I produktionslinjerna för elbilsbatterier utgör svetsningen av kopplingarna mellan cellerna en flaskhals. Varje modul kräver hundratals, ibland tusentals, mikrosvetsar som alla måste kontrolleras för att säkerställa kvalitet och säkerhet – och det finns inget utrymme för fel. Litiumjonbatterier används i personbilar och måste uppfylla höga säkerhetskrav.
Batteritillverkarna står inför en svår utmaning: de måste öka produktionen kraftigt samtidigt som de upprätthåller strikta kvalitetskrav.
Även om lasersvetsning är känd för sin förmåga att producera högkvalitativa svetsar i hög hastighet, medför integreringen av denna teknik i produktionslinjerna för elbilsbatterier unika utmaningar. Elbilstillverkare måste samarbeta med laser- och automatiseringsexperter som vet hur man hanterar dessa utmaningar om de vill:
Precis som alla svetsprocesser kräver lasersvetsning fastspänning för att säkerställa att det inte finns något mellanrum mellan strömavtagaren och polerna. Men fastspänningen är mer komplex i produktionslinjerna för elbilbatterier.
Den måste anpassas till följande variationer som uppstår under produktionen:
Utan dessa anpassningar uppstår kvalitetsproblem, eller så saktas produktionen ner på grund av justeringar av klämningen.
Det finns två allmänna tillvägagångssätt för fastspänning vid batterisvetsning:
En viktig skillnad mellan dynamiska verktyg och statiska plattor är att plattor begränsar det tillgängliga utrymmet för klämapparaten. Med dynamisk klämning kan klämverktygen vara större än de celler som svetsas. Detta gör det möjligt att montera ytterligare komponenter med klämsystemet för att lättare hantera variationer mellan cellerna.
Med vår lasersvetsmaskin för batterier valde vi dynamisk klämning eftersom vi anser att det krävs för att uppnå en hög utbyte på mer än 99,999 % godkända svetsar. Eftersom dynamisk klämning vanligtvis är en långsammare metod, var vi tvungna att arbeta extra hårt för att se till att lasersvetsningen inte får vänta på klämverktygen. Det är där SCARA-robotar kommer in i bilden.
Vi använder upp till 8 SCARA-robotar (beroende på modulens storlek och den cykeltid som krävs) som var och en bär ett klämverktyg. Dessa robotar kan röra sig oberoende av varandra för att klämma fast nästa svetsar i förväg medan en annan svetsning utförs.
Med robotar finns extra utrymme tillgängligt för:
Små avvikelser och positionsvariationer i celler och samlingsskenor måste mätas av ett visionssystem för att anpassa laserprocessen och fastspänningen.
Här är kraven på ett bra visionssystem för batterisvetsning:
Vissa lasersvetsningslösningar använder bildbehandling för att analysera en cellposition i taget. Även om denna metod erbjuder högsta möjliga upplösning, lägger den till värdefulla sekunder till processen och skapar en flaskhals när det är dags att skala upp produktionen.
Utmaningen med bildbehandling är att göra den snabb utan att kompromissa med kvaliteten – eller utan att kompromissa för mycket med kvaliteten. Det är möjligt att minska kamerans upplösning, lägga mindre tid på bildbehandling och ändå generera konsekventa resultat som uppfyller tillverkningstoleranserna.
När vi utformade vår lösning fann vi att det är bättre att analysera en grupp celler samtidigt inom ett stort synfält. Med 21700-battericeller analyserar vi till exempel den individuella positionen för 150 celler samtidigt, och går sedan vidare till att analysera en annan grupp celler. Med denna metod kan vi vinna upp till 50 ms per cell. Denna metod maximerar laserns drifttid utan att påverka svetsarnas kvalitet.
Lasersvetsning av batterier är mycket mer komplicerat än traditionell grovsvetsning (som med bilramar). Varje tillämpning har unika och avancerade krav som gör det omöjligt att använda en fördefinierad lasersvetsprocess.
Laserprocessen måste utvecklas och optimeras för varje användningsfall. Parametrar som spotstorlek, skanningshastighet, wobbling och effekt måste kontrolleras noggrant för varje tillämpning.
Här är några av de utmaningar som måste hanteras under utvecklingen av laserprocessen:
Att hålla lasersvetsmaskinen ren är avgörande för att säkerställa svetsarnas kvalitet. Damm, rök och stänk kan orsaka följande allvarliga problem:
Det är viktigt att vidta rätt åtgärder för att kontrollera svetscellens renhet. Här är vad som behöver göras:
Många komponenter samverkar vid svetsning av batterier. Laserhuvudet, bildkamerorna, portalsystemet, robotarna och klämverktygen måste alla kommunicera och samordna sina åtgärder. De måste kalibreras med hög precision inom samma koordinatsystem för att säkerställa att svetsningen förblir noggrann.
För att kalibrera alla dessa element tillsammans kan en fördefinierad kalibreringssekvens ge steg-för-steg-vägledning. Därefter måste periodiska kalibreringsjusteringar utföras för att säkerställa kalibreringsstabiliteten över tid.
Med dagens svetsteknik i produktionslinjerna för EV-batterier skickas upp till 100 % av de svetsade modulerna för manuell inspektion. Under detta steg inspekterar en operatör manuellt svetsar som misstänks vara defekta. Ibland inspekteras varje enskild svets manuellt som en del av kvalitetssäkringsprocessen. Detta kan innebära att man utför elektriska motståndstester, mikroskopiska analyser och andra typer av manuella inspektioner.
