In der Welt der Batterieherstellung für Elektrofahrzeuge (EV) ist das Laserschweißen eine grundlegende Technologie, die eine beispiellose Präzision, Zuverlässigkeit und Effizienz beim Verbinden von Batteriezellen und Stromschienen bietet. Das Laserschweißen ermöglicht die Herstellung von Batterien und Batteriebaugruppen mit gleichbleibend hoher Qualität und ermöglicht komplexere, leistungsstärkere EV-Batteriedesigns. Um jedoch die unbestreitbaren Vorteile des Laserschweißens voll auszuschöpfen, müssen vor Beginn der Batterieproduktion einige wichtige Aspekte berücksichtigt werden, von der Werkzeugausstattung bis zur Qualitätssicherung (QA).
1. Auswahl einer Klemmmethode
Es gibt zwei grundlegende Ansätze für die Konstruktion der Werkzeuge, mit denen Stromschienen oder Kollektorplatten an die Batteriezellanschlüsse gepresst werden: Schweißmasken oder Einzelzellklemmen. Die Wahl zwischen diesen beiden Klemmverfahren hat erhebliche Auswirkungen auf die Produktionseffizienz und Anpassungsfähigkeit.
Schweißmasken versprechen Schnelligkeit und Effizienz, indem sie die Sammelschiene an mehreren Zellen gleichzeitig festklemmen – der Nachteil ist, dass die Maßtoleranzen zwangsläufig enger sein müssen, um einen ausreichenden Kontakt zwischen Sammelschiene und Zelle über einen großen Bereich sicherzustellen. Umgekehrt ermöglicht das Klemmen einzelner Zellen größere Abweichungen in der Ausrichtung oder Geometrie der Zellen, was die Produktion vereinfacht und die Kosten senkt. Diese Flexibilität geht jedoch zu Lasten der Geschwindigkeit. Laserschweißen bietet sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten zwischen Busbar und Zelle, die manchmal mehr als ein Dutzend Zellen pro Sekunde betragen, aber langsamere Klemmverfahren können die Schweißgeschwindigkeit einschränken.
Die Schweißgeschwindigkeit beim Laserschweißen kann bei zylindrischen Zellverbindungen mehr als ein Dutzend Zellen pro Sekunde betragen.
2. Sicherstellung einer präzisen Zellpositionierung
Laserschweißen ist ein äußerst präziser Prozess, bei dem die Positionierung der Zellen konsistent und exakt sein muss, um gleichmäßige Schweißnähte zu gewährleisten. Abweichungen in der Ausrichtung der Zellen innerhalb des Akkupacks können zu falsch ausgerichteten Schweißnähten oder unzureichender Schweißdurchdringung führen, wodurch die strukturelle Integrität beeinträchtigt wird. Engere Zellenhalterkonstruktionen reduzieren zwar häufig Abweichungen bei der Platzierung der Akkus, bergen jedoch das Risiko einer Überkompression und einer Beschädigung der Zellen während der Installation. Die Optimierung der Konstruktion des Akkupacks durch Ausrichtungshilfen und die Minimierung von Lücken verbessern die Zugänglichkeit und Qualität der Schweißnähte.
3. Entwurf von Sammelschienen für mehr als nur Leistung
Die Konstruktion einer effektiven Sammelschiene oder Stromabnehmerplatte umfasst mehr als nur die Optimierung der elektrischen Leistung. Faktoren wie die Dicke, die die Steifigkeit und Flexibilität bestimmt, wirken sich sowohl auf die Werkzeugausstattung als auch auf die optimalen Laserparameter aus. Dickere Sammelschienen, die häufig für prismatische Zellen verwendet werden, leiten Strom effizient, lassen sich jedoch schwerer biegen, um Kontakt mit den Zellanschlüssen herzustellen. Darüber hinaus kann dickeres Material die Laserdurchdringungszeit verlängern.
Das Material der Stromschiene ist ein besonders wichtiger Faktor bei der Konstruktion von Stromschienen für EV-Batterien. Kupfer ist aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit seit langem eine beliebte Wahl für Stromschienen und andere EV-Batteriekomponenten. Aluminium gewinnt jedoch als Ersatz für Kupferstromschienen zunehmend an Beliebtheit, da es eine gute elektrische Leistung bietet und gleichzeitig das Gewicht des Batteriepacks reduziert. Aluminiumstromschienen wiegen oft nur halb so viel wie Kupferstromschienen.
