En el mundo de la fabricación de baterías para vehículos eléctricos (EV), la soldadura láser es una tecnología fundamental que ofrece una precisión, fiabilidad y eficiencia sin igual en la unión de celdas de batería y barras colectoras. La soldadura láser permite la producción de baterías y conjuntos de baterías de alta calidad constante y permite diseños de baterías para vehículos eléctricos más complejos y de mayor rendimiento. Sin embargo, para aprovechar al máximo las innegables ventajas de la soldadura láser, es necesario tener en cuenta algunas consideraciones clave, desde las herramientas hasta el control de calidad (QA), antes de poder comenzar la producción de baterías.
1. Elección de un método de sujeción
Existen dos enfoques básicos para el diseño de las herramientas que prensan las barras colectoras o las placas colectoras a los terminales de las celdas de batería: máscaras de soldadura o abrazaderas de celda única. La elección entre estos métodos de sujeción tiene un impacto significativo en la eficiencia y la adaptabilidad de la producción.
Las máscaras de soldadura prometen rapidez y eficiencia al sujetar la barra colectora a varias celdas a la vez; la desventaja es que las tolerancias dimensionales deben ser necesariamente más estrictas para garantizar un contacto suficiente entre la barra colectora y la celda en una amplia zona. Por el contrario, la sujeción de una sola célula permite mayores variaciones en la alineación o la geometría de las células, lo que simplifica la producción y reduce los costes. Sin embargo, esta flexibilidad tiene un coste en términos de velocidad. La soldadura por láser ofrece velocidades muy altas de soldadura entre la barra colectora y la célula, que en ocasiones superan la docena de células por segundo, pero los métodos de sujeción más lentos pueden limitar las velocidades de soldadura.
Las velocidades de soldadura láser pueden superar una docena de celdas por segundo para conexiones de celdas cilíndricas.
2. Garantizar un posicionamiento preciso de las células
La soldadura láser es un proceso excepcionalmente preciso y el posicionamiento de las celdas debe ser consistente y preciso para garantizar soldaduras uniformes. Las variaciones en la alineación de las celdas dentro del paquete de baterías pueden provocar soldaduras desalineadas o una penetración inadecuada de la soldadura que comprometa la integridad estructural. Los diseños de soportes de celdas más ajustados suelen reducir la variación en la colocación de las baterías, pero pueden suponer un riesgo de compresión excesiva y daño de las celdas durante la instalación. La optimización del diseño del paquete de baterías con guías de alineación y la minimización de los espacios mejora la accesibilidad y la calidad de la soldadura.
3. Diseño de barras colectoras para obtener más que rendimiento
El diseño de una barra colectora o placa colectora de corriente eficaz implica mucho más que optimizar el rendimiento eléctrico. Consideraciones como el grosor, que determina la rigidez y la flexibilidad, influyen tanto en las herramientas como en los parámetros óptimos del láser. Las barras colectoras más gruesas, que se utilizan a menudo para las celdas prismáticas, son eficaces para transportar corrientes, pero son más difíciles de doblar para el contacto con los terminales de las celdas. Además, los materiales más gruesos pueden aumentar el tiempo de penetración del láser.
El material de las barras colectoras es una consideración especialmente importante a la hora de diseñar barras colectoras para baterías de vehículos eléctricos. El cobre ha sido durante mucho tiempo una opción muy popular tanto para las barras colectoras como para otros componentes de las baterías de vehículos eléctricos debido a su excelente conductividad. Sin embargo, el aluminio ha seguido ganando popularidad como sustituto de las barras colectoras de cobre, ya que ofrece un buen rendimiento eléctrico y reduce el peso del paquete de baterías. Las barras colectoras de aluminio suelen pesar la mitad que las de cobre.
