電池的焊接及測(cè)量

編者說(shuō)明：下文為MDPI的一篇論文Overview of Optical Digital Measuring Challenges and Technologies in Laser Welded Components in EV Battery Module Design and Manufacturing的一部分翻譯內(nèi)容，便于更好理解做了一些數(shù)據(jù)和圖片的插入，用于學(xué)術(shù)和科普研究，不作任何商業(yè)用途，文中相關(guān)數(shù)據(jù)未經(jīng)逐一求實(shí)，僅來(lái)自于相關(guān)引文，謹(jǐn)慎用于實(shí)際，更多參考與學(xué)習(xí)其思路和總結(jié)；

電池組件端子連接的激光焊接

對(duì)于電池包模組，可以使用多種方法將busbar連接到接頭，包括激光焊接和超聲波焊接、壓接或螺釘連接，考慮到實(shí)時(shí)過(guò)程監(jiān)控的最新發(fā)展，動(dòng)態(tài)激光焊接正在成為一種非常合適的連接方法。對(duì)于大批量連續(xù)制造，激光焊接通常因其低熱輸入、快速操作、易于自動(dòng)化和可重復(fù)性而被選擇 ，正是因?yàn)榧す夂附拥倪@些特點(diǎn)使該方法適用于電池組應(yīng)用：它是一種非接觸式工藝，可實(shí)現(xiàn)高速操作、定制焊接模式的執(zhí)行和焊接任何接頭幾何形狀，同時(shí)能夠連接不同的金屬。將匯流排激光焊接到電池單元端子時(shí)一般使用三種接頭布置：搭接接頭、角接頭和激光點(diǎn)焊。

圖 5. 激光連接電池連接的標(biāo)準(zhǔn)方法：角接（左）、搭接（中）、多點(diǎn)焊（右）

搭接接頭和激光點(diǎn)焊方法主要用于焊接棱柱形、袋形和圓柱形電池類(lèi)型的端子連接。角接接頭用于端子連接母線設(shè)計(jì)有孔時(shí)，開(kāi)孔邊緣應(yīng)采用角焊縫。電池端子焊接過(guò)程的熱輸入必須低，熔深均勻，以免損壞電池 。由于焊接時(shí)間是決定能量輸入的主要因素，因此電池焊接需要具有非常小的焦點(diǎn)直徑和高能量密度的激光器。焦點(diǎn)直徑小，具有熔池小、熱輸入低和焊接速度快等優(yōu)點(diǎn)。使用小焦點(diǎn)的主要缺點(diǎn)是對(duì)母線和電池端子的相對(duì)定位精度要求嚴(yán)格。數(shù)字光學(xué)測(cè)量是確保正確裝配的一種潛在方法，因?yàn)榻宇^裝配必須非常精確，以保證接頭所需的強(qiáng)度和導(dǎo)電性。下表總結(jié)了不同激光焊接方法的優(yōu)缺點(diǎn)

激光焊接不同電池組裝方法的比較。示意圖代表商業(yè)上可用的工業(yè)解決方案

2.1用于電池焊接的激光器

用于電池焊接的激光器可以根據(jù)激光介質(zhì)的類(lèi)型和波長(zhǎng)進(jìn)行分類(lèi)。通常，光纖、圓盤(pán)和光纖轉(zhuǎn)換二極管激光器用于電池端子焊接。這些激光器具有良好的光束質(zhì)量和可聚焦性，波長(zhǎng)包括光纖和盤(pán)式激光器的主要波長(zhǎng)。提供較大焦距直徑的激光系統(tǒng)具有高達(dá) 4 kW 或更高的功率水平，而實(shí)現(xiàn)較小光束直徑的系統(tǒng)使用功率水平高達(dá) 3 kW 的單模光纖激光器。適用于電池生產(chǎn)的系統(tǒng)特性如下表所示

