Решения для лазерной сварки шин CCS: обеспечение высокоэффективного-производства аккумуляторов

Компания Kingslaser разработала сухой лазерный-процесс изготовления схем FPC и открытия окон контактной площадки с шириной линии до 10 мкм. Эта технология обеспечивает высокоточное-сращивание в сверх-больших-форматных приложениях, одновременно уменьшая химическое загрязнение, упрощая процессы, сокращая производственные циклы и снижая затраты на рабочую силу.

Чтобы решить проблему необходимости ручной сборки никелевых и алюминиевых клемм в традиционных методах CCS, компания Kingslaser представила новую конструкцию с использованием удлиненных выводов из медной фольги. Эти вкладки совместимы со сверхтонкими металлами (менее или равными 35 мкм), включая медь-медь, медь-алюминий и медь-алюминиевые сплавы.

С помощью лазерной сварки выводы из медной фольги можно эффективно прикрепить к алюминиевым шинам. Это нововведение исключает ручную сборку, повышает автоматизацию и надежность процесса.

В условиях быстрого развития глобальной новой энергетической отрасли и взрывного роста рынка электромобилей аккумуляторная технология, как основной компонент привода электромобилей, постоянно совершает прорывы с точки зрения высокой безопасности, высокой степени интеграции, облегченной конструкции и снижения затрат. В то же время выбор материалов и производственные процессы CCS (Cells Contact System, интегрированные шины), ключевого компонента аккумуляторной системы, также постоянно совершенствуются, чтобы соответствовать растущим требованиям к общей интеграции транспортных средств и сложности аккумуляторной системы.

Рисунок 1. Интегрированные шины CCS являются одним из ключевых компонентов аккумуляторной системы.

В настоящее время CCS в первую очередь выполняет функции выборки сигналов и сбора токов. Его компоненты получения сигналов демонстрируют тенденцию к диверсификации, в основном включая:

◎ Кабельные пучки: Традиционные, но надежные, со сложной структурой и низкой степенью интеграции;
◎ Гибкая печатная схема (FPC): на основе полиимидной или полиэфирной пленки, обеспечивающая превосходную гибкость и стабильность, это одно из основных решений сегодня;
◎ Гибкий плоский кабель (FFC): простая конструкция, низкая стоимость, подходит для облегченной конструкции;
◎ Гибкая литая печатная плата (FDC). Добавлена ​​технология формования поверх FPC, обеспечивающая более высокую трехмерную адаптируемость;
◎ Гибкий плоский кабель (FFC), подключенный к гибкой литой схеме (FCC): объединяет FFC с FPC/FDC, повышая структурную гибкость и эффективность соединения, что делает его новым решением, используемым в настоящее время.

Исследование и сосуществование нескольких технических маршрутов в первую очередь направлено на снижение общей стоимости продуктов CCS, особенно в части отбора проб BMS (системы управления батареями), на которую приходится примерно 55% общей стоимости. В результате высокая-интеграция и низкая-технология сбора сигналов стали ключевым направлением исследований и разработок.

На этом фоне компания Kingslaser с 2023 года сосредоточила свое внимание на инновациях в области технологий гибких схем, предложив два важнейших решения по усовершенствованию процессов для повышения производительности и модернизации производства CCS:

● Полностью сухой процесс для быстрого производства FPC.

В этом процессе используется технология полной лазерной обработки для выполнения важных этапов, таких как травление рисунков схем FPC и открытие окон PI-пленки. По сравнению с традиционными мокрыми процессами он значительно упрощает производственный процесс, исключает использование химических реагентов и предлагает преимущества в экологичности, энергоэффективности и высокой производительности. В настоящее время компания Kingslaser завершила разработку процесса второго-поколения и получила соответствующие патенты.

● Исследование технологий лазерной сварки меди-алюминия.

В ответ на узкое место в традиционной CCS, где FPC соединяется с алюминиевыми шинами посредством никелирования или литья под давлением, Kingslaser предложила новое решение, использующее прямую лазерную сварку для соединения FPC с алюминиевыми шинами. Такой подход исключает использование промежуточных соединительных материалов, упрощает конструкцию, снижает затраты и повышает стабильность производства. Технология была разработана в начале 2024 года в ответ на запрос листинговой компании и получила предварительные результаты проверки.