Glücklicherweise bieten Laser, die für das Schweißen von EV-Batterien entwickelt wurden, hohe Schweißgeschwindigkeiten und eine hervorragende Schweißqualität für eine Vielzahl von Sammelschienenkonstruktionen und -materialien. Batterieschweißlaser bieten oft hochfokussierte Strahlen mit ausgezeichneter Strahlqualität, die eine schnelle Schweißdurchdringung erzielen, ohne eine große Wärmeeinflusszone zu erzeugen.
4. Planung der Anforderungen für den Umgang mit Batterien
Jedes Jahr führen Hersteller von EV-Batterien Millionen oder sogar Milliarden von Schweißverbindungen zwischen Sammelschienen und Zellen durch, weshalb eine effiziente Automatisierung von entscheidender Bedeutung ist. Es gibt viele Faktoren, die das Batteriedesign beeinflussen, aber ein anschauliches Beispiel ist die Platzierung der Anschlüsse auf zylindrischen Zellen.
Zylindrische Zellen können so konstruiert werden, dass sich sowohl der Plus- als auch der Minuspol oben befinden oder dass sich der Pluspol oben und der Minuspol unten befindet. Die Wahl zwischen diesen Designs bestimmt die Produktionsgeschwindigkeit und Komplexität. Das traditionelle Top/Bottom-Design ermöglicht eine vereinfachte Busbar-Konstruktion, erfordert jedoch einen zusätzlichen Schritt bei der Batteriehandhabung, um die Baugruppe für einen zweiten Schweißdurchgang umzudrehen. Das Top/Top-Design, das mit der Einführung von Zellen des Typs 4680 immer häufiger zum Einsatz kommt, ermöglicht schnellere Produktionszyklen mit reduziertem Batteriehandling, erfordert jedoch sowohl eine präzise Schweißplatzierung innerhalb enger Toleranzen als auch ein komplexeres Busbar-Design.
Unabhängig vom Batteriedesign oder den Anforderungen an das Schweißen von Batterien eignet sich das Laserschweißen gut für die Automatisierung. Ein effektives Laserschweißsystem für EV-Batterien passt sich der Produktionsphase an, von der Forschung und Entwicklung bis zur Serienfertigung, und erfüllt die Anforderungen an Werkzeuge und Batteriehandhabung.
5. Ein robustes Qualitätssicherungsverfahren integrieren
Wenn die eingehenden Batterien eine gleichbleibende Oberflächenqualität und Toleranzen aufweisen, ist das Laserschweißen ein äußerst stabiler und wiederholbarer Prozess. Wenn jedoch die Abmessungen oder Positionseigenschaften unerwartet variieren, kann dies zu einer fehlerhaften Schweißnaht führen. Fehlerhafte Schweißnähte führen zu teuren Nacharbeiten oder Ausschuss und im schlimmsten Fall zu einem katastrophalen Ausfall des Endprodukts. Daher ist es notwendig, jede Schweißnaht zwischen Sammelschiene und Anschluss genau und effizient zu messen und zu prüfen.
Die Echtzeit-Schweißnahtmesstechnik misst die Schweißnahtgeometrie direkt während des Schweißvorgangs.
Zerstörende Prüfungen liefern genaue Ergebnisse, sind jedoch kostspielig und können nicht jede Schweißnaht messen. Methoden wie die Photodiodenmessung werden während des Prozesses für jede Schweißnaht durchgeführt, können jedoch nur indirekte Messungen vornehmen und liefern unvollständige Ergebnisse. Hersteller von Elektrofahrzeugbatterien setzen zunehmend auf Echtzeit-Schweißnahtmessungen. Bei der Echtzeit-Schweißnahtmessung werden kritische Faktoren wie die Schweißnahttiefe direkt während des Schweißvorgangs gemessen, wodurch hochpräzise Daten gewonnen werden, die mit denen zerstörender Prüfungen vergleichbar sind. Darüber hinaus können anhand von Trends in den Schweißnahtmessdaten Prozessabweichungen erkannt werden, wodurch Batteriehersteller unzulässige Schweißnähte in Zukunft vermeiden können.
Laserschweißen optimal nutzen
Um das volle Potenzial der Laserschweißtechnologie auszuschöpfen, muss man sowohl die Möglichkeiten des Lasers als auch die Anforderungen an die Batterie verstehen. Die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Anbieter von Laserlösungen für die Elektromobilität ist ein wichtiger Schritt zur Optimierung der Produktion von EV-Batterien. Anbieter von Laserlösungen wie IPG Photonics integrieren Laser, Strahlführung, Echtzeit-Schweißmessung und speziell für das Schweißen von Batterien entwickelte Lasersysteme, um Batterieherstellern zum Erfolg in dieser dynamischen Branche zu verhelfen.
Weitere Informationen: Erste Schritte mit einer Lösung zum Schweißen von Batterien
