電池的焊接及測量

大家好，小科來為大家解答以上問題。電池的焊接及測量這個(gè)很多人還不知道，現(xiàn)在讓我們一起來看看吧！

1、編者按：以下是MDPI的論文，概述電動(dòng)汽車電池模塊設(shè)計(jì)和制造中激光焊接組件的光學(xué)數(shù)字測量挑戰(zhàn)和技術(shù)?！吨腑h(huán)》的部分翻譯內(nèi)容很容易理解。一些數(shù)據(jù)和圖片是為了學(xué)術(shù)和科普研究而插入的，但不用于任何商業(yè)用途。文中相關(guān)數(shù)據(jù)并非一一現(xiàn)實(shí)，僅來自相關(guān)引文，在實(shí)踐中應(yīng)謹(jǐn)慎使用，多參考和研究其思路和總結(jié)；

2、電池端子連接的激光焊接

3、對于電池組模塊，有許多方法將母線連接到連接器，包括激光焊接和超聲波焊接、壓接或螺釘連接?？紤]到實(shí)時(shí)過程監(jiān)控的最新發(fā)展，動(dòng)態(tài)激光焊接正成為一種非常合適的連接方法。

4、對于大規(guī)模連續(xù)制造，通常選擇激光焊接，因?yàn)槠錈崃枯斎氲?，操作快速，易于自?dòng)化和可重復(fù)性。正是由于激光焊接的這些特性，這種方法適合于電池組應(yīng)用：它是一種非接觸過程，可以實(shí)現(xiàn)高速操作，定制焊接模式執(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。

5、通常，當(dāng)激光焊接匯流條到電池組電池端子時(shí)，使用三種接頭布置：搭接接頭、角接頭和激光點(diǎn)焊。

6、圖5。激光焊接蓄電池連接的標(biāo)準(zhǔn)方法：角接(左)、搭接(中)和多點(diǎn)焊接(右)

7、研磨和激光點(diǎn)焊主要用于焊接棱柱形、袋形和圓柱形電池的端子連接。

8、當(dāng)角接用于帶孔的端子連接母線的設(shè)計(jì)時(shí)，孔的邊緣應(yīng)進(jìn)行角焊。

9、電池端子焊接工藝的熱輸入必須低，熔深要均勻，以免損壞電池。

10、由于焊接時(shí)間是決定能量輸入的主要因素，所以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。

11、焦點(diǎn)直徑小，熔池小，熱輸入低，焊接速度快。

12、使用小焦點(diǎn)的主要缺點(diǎn)是匯流條和電池端子的相對定位精度要求嚴(yán)格。

13、數(shù)字光學(xué)測量是確保正確組裝的潛在方法，因?yàn)榻宇^組裝必須非常精確，以確保接頭所需的強(qiáng)度和導(dǎo)電性。

14、下表總結(jié)了不同激光焊接方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

15、激光焊接不同電池裝配方法的比較。

16、示意圖代表商業(yè)可用的工業(yè)解決方案。

17、2.1用于電池焊接的激光

18、用于電池焊接的激光器可以根據(jù)激光介質(zhì)的類型和波長進(jìn)行分類。

19、電池端子焊接一般采用光纖、圓盤、光纖轉(zhuǎn)換二極管激光器。

20、這些激光器具有良好的光束質(zhì)量和可聚焦性，波長包括光纖和圓盤激光器的主要波長。

21、提供較大焦點(diǎn)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。

22、適用于電池生產(chǎn)的系統(tǒng)特性如下表所示。

23、電池端子焊接中的激光類型和材料組合概述

24、在過去的十年中，綠色和藍(lán)色激光開始商業(yè)化，現(xiàn)在它們正在引起人們的興趣，因?yàn)?50 nm和532 nm波長在銅中的吸收率比近紅外激光更好。