Таким образом, CCS, являющийся важнейшим компонентом аккумуляторных блоков, напрямую влияет на производительность и стоимость электромобилей на новых источниках энергии. Исследование множества решений для модулей сбора сигналов и внедрение новых технологий означает, что CCS движется к повышению эффективности, большей интеграции и снижению затрат.

Гибкая печатная схема (FPC), обычно называемая «гибкой платой», представляет собой печатную плату, в которой в качестве основы используются гибкие изоляционные материалы и которая обеспечивает электронную функциональность за счет точных рисунков схемы. Он предлагает многочисленные преимущества по сравнению с традиционными жесткими печатными платами, такие как превосходная гибкость, легкая конструкция и превосходные электрические характеристики. В результате FPC широко используются в интеллектуальных терминалах, носимых устройствах, медицинском оборудовании и транспортных средствах на новых источниках энергии, что делает их ключевой основой для достижения миниатюризации, облегчения конструкции и интеграции в современные электронные продукты.

FPC обеспечивает превосходную гибкость, позволяя свободно сгибать, складывать и наматывать детали для адаптации к трехмерной компоновке пространства, что позволяет интегрировать сборку компонентов и соединение проводов. Благодаря своей тонкой и легкой конструкции FPC значительно уменьшает размер и вес электронных устройств, удовлетворяя спрос на высокую-плотность и компактный дизайн в современной электронике. Кроме того, FPC обеспечивает хорошее рассеивание тепла, хорошую паяемость и простоту установки, обеспечивая превосходную общую производительность. В частности, жесткая-гибкая конструкция дополнительно компенсирует ограничения гибких цепей с точки зрения несущей-несущей способности.

Рисунок 2. Фотография ФПК

Однако производство FPC также сопряжено с определенными проблемами. Поскольку гибкие схемы обычно-разрабатываются по индивидуальному заказу, они требуют более высоких требований к конструкции и процессам, что приводит к значительным первоначальным инвестициям и гораздо более высоким начальным-затратам по сравнению со стандартными печатными платами. Более того, после завершения производства модификации сложно реализовать, часто требуется корректировка базовых чертежей или фоточертежей, а процесс ремонта покровных слоев также сложен. Кроме того, природа гибких материалов ограничивает возможности масштабирования при массовом производстве, а процесс изготовления требует чрезвычайно точного обращения.-любое неправильное обращение может привести к повреждению схемы или функциональному сбою.

Чтобы преодолеть ограничения традиционных производственных процессов, компания Kingslaser с 2004 года занимается разработкой лазерной-технологии производства FPC. В том году, когда она поставила первый в Китае станок для лазерной контурной резки FPC, аналогичное зарубежное оборудование стоило 5,5 миллионов юаней. Kingslaser, опираясь на независимые исследования и разработки, успешно завершила поставку стоимостью около 1,5 миллионов юаней, сломав иностранную монополию и положив начало применению отечественного лазерного оборудования в области производства гибкой электроники. Примечательно, что машина была первой, в которой использовался линейный двигатель, импортированный в то время из тайваньской компании HIWIN Technologies, в сочетании с гальванометрической системой, создав новаторскую структуру лазерной обработки «линейный двигатель + гальванометр», которая значительно улучшила точность обработки и скорость реакции.

Опираясь на этот фундамент, Kingslaser продолжает развивать экологически чистые технологии производства гибких схем, предлагая быстрый процесс производства FPC, основанный на концепции полностью сухого производства. Этот метод, основанный на лазерной обработке, исключает множество сложных этапов, присущих традиционным мокрым процессам,-таким как травление, проявка и химическая очистка-, и устанавливает новый производственный процесс, основанный на непрерывной лазерной обработке "от рулона-к-валку". По сравнению с традиционными методами, новый процесс начинается с разматывания сырья, за которым следует открытие лазерного окна, создание лазерной схемы и контурная резка, что действительно обеспечивает экологически безопасную модель производства, свободную от химических реагентов, сточных вод и выбросов выхлопных газов.