電池端子焊接中的激光類(lèi)型和材料組合匯總

在過(guò)去的十年中，綠色和藍(lán)色激光器開(kāi)始商業(yè)化，目前正引起人們的興趣，因?yàn)?450 nm 和 532 nm 波長(zhǎng)在銅中比近紅外激光器具有更好的吸收率 。這種激光器主要用于科學(xué)研究，然而，較短的波長(zhǎng)特別有利于焊接銅，目前已經(jīng)成熟用于工業(yè)用途。例如，比較 Trumpf 的綠光和紅外激光器在相同設(shè)置下以 1 kW 功率水平焊接銅的性能，515 nm 波長(zhǎng)產(chǎn)生了大約 50% 的深度穿透，這意味著對(duì)于給定的穿透深度，可以提高加工速度 。

2.2不同母線設(shè)計(jì)和接頭類(lèi)型的焊接挑戰(zhàn)

用于電池端子激光焊接應(yīng)用的激光束焦點(diǎn)直徑通常在 30 μm 到 200 μm 之間，如下表所示。精密焊接應(yīng)用中需要小焦點(diǎn)直徑。激光焊接角接接頭時(shí)，激光下接頭的位置精度必須足夠精確，以使聚焦光束焦點(diǎn)不會(huì)錯(cuò)過(guò)接頭。在搭接連接配置中母線的激光焊接中，一般建議連接材料之間的最大間隙不超過(guò)母線厚度的 5-10%。因此，母線必須以最小的間隙精確定位，以確保激光焊接接頭的牢固性。未對(duì)準(zhǔn)公差是聚焦光束直徑的函數(shù)，因此母線和電池單元端子之間的距離應(yīng)該最小。

激光焦點(diǎn)直徑為 0.1 mm 且母線厚度為 1.0 mm 的電池分接焊接中的定位精度公差

如上圖所示，細(xì)節(jié) A，1.0 mm 的母線材料厚度允許 0.1 mm 的最大氣隙。但是，如果圓形焊縫的直徑為 6.0 mm，并且電池端子有 0.95 度角的錯(cuò)位，則在母線和端子之間會(huì)形成 0.1 mm 的間隙 。在連續(xù)焊縫中，光束振蕩可用于加寬熔池并增加熔體體積，從而將氣隙橋接能力從 0.3 mm 提高到 0.6 mm 。

3.電動(dòng)汽車(chē)電池自動(dòng)化制造中的光學(xué)數(shù)字測(cè)量技術(shù)

在下文中，對(duì)不同的非接觸式光學(xué)測(cè)量方法進(jìn)行了介紹、分類(lèi)和評(píng)估。下圖顯示了常見(jiàn)的非接觸式自由曲面測(cè)量方法，根據(jù)工作原理分為四個(gè)主要類(lèi)別。

常見(jiàn)的自由曲面測(cè)量方法

3.1使用單個(gè)或多個(gè)相機(jī)進(jìn)行邊緣投影

條紋投影掃描(Fringe projection scanning)是一種主動(dòng)測(cè)量方法，其中已知的光圖案被投影到目標(biāo)表面上，然后由相機(jī)捕獲來(lái)自表面的光圖案的圖像。圖案會(huì)根據(jù)物體的形貌變形和偏轉(zhuǎn)，從而深入了解表面的形狀。在此應(yīng)用程序中，必須知道相機(jī)和投影儀之間的距離。條紋投影被認(rèn)為是一種結(jié)構(gòu)光方法，并且通常使用結(jié)構(gòu)光 。在條紋投影分析中，相機(jī)記錄的每個(gè)像素都映射到 3D 模型。這是通過(guò)求解像素所屬的光條紋，然后使用三角函數(shù)求解每個(gè)點(diǎn)的 3D 坐標(biāo)以數(shù)學(xué)方式完成的。條紋投影掃描是一種高精度的測(cè)量方法，在測(cè)量體積為 560 × 420 × 420 mm 時(shí)，制造商的校準(zhǔn)報(bào)告中報(bào)告了 0.011 mm 的誤差范圍。環(huán)境光條件對(duì)條紋投影掃描的精度沒(méi)有顯著影響。