25、這種激光器主要用于科學(xué)研究，然而，較短的波長特別有利于焊接銅，目前已經(jīng)成熟用于工業(yè)用途。

26、例如，比較Trumpf的綠色激光和紅外激光在相同設(shè)置下在1 kW功率水平下焊接銅的性能，515 nm波長產(chǎn)生約50%的深穿透，這意味著對于給定的穿透深度，可以提高加工速度。

27、2.2不同總線設(shè)計(jì)和接頭類型的焊接挑戰(zhàn)

28、用于電池端子激光焊接的激光束的焦點(diǎn)直徑通常在30m到200m之間，如下表所示。

29、在精密焊接應(yīng)用中需要小的焦點(diǎn)直徑。

30、焊接激光角焊縫時(shí)，激光下焊縫的位置精度必須足夠精確，以便聚焦光束的焦點(diǎn)不會(huì)錯(cuò)過焊縫。

31、在搭接結(jié)構(gòu)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母線厚度的5-10%。

32、因此，匯流條必須以最小間隙精確定位，以確保激光焊接接頭的牢固性。

33、未對準(zhǔn)公差是聚焦光束直徑的函數(shù)，因此在匯流條和電池單元端子之間

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。

37、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 。

38、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)汽車電池自動(dòng)化制造中的光學(xué)數(shù)字測量技術(shù)

在下文中，對不同的非接觸式光學(xué)測量方法進(jìn)行了介紹、分類和評估。

41、下圖顯示了常見的非接觸式自由曲面測量方法，根據(jù)工作原理分為四個(gè)主要類別。

常見的自由曲面測量方法

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)捕獲來自表面的光圖案的圖像。

46、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。

47、在此應(yīng)用程序中，必須知道相機(jī)和投影儀之間的距離。

48、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 。

49、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。

50、這是通過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。

51、條紋投影掃描是一種高精度的測量方法，在測量體積為 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。

52、環(huán)境光條件對條紋投影掃描的精度沒有顯著影響。

3.2工業(yè)攝影測量

工業(yè)攝影測量（Industrial photogrammetry ）是一種被動(dòng)方法，其中在沒有主動(dòng)照明的情況下處理圖像。

55、從不同角度拍攝對象，并使用三角測量來計(jì)算云點(diǎn)。

56、該系統(tǒng)使用多個(gè)固定攝像頭運(yùn)行，測量的可重復(fù)性為±0.02 mm，有測量速度快等優(yōu)勢；數(shù)百個(gè) 3D 點(diǎn)可以在 30 秒內(nèi)收集 。

57、攝影測量主要用于測量相機(jī)位置未固定或未預(yù)先校準(zhǔn)的大型物體。

58、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)的相對長度測量誤差保持在 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身進(jìn)行在線測量，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量、飛行時(shí)間或相移進(jìn)行表面測量。

61、在三角測量技術(shù)中，來自測量激光器的光對準(zhǔn)表面，電荷耦合器件 (CCD) 檢測器捕獲光束圖像。

62、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檢測器會(huì)記錄下這個(gè)差值。

63、激光束被 CCD 檢測器記錄在不同的位置，然后使用三角測量來計(jì)算掃描點(diǎn)的高度。

64、根據(jù) VDI/VDE 2634 第 3 部分測量可追溯球體偽影時(shí)，三角測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不同而定。

3.4混合解決方案

大型物體通常需要高精度測量某些細(xì)節(jié)。

68、例如，必須在焊接前高精度地測量電池單元的高度，但相比之下，電池模塊本身的尺寸很大。

69、由于這一點(diǎn)以及典型 3D 掃描儀的掃描區(qū)域大小，掃描儀必須在此過程中重新定位以覆蓋整個(gè)表面。

70、因此，零件和 3D 掃描儀之間會(huì)發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，因此必須在全局坐標(biāo)系中知道測量系統(tǒng)（掃描儀）的方向，以便可以組合局部掃描。

