접촉을 보장하려면 치수 공차가 반드시 더 엄격해야 한다는 단점이 있습니다. 반대로 단일 셀 클램핑은 셀 정렬 또는 형상의 더 큰 변화를 수용하여 생산을 간소화하고 비용을 절감할 수 있습니다. 그러나 이러한 유연성에는 속도가 희생됩니다. 레이저 용접은 초당 12셀을 초과하는 매우 빠른 버스바-셀 용접 속도를 제공하지만, 클램핑 속도가 느리면 용접 속도가 제한될 수 있습니다.
레이저 용접 속도는 원통형 셀 연결의 경우 초당 수십 개의 셀을 초과할 수 있습니다.
2. 정확한 셀 포지셔닝 보장
레이저 용접은 매우 정밀한 공정이며 균일한 용접을 위해서는 셀 위치가 일관되고 정확해야 합니다. 배터리 팩 내 셀 정렬에 변화가 생기면 용접이 잘못 정렬되거나 용접 침투가 불충분해져 구조적 무결성이 손상될 수 있습니다. 셀 홀더를 더 단단하게 설계하면 배터리 배치 편차를 줄일 수 있지만 설치 중 과압축 및 셀 손상의 위험이 있을 수 있습니다. 정렬 가이드를 사용하여 배터리 팩 설계를 최적화하고 간격을 최소화하면 용접 접근성과 품질이 향상됩니다.
3. 성능 그 이상을 위한 버스바 설계
효과적인 버스바 또는 집전판 설계에는 전기적 성능을 최적화하는 것 이상의 것이 포함됩니다. 강성과 유연성을 결정하는 두께와 같은 고려 사항은 툴링과 최적의 레이저 매개변수 모두에 영향을 미칩니다. 프리즘형 셀에 자주 사용되는 두꺼운 버스바는 전류를 전달하는 데 효율적이지만 셀 단자와 접촉하기 위해 구부리기가 더 어렵습니다. 또한 재료가 두꺼우면 레이저 투과 시간이 늘어날 수 있습니다.
버스바 재료는 전기차 배터리 버스바를 설계할 때 특히 중요한 고려 사항입니다. 구리는 뛰어난 전도성으로 인해 오랫동안 버스바 및 기타 EV 배터리 기능에 널리 선택되어 왔습니다. 그러나 알루미늄은 배터리 팩 무게를 줄이면서 우수한 전기적 성능을 제공하기 때문에 구리 버스바를 대체하는 소재로 그 인기가 계속 높아지고 있습니다. 알루미늄 버스바의 무게는 구리 버스바의 절반에 불과합니다.
다행히도 EV 배터리 용접용으로 설계된 레이저는 다양한 버스바 디자인과 재료에 대해 빠른 용접 속도와 우수한 용접 품질을 유지합니다. 배터리 용접 레이저는 종종 고집적 빔과 우수한 빔 품질을 제공하여 넓은 열 영향 영역을 만들지 않고도 신속하게 용접 침투를 달성합니다.
4. 배터리 취급 요건 계획
전기차 배터리 제조업체는 매년 수백만 개 또는 수십억 개의 버스바-셀 용접을 수행하므로 효율적인 자동화가 매우 중요합니다. 배터리 설계에는 여러 가지 요소가 있지만 원통형 셀의 단자 배치를 예로 들 수 있습니다.
원통형 셀은 양극과 음극 단자가 모두 상단에 있거나 양극 단자가 상단에 있고 음극 단자가 하단에 있는 형태로 설계할 수 있습니다. 이러한 디자인 중 하나를 선택하면 생산 속도와 복잡성이 결정됩니다. 기존의 상단/하단 설계는 버스바 설계를 간소화할 수 있지만 두 번째 용접을 위해 어셈블리를 뒤집는 추가 배터리 취급 단계가 필요합니다. 4680 스타일 셀의 도입으로 더욱 보편화된 상단/하단 설계는 배터리 취급을 줄이면서 생산 주기를 단축할 수 있지만, 엄격한 공차 내에서 정밀한 용접 배치와 더 복잡한 버스바 설계가 필요합니다.
배터리 설계 또는 배터리 용접 요구 사항에 관계없이 레이저 용접은 자동화에 적합합니다. 효과적인 EV 배터리 레이저 용접 시스템은 R&D에서 본격적인 제조에 이르는 생산 단계에 적합하며 툴링 및 배터리 취급 요구 사항을 해결합니다.
5. 강력한 QA 프로세스 통합
입고되는 배터리의 표면 품질과 공차가 일정할 경우 레이저 용접은 매우 안정적이고 반복 가능한 공정입니다. 그러나 치수 또는 위치 특성이 예기치 않게 달라지면 용접 결함이 발생할 수 있습니다. 용접 결함은 값비싼 재작업이나 폐기물을 초래하고 최악의 경우 최종 제품에 치명적인 결함을 초래할 수 있습니다. 따라서 모든 버스바-터미널 용접을 정확하고 효율적으로 측정하고 테스트해야 합니다.
실시간 용접 측정 기술은 용접이 이루어질 때 용접 형상을 직접 측정합니다.
파괴 테스트는 정확한 결과를 제공하지만 비용이 많이 들고 모든 용접부를 측정할 수 없습니다. 포토다이오드와 같은 방법은 각 용접에 대해 공정 중에 수행되지만 간접 측정만 가능하고 불완전한 결과를 제공할 수 있습니다. EV 배터리 제조업체들은 점점 더 실시간 용접 측정으로 전환하고 있습니다. 실시간 용접 측정은 용접이 이루어질 때 용접 깊이와 같은 중요한 요소를 직접 측정하여 파괴 테스트에 필적하는 매우 정확한 데이터를 반환합니다. 또한 용접 측정 데이터의 추세는 공정 드리프트를 감지하여 배터리 제조업체가 향후 허용되지 않는 용접을 방지할 수 있도록 도와줍니다.
레이저 용접을 최대한 활용하기
궁극적으로 레이저 용접 기술의 잠재력을 최대한 활용하려면 레이저 성능과 배터리 요구 사항을 모두 이해해야 합니다. 경험이 풍부한 e-Mobility 레이저 솔루션 제공업체와 협력하는 것은 전기차 배터리 생산을 최적화하는 데 중요한 단계입니다. IPG 포토닉스와 같은 레이저 솔루션 제공업체는 레이저, 빔 전달, 실시간 용접 측정, 배터리 용접 전용 레이저 시스템을 통합하여 배터리 제조업체가 이 역동적인 산업에서 성공할 수 있도록 지원합니다.
자세히 알아보기: 배터리 용접 솔루션을 시작하는 방법