Традиционный процесс производства FPC не только сложен и требует много места,-но также в значительной степени зависит от химических реагентов, что приводит к значительному воздействию на окружающую среду. Это требует существенного ручного вмешательства, что приводит к длительным производственным циклам и высокому потреблению энергии. Напротив, технология сухого-процесса Kingslaser значительно упрощает производственный процесс за счет объединения нескольких этапов высокоточной-лазерной обработки, что позволяет использовать полностью автоматизированный, высокоэффективный и-метод с нулевым уровнем загрязнения для изготовления гибких схем. Лазерное оборудование, особенно при непрерывном производстве ---роллов, может легко интегрироваться с предшествующими и последующими системами обработки материалов, обеспечивая идеальный интерфейс для крупномасштабного-интеллектуального производства.

С точки зрения технических характеристик этот процесс отличается несколькими инновационными прорывами. Во-первых, использование гальванометрической-лазерной обработки позволяет создавать более гибкие и свободные схемы, достигая минимальной ширины линии 100 микрон. Это отвечает требованиям высокой-точности и высокой-сложности производства FPC и позволяет подбирать размеры по индивидуальному заказу в соответствии с требованиями заказчика, что значительно повышает совместимость продукции. Во-вторых, полностью сухой лазерный процесс полностью исключает химическое загрязнение, связанное с традиционными влажными методами, обеспечивая действительно экологически чистое и экологически чистое производство, соответствующее современным тенденциям экологически чистого производства. Кроме того, этот процесс значительно снижает трудозатраты и количество общих производственных этапов, значительно сокращает производственные циклы и повышает эффективность производства,-что делает его хорошо-соответствующим требованиям сегодняшнего рынка в отношении быстрого создания продукта и быстрой доставки.

С точки зрения контроля затрат-полностью сухой процесс устраняет необходимость в печатных формах и агрессивных химикатах, что значительно улучшает использование материалов и одновременно сокращает дополнительные отходы материала почти до нуля, помогая компаниям построить более конкурентоспособную структуру затрат. В то же время при обработке FPC большого-формата этот процесс эффективно решает проблему поддержания точности сварки в традиционных методах, обеспечивая высокую-точность и непрерывное производство FPC большой-площади.

В процессе производства интегрированных шин в CCS сварочное оборудование является критически важным этапом процесса, в основном использующим два метода: лазерную сварку и ультразвуковую сварку. В традиционных процессах соединение между FPC и алюминиевой шиной обычно требует промежуточного переходного компонента-никелевой пластины. Один конец этой никелевой пластины соединен с FPC, а другой конец приварен к алюминиевой шине с помощью лазерной сварки (например, сварки волоконным лазером). Однако из-за длительного процесса сварки SMT на предварительном-этапе (например, пайка, туннельные печи и т. д.) общая длина производственной линии часто превышает 15 метров, что приводит к усложнению технологического процесса, увеличению занимаемой площади оборудования и низкой эффективности производства.

Рисунок 3. Сварка шин аккумуляторного модуля

Для оптимизации этого процесса был предложен новый подход, который использует лазерную сварку для прямого соединения FPC с шиной, устраняя необходимость в промежуточной никелевой пластине. Это решение сокращает количество этапов процесса и потенциально может повысить эффективность сварки и общую компактность производственной линии. Это новая многообещающая технология сварки меди-алюминия, заслуживающая дальнейших исследований и продвижения.

С точки зрения выбора метода сварки ультразвуковая сварка имеет такие преимущества, как чистота и экологичность, низкая стоимость, высокая эффективность и простота автоматизации. Однако из-за мягкости и чрезвычайной тонкости медной фольги на ФПК этот метод требует чрезвычайно высокой точности и стабильности контроля сварки, а также чистоты поверхности материалов. В противном случае могут легко возникнуть такие проблемы, как провар или ложная сварка.

По сравнению с этим, лазерная сварка выделяется среди промышленного автоматизированного производства благодаря своей высокой точности, высокой скорости, бесконтактной работе, широкой совместимости с материалами, чистоте-процессу и превосходной повторяемости. Однако это связано с более высокими затратами на оборудование, большей технической сложностью и более строгими требованиями к экологическому контролю.