Afortunadamente, los láseres diseñados para la soldadura de baterías de vehículos eléctricos mantienen altas velocidades de soldadura y una excelente calidad de soldadura para una amplia variedad de diseños y materiales de barras colectoras. Los láseres de soldadura de baterías suelen ofrecer haces altamente enfocados con una excelente calidad de haz que logran una rápida penetración de la soldadura sin crear una gran zona afectada por el calor.
4. Planificación de los requisitos para el manejo de baterías
Cada año, los fabricantes de baterías para vehículos eléctricos realizan millones, o incluso miles de millones, de soldaduras entre barras colectoras y celdas, por lo que la automatización eficiente es de vital importancia. Hay muchos factores que influyen en el diseño de las baterías, pero un ejemplo ilustrativo es la colocación de los terminales en las celdas cilíndricas.
Las celdas cilíndricas pueden diseñarse con los terminales positivo y negativo en la parte superior o con el terminal positivo en la parte superior y el negativo en la parte inferior. La elección entre estos diseños determina la velocidad y la complejidad de la producción. El diseño tradicional superior/inferior permite simplificar el diseño de la barra colectora, pero requiere un paso adicional de manipulación de la batería para dar la vuelta al conjunto para una segunda pasada de soldadura. El diseño superior/superior, que se ha vuelto más común con la introducción de las celdas de estilo 4680, permite ciclos de producción más rápidos con una manipulación reducida de la batería, pero exige una colocación precisa de la soldadura dentro de tolerancias estrictas y un diseño de barra colectora más complejo.
Independientemente del diseño de la batería o de los requisitos de soldadura de la misma, la soldadura por láser se presta bien a la automatización. Un sistema eficaz de soldadura por láser de baterías para vehículos eléctricos se adapta a la etapa de producción, desde la I+D hasta la fabricación a gran escala, y responde a los requisitos de herramientas y manipulación de baterías.
5. Incorporación de un proceso de control de calidad sólido
Cuando las baterías entrantes tienen una calidad superficial y tolerancias uniformes, la soldadura láser es un proceso muy estable y repetible. Sin embargo, si las propiedades dimensionales o posicionales varían de forma inesperada, el resultado puede ser una soldadura defectuosa. Las soldaduras defectuosas dan lugar a costosas reelaboraciones o desechos y, en el peor de los casos, a fallos catastróficos en el producto final. Por lo tanto, es necesario medir y probar de forma precisa y eficiente cada soldadura entre la barra colectora y el terminal.
La tecnología de medición de soldaduras en tiempo real mide directamente la geometría de la soldadura a medida que se realiza.
Las pruebas destructivas producen resultados precisos, pero son costosas y no permiten medir todas las soldaduras. Métodos como el fotodiodo se realizan durante el proceso para cada soldadura, pero solo pueden tomar mediciones indirectas y proporcionan resultados imperfectos. Los fabricantes de baterías para vehículos eléctricos recurren cada vez más a la medición de soldaduras en tiempo real. La medición de soldaduras en tiempo real mide directamente factores críticos como la profundidad de la soldadura a medida que se realiza, lo que proporciona datos muy precisos comparables a los de las pruebas destructivas. Además, las tendencias en los datos de medición de soldaduras pueden detectar desviaciones en el proceso, lo que ayuda a los fabricantes de baterías a evitar futuras soldaduras inaceptables.
Aprovechar al máximo la soldadura láser
En última instancia, para aprovechar todo el potencial de la tecnología de soldadura láser es necesario comprender tanto las capacidades del láser como los requisitos de las baterías. Trabajar con un proveedor experimentado de soluciones láser para la movilidad eléctrica es un paso importante para optimizar la producción de baterías para vehículos eléctricos. Los proveedores de soluciones láser como IPG Photonics integran láseres, sistemas de transmisión del haz, medición de soldaduras en tiempo real y sistemas láser diseñados específicamente para la soldadura de baterías, con el fin de ayudar a los fabricantes de baterías a tener éxito en este dinámico sector.
Más información: Cómo empezar con una solución de soldadura de baterías