3.2工業(yè)攝影測(cè)量

工業(yè)攝影測(cè)量（Industrial photogrammetry ）是一種被動(dòng)方法，其中在沒(méi)有主動(dòng)照明的情況下處理圖像。從不同角度拍攝對(duì)象，并使用三角測(cè)量來(lái)計(jì)算云點(diǎn)。該系統(tǒng)使用多個(gè)固定攝像頭運(yùn)行，測(cè)量的可重復(fù)性為±0.02 mm，有測(cè)量速度快等優(yōu)勢(shì)；數(shù)百個(gè) 3D 點(diǎn)可以在 30 秒內(nèi)收集 。攝影測(cè)量主要用于測(cè)量相機(jī)位置未固定或未預(yù)先校準(zhǔn)的大型物體。在基于目標(biāo)位置捕獲圖像后計(jì)算相機(jī)位置，可實(shí)現(xiàn)的相對(duì)長(zhǎng)度測(cè)量誤差保持在 1:50,000 和 1:100,000，該方法主要應(yīng)用于白色制造中的組件和車(chē)身進(jìn)行在線測(cè)量，因此也適用于電池模塊組裝。

3.3激光輪廓和掃描（Laser Profiling and Scanning）

3D 激光掃描儀使用三角測(cè)量、飛行時(shí)間或相移進(jìn)行表面測(cè)量。在三角測(cè)量技術(shù)中，來(lái)自測(cè)量激光器的光對(duì)準(zhǔn)表面，電荷耦合器件 (CCD) 檢測(cè)器捕獲光束圖像。如果激光與物體的距離發(fā)生變化，則忽略的激光與反射激光的夾角也會(huì)相應(yīng)變化，CCD檢測(cè)器會(huì)記錄下這個(gè)差值。激光束被 CCD 檢測(cè)器記錄在不同的位置，然后使用三角測(cè)量來(lái)計(jì)算掃描點(diǎn)的高度。根據(jù) VDI/VDE 2634 第 3 部分測(cè)量可追溯球體偽影時(shí)，三角測(cè)量激光掃描的精度在 0.025 mm–0.04 mm 之間，具體需要取決于掃描儀型號(hào)不同而定。

3.4混合解決方案

大型物體通常需要高精度測(cè)量某些細(xì)節(jié)。例如，必須在焊接前高精度地測(cè)量電池單元的高度，但相比之下，電池模塊本身的尺寸很大。由于這一點(diǎn)以及典型 3D 掃描儀的掃描區(qū)域大小，掃描儀必須在此過(guò)程中重新定位以覆蓋整個(gè)表面。因此，零件和 3D 掃描儀之間會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此必須在全局坐標(biāo)系中知道測(cè)量系統(tǒng)（掃描儀）的方向，以便可以組合局部掃描。測(cè)量系統(tǒng)（掃描儀）在全局坐標(biāo)系中的方向可以通過(guò)不同的技術(shù)來(lái)識(shí)別，例如：

通過(guò)外部攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)傳感器導(dǎo)航

通過(guò)機(jī)器人或關(guān)節(jié)臂進(jìn)行機(jī)械傳感器導(dǎo)航（從機(jī)器人或關(guān)節(jié)臂接收位置信息）

通過(guò)控制點(diǎn)進(jìn)行攝影測(cè)量定位

通過(guò)迭代最近點(diǎn)（ICP）或等效方法進(jìn)行點(diǎn)云匹配

一種常見(jiàn)的組合方法是同時(shí)應(yīng)用邊緣投影和攝影測(cè)量。攝影測(cè)量捕獲參考點(diǎn)，以對(duì)齊由邊緣投影進(jìn)行的各個(gè)掃描。當(dāng)物體尺寸保持在 15.4 m × 2.4 m × 2.3 m 以?xún)?nèi)時(shí)，精度可以達(dá)到 0.1 mm。例如，在汽車(chē) BIW（白車(chē)身）檢測(cè)中，會(huì)測(cè)量某些區(qū)域，但是，點(diǎn)云之間的重疊不一定會(huì)發(fā)生。光學(xué)傳感器或機(jī)械傳感器導(dǎo)航是此類(lèi)應(yīng)用的合適解決方案。

