Rješenja laserskog zavarivanja za CCS sabirnice: Omogućivanje visoko{0}}učinkovite proizvodnje baterija

Kingslaser je razvio suhi, laserski -proces za izradu FPC sklopova i otvaranje prozora podloge sa širinom linije od samo 10 μm. Ova tehnologija omogućuje visoko-precizno spajanje u aplikacijama ultra-velikog-formata uz smanjenje kemijskog zagađenja, pojednostavljenje procesa, skraćivanje proizvodnih ciklusa i smanjenje troškova rada.

Kako bi riješio pitanje oslanjanja na ručno sklapanje nikalnih i aluminijskih terminala u tradicionalnim CCS metodama, Kingslaser je uveo novi dizajn koji koristi proširene jezičke od bakrene folije. Ove su pločice kompatibilne s ultra-tankim metalima (Manjim od ili jednakim 35 μm), uključujući bakar-bakar, bakar-aluminij i bakar-aluminijske legure.

Korištenjem laserskog zavarivanja, jezičci od bakrene folije mogu se učinkovito zalijepiti za aluminijske sabirnice. Ova inovacija uklanja ručno sastavljanje, poboljšava automatizaciju i poboljšava pouzdanost procesa.

S brzim razvojem globalne nove energetske industrije i eksplozivnim rastom tržišta električnih vozila, tehnologija baterija, kao ključna pogonska komponenta za električna vozila, kontinuirano je napredovala u pogledu visoke sigurnosti, visoke integracije, laganog dizajna i smanjenja troškova. U isto vrijeme, odabir materijala i proizvodni procesi CCS (Cells Contact System, integrirane sabirnice), ključne komponente u sustavu baterija, također su stalno unaprijeđeni kako bi se zadovoljili sve veći zahtjevi za cjelokupnom integracijom vozila i složenošću sustava baterija.

Slika 1. CCS integrirane sabirnice jedna su od ključnih komponenti u sustavu energetskih baterija

Trenutno CCS primarno služi funkcijama uzorkovanja signala i prikupljanja struje. Njegove komponente za prikupljanje signala pokazuju trend prema diverzifikaciji, uglavnom uključujući:

◎ Snopovi kabela: tradicionalni, ali pouzdani, složenih struktura i niske integracije;
◎ Fleksibilni tiskani krug (FPC): Temeljen na poliimidnom ili poliesterskom filmu, koji nudi izvrsnu fleksibilnost i stabilnost, jedno je od glavnih rješenja danas;
◎ Fleksibilni ravni kabel (FFC): Jednostavna struktura, niska cijena, pogodan za lagani dizajn;
◎ Fleksibilna oblikovana pločica (FDC): dodaje tehnologiju oblikovanja povrh FPC-a, pružajući jaču tro{0}}dimenzionalnu prilagodljivost;
◎ Fleksibilni plosnati kabel (FFC) povezan s fleksibilnim oblikovanim strujnim krugom (FCC): integrira FFC s FPC/FDC, poboljšava strukturnu fleksibilnost i učinkovitost povezivanja, što ga čini novim rješenjem koje se trenutno koristi.

Istraživanje i koegzistencija višestrukih tehničkih ruta primarno je usmjereno na smanjenje ukupnih troškova CCS proizvoda, posebno u dijelu uzorkovanja BMS-a (Battery Management System), koji čini približno 55% ukupnih troškova. Kao rezultat toga, visoko{2}}integracijska,-tehnologija akvizicije signala postala je ključni fokus istraživanja i razvoja.

U tom kontekstu, Kingslaser se od 2023. usredotočio na inovacije u tehnologiji fleksibilnih krugova, predlažući dva ključna rješenja za poboljšanje procesa za poboljšanje performansi i nadogradnju proizvodnje CCS-a:

● Potpuno suhi proces za brzu FPC proizvodnju

Ovaj proces koristi potpunu tehnologiju laserske obrade za dovršetak kritičnih koraka kao što je graviranje FPC uzoraka kola i otvaranje prozora PI filma. U usporedbi s tradicionalnim mokrim procesima, značajno pojednostavljuje radni tijek proizvodnje, eliminira upotrebu kemijskih reagensa i nudi prednosti u prihvatljivosti okoliša, energetskoj učinkovitosti i visokoj produktivnosti. Trenutno je Kingslaser dovršio dizajn procesa druge-generacije i dobio relevantne patente.