71、測量系統(tǒng)（掃描儀）在全局坐標(biāo)系中的方向可以通過不同的技術(shù)來識別，例如：

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

通過機(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）

通過控制點(diǎn)進(jìn)行攝影測量定位

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

一種常見的組合方法是同時(shí)應(yīng)用邊緣投影和攝影測量。

77、攝影測量捕獲參考點(diǎn)，以對齊由邊緣投影進(jìn)行的各個(gè)掃描。

78、當(dāng)物體尺寸保持在 15.4 m × 2.4 m × 2.3 m 以內(nèi)時(shí)，精度可以達(dá)到 0.1 mm。

79、例如，在汽車 BIW（白車身）檢測中，會(huì)測量某些區(qū)域，但是，點(diǎn)云之間的重疊不一定會(huì)發(fā)生。

80、光學(xué)傳感器或機(jī)械傳感器導(dǎo)航是此類應(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量系統(tǒng)相結(jié)合。

82、一般來說，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 以內(nèi)，其中 L 為測量的長度。

83、對于較大的零件，可以使用激光跟蹤儀評估激光掃描儀的位置。

84、如果測量長度低于 8.5 m，則 Leica AT960MR 跟蹤器的 T-Scan 精度 (2-sigma) 為 60 μm，而長度超過 8.5 m 時(shí)，精度為 26 μm + 4 μm/m 。

85、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)，必須測量許多特征。

88、光學(xué)掃描過程比接觸式探測方法快得多。

89、從在線測量的角度來看，點(diǎn)云分析的速度是一個(gè)關(guān)鍵因素。

90、點(diǎn)云分析依賴于分析軟件，不在本文討論范圍之內(nèi)。

91、測量系統(tǒng)的選擇高度依賴于應(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 測量的能力。

92、近期進(jìn)入市場并有可能應(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。

96、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。

97、對于一個(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。

100、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。

101、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。

102、為了補(bǔ)償這個(gè)問題，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。

104、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。

106、尺寸有問題的單元格可以進(jìn)一步替換為適當(dāng)?shù)膯卧瘛?/p>

107、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題。

108、根據(jù)光學(xué)掃描方法的結(jié)果，焊接過程將不執(zhí)行，劣質(zhì)產(chǎn)品可以丟棄。

109、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。

110、尺寸有問題的單元格可以進(jìn)一步替換為適當(dāng)?shù)膯卧瘛?/p>

111、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題。

根據(jù)光學(xué)掃描方法的結(jié)果，焊接過程將不執(zhí)行，劣質(zhì)產(chǎn)品可以丟棄。

113、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。

114、尺寸有問題的單元格可以進(jìn)一步替換為適當(dāng)?shù)膯卧瘛?/p>

115、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題。

相鄰端子之間的高度差超過 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)備能夠通過將母線壓在端子上以避免氣隙來進(jìn)行補(bǔ)償。

117、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。

118、類似的配置需要在焊接前后進(jìn)行測量。

119、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 測量值。

120、在終端位置，當(dāng)焊接前測量 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。

121、原則，可以在任何方向檢測到錯(cuò)誤。

122、此外，所提出的方法對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分析 3D 或點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

124、然而，能夠適應(yīng)來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。

125、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量和焊接方法的精度影響。

128、效率也受到母線或其他連接器元件設(shè)計(jì)的限制。

129、本研究得出的主要結(jié)論是：

電動(dòng)汽車電池生產(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。

132、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。

134、在電池模塊組裝中，光學(xué)掃描測量是一種快速、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)測量顯著縮短了獲取測量值所需的時(shí)間。

137、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)未來開發(fā)的安全性。

光學(xué)測量設(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)量評估和計(jì)量具有許多共同屬性，這意味著未來精度和生產(chǎn)力的進(jìn)步很可能來自通過將機(jī)器視覺和人工智能集成到當(dāng)前生產(chǎn)流程來進(jìn)行流程優(yōu)化。

審核編輯 ：李倩

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