В настоящее время общий технологический маршрут при производстве интегрированных шин CCS включает использование никелевых пластинчатых клемм для соединения FPC и алюминиевой шины. В этой установке соединение между никелевой пластиной и алюминиевой шиной обычно достигается посредством ультразвуковой или лазерной сварки, а соединение между никелевой пластиной и FPC осуществляется с помощью лазерной пайки. Этот подход требует двух разных процессов сварки, что не только увеличивает сложность процесса, но также ограничивает уровень автоматизации и эффективность производства.

Прямая сварка меди и алюминия из разнородных металлов сталкивается с многочисленными техническими проблемами. С одной стороны, медь и алюминий существенно различаются по физическим свойствам, таким как теплопроводность, коэффициент теплового расширения и температура плавления, что затрудняет металлургическое соединение. С другой стороны, в различных диапазонах температур и составов между медью и алюминием имеют тенденцию образовываться хрупкие интерметаллические соединения, что может серьезно ухудшить механические и электрические характеристики сварного соединения.

Рисунок 4. Прямая сварка меди и алюминия из разнородных металлов сталкивается с многочисленными техническими проблемами.

Чтобы решить эту техническую задачу, компания Kingslaser разработала технологию сварки меди-разнородных металлов с использованием зеленого лазера, которая напрямую удлиняет медную фольгу FPC и приваривает ее к алюминиевой шине, устраняя необходимость в промежуточной никелевой пластине. Этот подход демонстрирует преимущества сварки зеленым лазером при работе с материалами с высокой отражающей способностью, такими как медь и алюминий.

В эксперименте в качестве вывода использовалась стандартная сверхтонкая прокатанная медная фольга толщиной 70 мкм из FPC,-приваренная внахлест к алюминиевой шине толщиной 2,5 мм, причем медная фольга располагалась на верхнем слое. Гальванометр контролировал спиральный путь лазера для увеличения -площади, несущей напряжения в зоне сварки медной фольги. Путем регулирования параметров процесса, таких как мощность, скорость, степень расфокусировки и размер спиральной траектории, систематически оценивались ключевые показатели производительности,-включая поверхность сварного шва и морфологию поперечного сечения,-глубину провара и прочность на отслаивание-.

Подобные проблемы-соединения вкладок тонкой пленки возникают при производстве ячеек, в том числеПроцессы сварки вкладок аккумулятора и наконечников.

Результаты экспериментов показывают, что соответствующая мощность лазера может обеспечить локализованное плавление медной фольги, создавая сварные швы с хорошей непрерывностью и равномерным формированием. Прочность на отрыв может достигать более 30 Н, а эффект сварки значительно лучше, чем при слишком высокой или низкой мощности, что может привести к прожогу-или неправильной сварке. Скорость сварки также играет решающую роль в морфологии сварного шва, требуя баланса между эффективностью обработки и качеством сварки.

Рисунок 5. Прочность соединений на отслаивание при различной мощности сварки.

При правильной регулировке мощности соединение меди - с алюминием и формирование сварного шва улучшаются.

что приводит к более высокой прочности на разрыв в этом диапазоне мощностей

После более чем года технических разработок компания Kingslaser добилась ряда прорывов в технологии сварочного оборудования для сверх-тонких металлических материалов,-таких как медь-с-алюминием, медь-с-меди и алюминием--никелем (толщина менее или равна 35 мкм)-с улучшениями, замеченными в нескольких ключевых области.

Во-первых, была эффективно решена проблема деформации и больших сварочных зазоров в сверхтонких металлах, что значительно снизило риски ложной сварки и пере-сварки. Во-вторых, благодаря разработке системы автоматической выравнивающей сварки была повышена эффективность обработки, сокращена длина производственной линии CCS и сэкономлены производственные площади. В-третьих, для решения проблемы хрупкости сварных соединений разнородных металлов были внедрены специальные лазерные источники с определенной длиной волны, которые эффективно уменьшают растрескивание и недостаточную прочность. Наконец, отказ от использования промежуточных никелевых пластин позволил снизить материальные затраты, обеспечивая экономическую выгоду для крупномасштабного-производства CCS.

Кроме того, ведется постоянная оптимизация в таких областях, как пневматический патрон и программное обеспечение для сварки с коаксиальным визуальным гальванометром. В настоящее время система почти достигла цели по обеспечению 100 % надежности точек сварки, обеспечивая надежную техническую поддержку для высококачественного-производства CCS.