● Istraživanje tehnologije laserskog zavarivanja bakra-aluminija

Kao odgovor na usko grlo u tradicionalnom CCS-u gdje je FPC spojen na aluminijske sabirnice putem poniklavanja ili injekcijskog prešanja, Kingslaser je predložio novo rješenje korištenjem izravnog laserskog zavarivanja za povezivanje FPC-a s aluminijskim sabirnicama. Ovaj pristup eliminira međuvezne materijale, pojednostavljuje strukturu, smanjuje troškove i poboljšava dosljednost proizvodnje. Tehnologija je razvijena početkom 2024. kao odgovor na zahtjev uvrštene tvrtke i postigla je preliminarne rezultate validacije.

Ukratko, kao kritična komponenta u paketima baterija, dizajn i razina proizvodnje CCS-a izravno utječu na performanse i cijenu novih energetskih električnih vozila. Istraživanje višestrukih rješenja za module za prikupljanje signala i implementacija novih tehnologija znači da CCS napreduje prema većoj učinkovitosti, većoj integraciji i nižim troškovima.

Fleksibilni tiskani krug (FPC), koji se obično naziva "fleksibilnom pločom", je tiskana ploča koja koristi fleksibilne izolacijske materijale kao bazu i postiže elektroničku funkcionalnost kroz precizne uzorke krugova. Nudi brojne prednosti u odnosu na tradicionalne krute tiskane ploče, poput izvrsne fleksibilnosti, lagane strukture i vrhunske električne izvedbe. Kao rezultat toga, FPC-ovi se široko koriste u pametnim terminalima, nosivim uređajima, medicinskoj opremi i novim energetskim vozilima, što ih čini ključnim temeljem za postizanje minijaturizacije, laganog dizajna i integracije u moderne elektroničke proizvode.

FPC nudi izvrsnu fleksibilnost, dopuštajući slobodno savijanje, preklapanje i namotavanje za prilagodbu tro-dimenzionalnim rasporedima prostora, omogućujući integraciju sklopa komponenti i žičane veze. Zbog svoje tanke i lagane strukture, FPC značajno smanjuje veličinu i težinu elektroničkih uređaja, zadovoljavajući zahtjeve za visokom-gustoćom i kompaktnim dizajnom u modernoj elektronici. Dodatno, FPC pruža dobru disipaciju topline, snažnu sposobnost lemljenja i jednostavnu instalaciju, pružajući vrhunsku ukupnu izvedbu. Konkretno, kruta-fleksibilna struktura dodatno kompenzira ograničenja fleksibilnih strujnih krugova u smislu nosivosti-opterećenja.

Slika 2. Fotografija FPC-a

Međutim, proizvodnja FPC-a također predstavlja određene izazove. Budući da su fleksibilni sklopovi obično prilagođeni-dizajnirani, oni uključuju veće zahtjeve za dizajn i proces, što rezultira značajnim početnim ulaganjima i mnogo višim-troškovima pokretanja u usporedbi sa standardnim PCB-ima. Štoviše, kada je proizvodnja završena, izmjene je teško provesti, često zahtijevaju prilagodbe osnovnih crteža ili fotoplota, a proces popravka za pokrovne slojeve također je složen. Osim toga, priroda fleksibilnih materijala ograničava skalabilnost u masovnoj proizvodnji, a proces izrade zahtijeva iznimno precizno rukovanje-svako pogrešno rukovanje može dovesti do oštećenja kruga ili funkcionalnog kvara.