另一種混合解決方案是將激光掃描與外部攝影測(cè)量系統(tǒng)相結(jié)合。一般來(lái)說(shuō)，配備用于跟蹤掃描儀位置的紅外攝像系統(tǒng) (Zeiss T-SCAN 20) 的激光輪廓掃描儀的精度 (EN-ISO 10360) 在 40 μm + 40 μm/1000 × L 以?xún)?nèi)，其中 L 為測(cè)量的長(zhǎng)度。對(duì)于較大的零件，可以使用激光跟蹤儀評(píng)估激光掃描儀的位置。如果測(cè)量長(zhǎng)度低于 8.5 m，則 Leica AT960MR 跟蹤器的 T-Scan 精度 (2-sigma) 為 60 μm，而長(zhǎng)度超過(guò) 8.5 m 時(shí)，精度為 26 μm + 4 μm/m 。在電池模塊制造中使用混合技術(shù)將統(tǒng)一工作流程，提高大面積的測(cè)量精度，從而有利于提高生產(chǎn)速度。

3.5用于電池焊接的商用測(cè)量系統(tǒng)

電池模塊由大約一百個(gè)組件組成，在考慮組裝要焊接的部件時(shí)，必須測(cè)量許多特征。光學(xué)掃描過(guò)程比接觸式探測(cè)方法快得多。從在線測(cè)量的角度來(lái)看，點(diǎn)云分析的速度是一個(gè)關(guān)鍵因素。點(diǎn)云分析依賴(lài)于分析軟件，不在本文討論范圍之內(nèi)。測(cè)量系統(tǒng)的選擇高度依賴(lài)于應(yīng)用程序，但是本研究中審查的幾個(gè)系統(tǒng)具有優(yōu)于當(dāng)前使用的解決方案的能力，特別是因?yàn)榉墙佑|式 3D 測(cè)量的能力。近期進(jìn)入市場(chǎng)并有可能應(yīng)用于電池模塊生產(chǎn)的新型解決方案的特點(diǎn)如下表：

光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)：特性和工作原理

連接到母排的端子之間的最大允許高度誤差保持在 0.05 到 0.1 mm 范圍內(nèi)，設(shè)備上表所示。表中列出的所有設(shè)備都可以達(dá)到 0.1 毫米的精度，其中一些設(shè)備的精度為 0.05 毫米。對(duì)于一個(gè)電池模塊中母線的激光焊接，其占地面積通常小于 500 × 500 mm，因此表中列出的所有設(shè)備都滿(mǎn)足電池焊接操作的精度要求。

4.討論

許多商用電池模塊使用水冷基板，在組裝過(guò)程中，為確保使用自上而下的方法的電池之間的充分接觸，同一平面內(nèi)的電池需要以 0.1 毫米的平整度公差進(jìn)行定位。當(dāng)冷卻板和電池之間的氣隙為零時(shí)，形成從電池到側(cè)面冷卻板的最佳導(dǎo)熱性。如果匯總所有與電池有關(guān)的生產(chǎn)公差，包括裝配位置誤差和冷卻板的平面度公差，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)幾乎是不可能的。為了補(bǔ)償這個(gè)問(wèn)題，一般在電池的側(cè)面和冷卻板之間添加了具有良好導(dǎo)熱性的糊狀材料。

然而，保持良好導(dǎo)熱性的漿料層厚度的限制仍然存在。因此，在焊接前的組裝階段，應(yīng)隱含使用同一掃描儀設(shè)備測(cè)量電池組的垂直平面平整度公差，因此當(dāng)超出電池組平整度公差時(shí)，將不執(zhí)行焊接過(guò)程，根據(jù)光學(xué)掃描結(jié)果可以丟棄低質(zhì)量產(chǎn)品方法。

被報(bào)廢的電池模塊將被導(dǎo)引出生產(chǎn)線，并在調(diào)查故障后回收所涉及的組件。尺寸有問(wèn)題的單元格可以進(jìn)一步替換為適當(dāng)?shù)膯卧?。如果錯(cuò)誤是由裝配錯(cuò)位引起的，為同一單元?jiǎng)?chuàng)建新的更準(zhǔn)確的裝配路線將解決問(wèn)題。根據(jù)光學(xué)掃描方法的結(jié)果，焊接過(guò)程將不執(zhí)行，劣質(zhì)產(chǎn)品可以丟棄。被報(bào)廢的電池模塊將被引導(dǎo)出生產(chǎn)線，并在調(diào)查故障后回收所涉及的組件。尺寸有問(wèn)題的單元格可以進(jìn)一步替換為適當(dāng)?shù)膯卧?。如果錯(cuò)誤是由裝配錯(cuò)位引起的，為同一單元?jiǎng)?chuàng)建新的更準(zhǔn)確的裝配路線將解決問(wèn)題。

