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电动汽车助力光纤激光行业快速发展

 

FIGURE 1. An example of two-wheel e-mobility on the streets of Paris.
图1. 巴黎街头两轮电动车

 

作者:Jack Gabzdyl博士  英国SPI Lasers公司营销和业务开发副总裁

电动交通是未来十年预测的巨大趋势之一。 理由很明确:世界需要打破对化石燃料的依赖,因此电动汽车提供了一个明显的解决方案。

在过去10年中,电动汽车(EV)一直受到世界上的环保人士的支持,但在过去几年中随着特斯拉智能汽车的推出,这种情况发生了显著的变化,并为电动汽车开辟了前进的道路。有预测表明,到2030年代中期,电动汽车数量将超过燃气和柴油动力车型的总数。

从制造业的角度来看,内燃机向电动机的转变是一个典型案例。而所谓乘用车可以是插电式混合动力车(PHEV)也可以是电池电动车(BEV),两者都需要电池和电动机,因此为解决大规模量产问题,必须制定一套全新的部件。电动汽车主要指的是四轮车,但是两轮车也蕴含了巨大的市场机遇—在一些主要城市,两轮的自行车和踏板车正彻底改变着城市交通(图1)。

用光纤激光器切割电池组件

幸运的是,工业激光器是制造电池、电机和配套电子元件中关键部件的理想工具,尤其是对于光纤激光器,存在显著增长的刺激性需求。

为了更好地了解锂电池加工过程,我们通过单个锂离子电池为例,来分析对于使用激光加工技术的关键要求。锂离子电池包含有由圆柱形和棱柱形的铝箔或者铜箔制成的阳极/阴极涂层。激光加工涉及的第一步是切割电极,而传统工艺一般多采用机械切割/冲压技术完成,由于激光切割具有低成本、高效和高质量的优点,因此具有显著的优势。

由于质量尤是加工过程中及其重要的因素,对毛刺形成、分层、颗粒碎片形成和热影响区(HAZ)等加工缺陷有严格的要求。这些箔材通常非常薄—阳极铜箔约为10μm,阴极铝箔约为15μm。采用单模连续波(CW)光纤激光器可以有效进行裸箔地切割,实现极高的切割速度和出色的边缘质量。然而,该技术并能成为切割涂层电极的最佳选择。

锂离子电池的电极两侧涂有特殊混合物,包括锂金属氧化物和石墨,且厚度可达100μm,致使部分箔的总厚度超过0.2mm。为此,纳秒脉冲光纤激光器以其较高的峰值功率可实现对该材料的高速切割。SPI Lasers 200 W EP-Z激光器非常适合上述加工过程,其具有光束质量高(M2 <1.6)、切割速度高快(1 m / s以上)和切割边缘质量好等优点(图2)。

FIGURE 2. A coated foil anode and cathode cut with the 200 W EP-Z nanosecond pulsed fiber laser is shown.
图2. 显示了用200W EP-Z纳秒脉冲光纤激光切割的涂覆箔阳极和阴极

 

有如科学技术的革新往往会同时寻找不同的应用一样,绿光纳秒以及皮秒激光也将具有更好的应用前景。然而,实际情况确是需要付出一定代价,这与制造商要求既要提高加工速度,又要降低总成本两者之间的存在矛盾。

其他用于电池的光纤激光加工技术

在电池单元制造过程中,存在许多其他使用激光的机会,诸如焊接,清洁和钻孔等。目前正在引起很多关注的应用是箔堆叠层的连接,现如今正在探索多达60个箔片叠层的焊接,这已超出了超声波焊接的能力。

绿光波段和蓝光波段的激光被认为是潜在解决方案,但红外(IR)波段则是另一种选择。其中选择性地去除金属箔表面的涂层,也是一个不断增长的应用领域(图3)。通过优化脉冲参数同样也可将用于切割的纳秒脉冲光纤激光器可以直接用于清洁应用,并实现在对金属箔造成最小损伤的前提下去除表面涂层材料。

 

FIGURE 3. A cleaned coated anode to reveal metal foil using the 200 W EP-Z nanosecond pulsed fiber laser is shown.
图3. 采用200W EP-Z纳秒脉冲光纤激光器清洁涂覆的显露金属箔的阳极