В ходе исследований технологии лазерной сварки FPC и медно-алюминиевых разнородных металлов проектная группа Kingslaser добилась множества результатов, имеющих практическое применение, а также разработала систематическое оборудование и технологические решения.

В области производства FPC компания Kingslaser разработала систему производства FFC-рулонного---полностью лазерного-сухого-процесса второго поколения, что значительно повышает уровень автоматизации производства гибких печатных плат. В оборудовании используется метод непрерывной-подачи с рулонной подачей, поддерживающий материалы шириной до 550 мм с точностью позиционирования ±0,003 мм. Благодаря точному контролю скорости намотки (0,1–10 м/мин) и ширины линии резки (всего 0,03 мм), а также интеграции системы технического зрения CCD для автоматического распознавания цели и высокоточной-вышивки шаблонов (±0,01 мм), система способна удовлетворить требования высокой-плотности и очень сложных структур FPC.

Рисунок 6. 2-й - рулон генерации от - до - рулона, полностью лазерный - сухой процесс -, устройство для производства FFC

Эта технология не только повышает эффективность производства-при ежемесячной производительности примерно 10 000–15 000 квадратных метров (что эквивалентно объему продукции примерно от 1,6 до 2,4 миллиона юаней)-, но также устраняет химические остатки и загрязнение окружающей среды, связанные с традиционными мокрыми процессами, что соответствует тенденции к экологически чистому производству. Сопутствующие инновации получили патент на изобретение под названием «Быстрый процесс производства FPC, основанный на полностью сухом процессе», что подчеркивает его сильную техническую новизну и широкий потенциал промышленного применения.

Для сварки меди-разнородных металлов команда проекта разработала линию для сварки зеленым лазером, специально предназначенную для новой отрасли производства энергетических аккумуляторов. В этом оборудовании используется высоко-производительный и-мощный лазерный источник, а зеленый лазер обладает такими преимуществами, как высокая скорость поглощения, низкое разбрызгивание, высокая эффективность, превосходная стабильность и превосходное качество луча. В основном он используется для сварки ультра-тонких металлических материалов, таких как медь, алюминий, никель и серебро.

Рисунок 7. Оборудование производственной линии CCS для зеленой лазерной сварки

Kingslaser также успешно получил патент на изобретение под названием«Метод лазерной сварки меди-алюминия разнородных металлов»на основе этой технологии.

Чтобы распространить эти выводы на более широкие сценарии соединения шин, обратитесь к нашемуПроцесс сварки шин и руководство по устранению дефектов.

Ухань Kingslaser Technology Co., Ltd.была основана в 2016 году и специализируется на исследованиях и промышленном применении технологий лазерного микро-производства. В последние годы компания сосредоточила свои усилия в области исследований и разработок на технологиях лазерного производства перовскитных солнечных элементов, проводя-углубленные исследования и разрабатывая серию высокопроизводительного сверхбыстродействующего оборудования для лазерной обработки для этой области. Эти решения предлагают множество преимуществ, включая увеличение эффективной площади генерации энергии ячеек, сокращение энергопотребления и производственных циклов, а также интеграцию многофункциональных лазерных процессов. Этот прогресс значительно повысил уровень автоматизации и интеллекта в производстве перовскитных ячеек.

Примечательно, что уже в 2012 году компания Kingslaser успешно поставила свое первое лабораторное оборудование для перовскитных солнечных элементов среднего-и-большого-размера, став одной из первых компаний в Китае, вышедших на эту область. После более чем десятилетнего технологического развития и расширения рынка компания установила отношения сотрудничества с более чем 100 университетами, исследовательскими институтами и предприятиями, занимающимися исследованиями и разработками в области перовскитовых батарей. Это сотрудничество охватывает различные технологии перовскитных ячеек, включая как мезопористые, так и плоские структуры. Kingslaser также разработала комплексный набор решений для лазерного производства, адаптированных к различным размерам, демонстрируя широкие возможности в области индивидуальной настройки и инженерной реализации.

Благодаря постоянным инновациям и интеграции исследований с промышленным применением компания Kingslaser завоевала ведущее технологическое преимущество в области оборудования для производства перовскитных солнечных элементов, обеспечивая мощную поддержку коммерциализации солнечных элементов-поколения.