根據(jù)光學(xué)掃描方法的結(jié)果，焊接過(guò)程將不執(zhí)行，劣質(zhì)產(chǎn)品可以丟棄。被報(bào)廢的電池模塊將被引導(dǎo)出生產(chǎn)線，并在調(diào)查故障后回收所涉及的組件。尺寸有問(wèn)題的單元格可以進(jìn)一步替換為適當(dāng)?shù)膯卧?。如果錯(cuò)誤是由裝配錯(cuò)位引起的，為同一單元?jiǎng)?chuàng)建新的更準(zhǔn)確的裝配路線將解決問(wèn)題。

相鄰端子之間的高度差超過(guò) 0.1 mm 可能會(huì)導(dǎo)致激光焊接接頭出現(xiàn)缺陷，盡管 Amada 制造的電池焊接機(jī)等設(shè)備能夠通過(guò)將母線壓在端子上以避免氣隙來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。壓力使母線彎曲到端子上，從而在引入壓力之前允許大于 0.1 毫米的公差。類(lèi)似的配置需要在焊接前后進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)母線厚度及其厚度公差已知時(shí)，可以比較電池模塊頂視圖的 3D 測(cè)量值。在終端位置，當(dāng)焊接前測(cè)量 3D 點(diǎn)云時(shí)，可以將母線的材料厚度計(jì)算到高度中，從而為結(jié)果值建立參考。原則，可以在任何方向檢測(cè)到錯(cuò)誤。此外，所提出的方法對(duì)于在電池模塊制造中作為在線工藝應(yīng)用具有足夠的速度。

用于數(shù)據(jù)分析的軟件也會(huì)產(chǎn)生差異，因?yàn)槊總€(gè)制造商都提供自己的工具來(lái)分析 3D 或點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然而，能夠適應(yīng)來(lái)自不同掃描儀的幾種不同掃描數(shù)據(jù)格式的通用軟件是可用的，并且可以用于分析點(diǎn)云。InnovMetrics 的 PolyWorks 是最知名的解決方案之一，能夠管理多種輸入格式，但是具有類(lèi)似功能的軟件的應(yīng)用受到特定任務(wù)優(yōu)化的困難的限制。

5.結(jié)論

電池組的組裝速度受所選測(cè)量和焊接方法的精度影響。效率也受到母線或其他連接器元件設(shè)計(jì)的限制。本研究得出的主要結(jié)論是：

電動(dòng)汽車(chē)電池生產(chǎn)中的裝配質(zhì)量是零件公差、裝配特征和焊接接頭質(zhì)量的累積影響。

通常，將母線壓在端子上以實(shí)現(xiàn)零間隙，因?yàn)槎俗痈叨榷ㄎ痪染哂休^小的公差。可接受的焊接質(zhì)量所允許的變形量與母線的幾何形狀和材料有關(guān)。

在激光焊接之前，母線和電池單元端子之間的距離應(yīng)最小化。在電池模塊組裝中，光學(xué)掃描測(cè)量是一種快速、非接觸的方法，適用于在焊接前確定數(shù)十個(gè)端子的正確位置（袋式電池除外）

用于焊接電池端子元件的激光系統(tǒng)產(chǎn)生高能量密度，在材料表面產(chǎn)生 30 μm 至 200 μm 的光束直徑。

數(shù)字光學(xué)測(cè)量顯著縮短了獲取測(cè)量值所需的時(shí)間。收集數(shù)據(jù)的高可靠性和可跟蹤性有助于確保電池系統(tǒng)未來(lái)開(kāi)發(fā)的安全性。

光學(xué)測(cè)量設(shè)備的多功能性使其適用于驗(yàn)證焊接操作前后的精度，減少了人工目視檢查的需要。

質(zhì)量評(píng)估和計(jì)量具有許多共同屬性，這意味著未來(lái)精度和生產(chǎn)力的進(jìn)步很可能來(lái)自通過(guò)將機(jī)器視覺(jué)和人工智能集成到當(dāng)前生產(chǎn)流程來(lái)進(jìn)行流程優(yōu)化。

審核編輯 ：李倩