Оптимизация микроконтактной точечной сварки выводов литий-ионных аккумуляторов типоразмера 18650 для электромобилей

По мере роста популярности электромобилей (ЭМ) растёт спрос на эффективные и надёжные аккумуляторные батареи. Одной из ключевых задач при производстве аккумуляторных батарей является обеспечение прочного и надёжного соединения никелевых контактов с цилиндрическими литий-ионными аккумуляторами типоразмера 18650. В этом контексте микроконтактная точечная сварка (микро-RSW) стала экономичным и масштабируемым методом соединения, особенно подходящим для мелко- и среднесерийного производства, например, электровелосипедов и скутеров.

Почему именно микроконтактная точечная сварка?

- Низкие инвестиционные и эксплуатационные расходы
- Локальный нагрев уменьшает термические повреждения
- Обеспечивает прочное механическое соединение
- Низкое электрическое контактное сопротивление для эффективного проведения тока

Экспериментальный дизайн

Исследователи приварили никелевые пластины толщиной 0,2 мм к контактам Hilumin толщиной 0,3 мм и 0,4 мм, используя последовательную конфигурацию электродов. Для систематического анализа влияния таких параметров, как сварочный ток, время сварки и усилие прижима электрода, использовалось сочетание метода Тагучи и полного факторного эксперимента.

Основные выводы

- Сварочный ток и время сварки были определены как наиболее критические параметры, влияющие на прочность соединения.
- Оптимальные параметры процесса:
- Для Hilumin 0,3 мм: 1800–2000 А, 8–12 мс.
- Для Hilumin 0,4 мм: 1900–2100 А, 8–12 мс.
- Четырехточечная сварка значительно улучшила механические и электрические характеристики.
- Более высокий уровень подводимой энергии повышает прочность соединения, однако его необходимо тщательно контролировать, чтобы избежать разбрызгивания или ухудшения состояния материала.

Таблица данных: Максимальная нагрузка при различных параметрах (0,3 мм Hilumin)

Данные об электрическом сопротивлении и повышении температуры

Оптимизация процесса и промышленная значимость

Оптимизация параметров микроконтактной точечной сварки (микро-RSW) — это не просто теоретическое занятие, оно имеет практическое значение для производителей аккумуляторов. При крупносерийном производстве аккумуляторов для электромобилей даже небольшое улучшение качества сварки может существенно повысить энергоэффективность, срок службы и безопасность. Точная настройка сварочного тока и времени обеспечивает стабильную целостность соединения тысяч ячеек, помогая избежать накопления внутреннего сопротивления и образования точек перегрева.

Сравнение с другими методами сварки

Хотя лазерная и ультразвуковая сварка также используются для соединения выводов аккумуляторных батарей, микро-RSW отличается простотой, экономичностью и минимальными требованиями к оборудованию. Лазерная сварка, например, требует более высоких капиталовложений и может привести к более глубокому проникновению тепла, что потенциально влияет на чувствительные компоненты аккумулятора. Ультразвуковая сварка ограничена толщиной материала и сложностью механического крепления. В отличие от этого, микро-RSW обеспечивает локализованный подвод тепла, короткое время цикла и масштабируемость, что идеально подходит для таких применений, как электросамокаты, электроинструменты и лёгкие электромобили.

Материальные соображения

Выбор подходящих материалов критически важен для эффективной сварки. Никель предпочтителен благодаря своей высокой электропроводности, превосходной коррозионной стойкости и совместимости со стальными контактами, такими как Hilumin. Однако различия в теплопроводности и температурах плавления разнородных металлов могут привести к таким проблемам, как неравномерное образование ядер или распространение трещин. В данном исследовании использование никелевых пластин толщиной 0,2 мм с контактами Hilumin толщиной 0,3/0,4 мм обеспечивает сбалансированное сочетание прочности, электропроводности и технологичности.

Управление тепловым режимом в аккумуляторных батареях

Одной из ключевых проблем при проектировании аккумуляторов для электромобилей является тепловыделение при работе с высоким током. Низкое качество сварки может привести к повышению электрического сопротивления в месте соединения выводов и, как следствие, к джоулевому нагреву. Как было отмечено в данном исследовании, температура соединения может превышать 60°C при постоянном токе 30 А, что превышает безопасный рабочий предел (~45°C) для большинства литий-ионных аккумуляторов. Поэтому понимание термического поведения сварных швов крайне важно для разработки эффективных систем терморегулирования в аккумуляторных модулях.

Виды отказов и оценка качества

Механические испытания, такие как испытания на сдвиг внахлестку и отслоение под углом 90°, дают представление о прочности соединений и механизмах разрушения. Разрушение интерфейса обычно происходит в недоваренных соединениях, в то время как качественно выполненные сварные швы, как правило, демонстрируют разрушение при отрыве, что указывает на более прочную металлургическую связь. Микроскопия поперечного сечения дополнительно выявляет образование ядер и любые деформации в контактных пластинах. Этот подход к неразрушающему и разрушающему контролю гарантирует использование в производстве только прочных и надежных сварных швов.

Значение для будущих исследований

По мере развития технологий аккумуляторных батарей, особенно с появлением твердотельных аккумуляторов, настольных конструкций и высоковольтных платформ, методы сварки должны адаптироваться. Микро-RSW остаётся перспективным методом, но может потребовать интеграции с интеллектуальными системами управления, мониторинга в реальном времени или даже алгоритмами машинного обучения для динамической корректировки параметров сварки. Кроме того, изучение современных сплавов, композитных пластин и альтернативных покрытий может дополнительно повысить надёжность сварных соединений.

Вопросы устойчивого развития и жизненного цикла

Надёжная сварка не только обеспечивает производительность продукта, но и способствует его долгосрочной устойчивости. Аккумуляторы со стабильно прочными сварными швами реже выходят из строя преждевременно, что снижает частоту замен и количество электронных отходов. Более того, качественно сваренный аккумулятор легче перерабатывать, поскольку автоматизированные системы разборки можно запрограммировать на равномерное распределение сварных швов. Таким образом, оптимизированная технология микро-RSW соответствует как эксплуатационным, так и экологическим целям современных энергетических систем.

Заключение повторено

Это расширенное исследование подтверждает важность оптимизации параметров микро-RSW для цилиндрических литий-ионных аккумуляторов. Сосредоточившись на разработке процесса, выборе материалов, механической целостности и термических характеристиках, производители могут значительно повысить надежность аккумуляторных батарей для электромобилей. По мере роста рынка электромобилей внедрение надежных и масштабируемых решений для сварки, таких как микро-RSW, будет иметь решающее значение для поддержания качества в масштабе.