Manuell inspektion är – för många batteritillverkare – ett nödvändigt steg för att på ett tillförlitligt sätt kontrollera kvaliteten och upptäcka svetsfel. Även när maskiner upptäcker defekta svetsar faller tillverkarna fortfarande tillbaka på manuella inspektioner för att bekräfta att svetsarna verkligen är defekta. När allt kommer omkring vill ingen göra om svetsar som är helt felfria (falska negativa).
Om det krävs så många manuella inspektioner beror det på att övervakningen under tillverkningen inte är där den borde vara.
För att tillverka batterimoduler i stor skala är det viktigt att så få moduler som möjligt skickas vidare för manuell inspektion. För detta måste tillverkarna vara 100 % säkra på att modulerna inte har några svetsfel.
För att vara säker på att en modul är perfekt och inte behöver manuell inspektion måste övervakningen under tillverkningen uppfylla följande kriterier:
Låt oss titta på de möjligheter som finns för tillverkare när det gäller att övervaka svetsar direkt i produktionslinjen.
Svetsövervakningssystem i realtid, såsom LWM- och LDD-system, använder feedback från svetsoperationen för att upptäcka svetsfel.
LWM-system fångar upp signaler som avges under lasersvetsning för att identifiera dåliga svetsar. Dessa AI-system måste tränas på vad som utgör en bra svets. Korrekt konfiguration är nyckeln till att få bra och konsekventa resultat. Här är några viktiga egenskaper hos LWM-system:
LDD-system använder OCT-avbildningstekniker för att mäta direkta egenskaper hos svetsarna, såsom svetsgenomträngning och svetsfogens position. Det faktum att de ger mätningar på konkreta saker gör dem lättare att förstå. Här är några viktiga egenskaper hos LDD-system:
System för svetsövervakning i realtid kan installeras i svetscellen för att analysera svetskvaliteten samtidigt som svetsningen pågår, utan att det tar extra tid.
Andra metoder för att validera svetskvaliteten inkluderar automatiserade testtekniker (som resistansmätningar, infraröd termografi och bildanalys). Dessa metoder används för att direkt identifiera defekter.
Automatiserade tester är mer komplicerade att genomföra vid hög hastighet eftersom de kräver att en extra station sätts upp i produktionslinjen. För resistansmätningar och infraröd termografi måste till exempel en komplex uppställning förberedas för att leda en elektrisk ström genom batteriet och mäta resultaten.
När defekta svetsar upptäcks gör tillverkarna allt för att inte skrota hela modulen. Moduler är dyra och att skrota en kostar tusentals dollar. Om bara en modul skrotas varje timme kan detta innebära miljoner dollar varje år.
Av denna anledning måste defekta svetsar omarbetas i produktionslinjen så tidigt som möjligt.
För att säkerställa att omarbetningen inte saktar ner produktionslinjens genomströmning är det viktigt att upptäcka dåliga svetsar så snart som möjligt.
Om defekta svetsar upptäcks under svetsningen med hjälp av ett realtidsövervakningssystem kan de ibland omarbetas direkt med en andra svetscykel. Detta säkerställer att cykeltiden optimeras genom att behovet av att ta ut och sätta in modulen i maskinen för omarbetning elimineras.
Om defekta svetsar identifieras senare, till exempel vid manuell inspektion eller med hjälp av en automatiserad testteknik, tenderar omarbetningen att belasta cykeltiden, eftersom modulerna måste skickas tillbaka till svetscellen.
Lasersvetsning erbjuder möjligheten att generera tusentals bra svetsar på några sekunder. Det är den idealiska lösningen för att producera batterimoduler i stor skala, men det innebär många aspekter som behöver optimeras.
Utvecklingen av batterimoduler är en process i flera steg som börjar med design, flera steg av prototyputveckling, förproduktion och fullskalig produktion.
För tillverkare som vill börja producera moduler kan detta verka överväldigande. Det kan vara frestande att köpa en liten lasersvetsmaskin för att börja producera ett litet antal moduler, men det är ett kostsamt misstag. Billigare lösningar är inte optimerade. När det är dags att skala upp produktionen måste du börja om helt med din svetsprocess.
För att producera ett begränsat antal moduler är det bäst att inte köpa en maskin som inte motsvarar dina långsiktiga mål. I det fallet erbjuder en lasersvetsningstjänst följande fördelar:
Med en doktorsexamen i laserbearbetning är Alex en av de två lasexperter som grundade Laserax. Han är idag vice vd och teknikchef (CTO) och leder teamet som utvecklar laserprocesser för applikationer inom lasermärkning, rengöring, texturering och svetsning.
Även om litiumjonbatterier dominerar marknaden för elfordon finns det fortsatt oro över brist på råvaror, kostnader samt utvinnings- och gruvdrift. Litiumproduktion är dyr och inte särskilt miljövänlig.
Litiumjonbatterier har drivit våra enheter och elfordon i åratal, men fastfasbatterier hyllas nu som nästa stora grej. Men hur korrekt är det påståendet?
Pouch-celler introducerades 1995 och har alltid haft en unik design, där batteriet är inneslutet i en mjuk plastfilm istället för ett styvt hölje som hos cylindriska och prismatiska celler.
I den här artikeln diskuterar vi hur de har utvecklats genom åren och vart de är på väg.