 

无论是圆柱形还是棱柱形电池,这些独立模块都需要组装成电池组,将铜或铝母线焊接在电池组上,但是材料的厚度和类型变化很大使该焊接过程极具挑战。它们依赖于将高反射性和导电性材料(例如铜或铝)焊接到同种或异种材料之间,后者是已是十分常见的焊接过程。

由于需要将成百上千个电池连接到用于EV的电池组中,这些接头需要具有高质量、可靠性和可重复性,以及良好的静态和疲劳强度。这些接头还必须提供良好的接触电阻,因为每个接头的功率损耗会影响电池组的整体效率。传统的带螺母和螺栓的机械紧固增加了重量和成本,因此激光焊接可以克服这些限制。

激光焊的应用初期主要集中在高能量、多千瓦、多模激光,但是成效有限。具体应用时常涉及搭接,有时还有多个薄板的连接,这非常适合激光焊接。然而,焊接过程通常热输入较高且难以控制,焊缝熔宽和熔深不一致,并常伴有大量飞溅。

鉴于各制造商设计的具体要求,已经开发出改进的解决方案。在材料较薄且需要严格控制焊接热输入的情况下,采用100 W 的SPI Lasers的纳秒激光可以实现 300μm铜的高质量焊接。通过用采用螺旋斑点技术来控制加工区域(图4)。该焊接方法对于热输入和熔深的控制非常严格,但与使用多千瓦CW激光焊接相比,平均功率则较低且焊接时间较慢。如选用多激光方法可能会增加周期时间。

FIGURE 4. Nanosecond pulsed welding of battery terminals is shown.
图4. 电池端子的纳秒脉冲焊接。

 

对于高生产率和金属厚板焊接的应用需求,近期推出的高功率单模CW光纤激光器实现了振荡或摆动焊接。通过采用非常小的聚焦点,并快速振荡以扩大焊接区域,使焊缝的宽度能够独立于光斑尺寸进行控制,并允许根据应用进行调整。快速振荡的焊接区域还具有热输入控制和锁孔/熔池稳定性的效果,焊缝往往具有更大的焊缝轮廓,顶部焊缝外观一致和更低的飞溅。2 kW单模光纤激光器已经可以完成2毫米铜或铝的高品质焊接(图5)。

FIGURE 5. An example of oscillation welding of copper bus bar material with a 2 kW single-mode fiber laser is shown.
图5. 具有2kW单模光纤激光器的铜汇流条材料的振荡焊接

 

焊接电动机

激光的另一个重要机遇是电动机制造的应用,特别是定子铜卡的焊接。这些卡通常涂有绝缘材料,焊接之前需要将其去除。传统方法多使用诸如钢丝刷等机械方法去除,但是难以控制且需要大量维护。这些涂层可以通过纳秒脉冲光纤激光器有效地烧蚀,无残余材料,同时将部件选择性地去除至金属表面,为随后的焊接步骤做好准备(图6)。

FIGURE 6. Cleaning of a copper hairpin with the 200 W EP-Z nanosecond pulsed fiber laser is shown.
图6. 用200W EP-Z纳秒脉冲光纤激光器清洁铜夹

这些卡具有各种形状和尺寸,但通常为矩形,长度为6毫米。目前多采用4-6 kW的高功率CW多模激光源焊接。然而,由于装配精度和焊接飞溅的需求以及最低热输入(不至将距焊接区仅几毫米的绝缘材料烧蚀)等原因,在实际应用中仍然具有挑战性。同样地,使用光束振荡技术的2kW单模光纤激光器提供了一种替代方案,可以很好地控制热输入并限制飞溅(图7)。

FIGURE 7. An example of hairpin welding using a 2 kW single-mode fiber laser is shown.
图7. 使用2kW单模光纤激光器的发夹焊接

展望

以上例子并非详尽无遗,但希望能借此来反映电动汽车制造行业对激光加工技术的依赖程度。对电池容量日益提高的需求正是该行业持续成功的关键,激光器有能力在整个价值链中提供帮助。电动汽车行业的快速增长以及增加制造能力的必然需求,无疑将在未来几十年内对工业激光器产生巨大的需求。(杨瑾译)

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