Kako bi prevladao ograničenja tradicionalnih proizvodnih procesa, Kingslaser je od 2004. godine posvećen razvoju tehnologije proizvodnje FPC-temeljene na laseru. Te godine, kada je isporučen prvi kineski FPC laserski stroj za konturno rezanje, slična strana oprema koštala je čak 5,5 milijuna RMB. Kingslaser je, oslanjajući se na neovisno istraživanje i razvoj, uspješno završio isporuku po cijeni od oko 1,5 milijuna RMB, razbivši strani monopol i označivši početak domaće primjene laserske opreme u području proizvodnje fleksibilne elektronike. Naime, stroj je bio prvi koji je usvojio linearni motor uvezen iz tajvanske HIWIN Technologies u to vrijeme, u kombinaciji sa sustavom galvanometra, uspostavljajući pionirsku strukturu laserske obrade "linearni motor + galvanometar" koja je značajno poboljšala preciznost obrade i brzinu odziva.

Nadovezujući se na ove temelje, Kingslaser je nastavio unapređivati ​​tehnologije zelene proizvodnje za fleksibilne sklopove predlažući brzi proizvodni proces FPC koji se temelji na konceptu potpuno suhe proizvodnje. Usredotočena na lasersku obradu, ova metoda eliminira višestruke složene korake koji se nalaze u tradicionalnim mokrim procesima-kao što su jetkanje, razvijanje i kemijsko čišćenje-i uspostavlja novi radni tijek proizvodnje usredotočen na kontinuiranu lasersku obradu-na-valjak. U usporedbi s konvencionalnim metodama, novi proces počinje odmotavanjem sirovina, nakon čega slijedi lasersko otvaranje prozora, lasersko oblikovanje uzoraka krugova i rezanje obrisa, čime se doista postiže ekološki proizvodni model koji je bez kemijskih reagensa, otpadnih voda i ispušnih plinova.

Tradicionalni proizvodni proces FPC-a ne samo da je složen i zauzima -prostor, nego i uvelike ovisi o kemijskim reagensima, što rezultira značajnim utjecajem na okoliš. Zahtijeva značajnu ručnu intervenciju, što dovodi do dugih proizvodnih ciklusa i velike potrošnje energije. Nasuprot tome, Kingslaserova tehnologija suhog-procesa uvelike pojednostavljuje tijek proizvodnje integracijom više koraka kroz visoko-preciznu lasersku obradu, omogućavajući potpuno automatiziranu, visoko učinkovitu i nultu-zagađenu metodu za izradu fleksibilnih sklopova. Osobito pod postavkom kontinuirane proizvodnje--na valjak, laserska oprema može se neprimjetno integrirati sa uzvodnim i nizvodnim sustavima za rukovanje materijalom, pružajući idealno sučelje za-inteligentnu proizvodnju velikih razmjera.

U smislu tehničke izvedbe, ovaj proces ima nekoliko inovativnih otkrića. Prvo, upotreba galvanometarske-skenirane laserske obrade omogućuje fleksibilniji i slobodniji dizajn uzorka kruga, postižući minimalnu širinu linije od 100 mikrona. Ovo ispunjava zahtjeve za visoko-preciznošću i visoko-složenom FPC proizvodnjom i omogućuje prilagođeno dimenzioniranje na temelju zahtjeva kupaca, značajno poboljšavajući kompatibilnost proizvoda. Drugo, potpuno suhi laserski proces potpuno eliminira kemijsko onečišćenje povezano s tradicionalnim mokrim metodama, ostvarujući istinski ekološki prihvatljivu i čistu proizvodnju, u skladu s trenutnim trendovima u zelenoj proizvodnji. Osim toga, proces uvelike smanjuje zahtjeve za radnom snagom i broj ukupnih proizvodnih koraka, značajno skraćujući proizvodne cikluse i poboljšavajući učinkovitost proizvodnje-čime je dobro-prilagođen današnjim zahtjevima tržišta za brzim ponavljanjem proizvoda i brzom isporukom.

Iz perspektive-kontrole troškova, potpuno suhi proces eliminira potrebu za tiskarskim kalupima i korozivnim kemikalijama, značajno poboljšavajući iskorištenost materijala dok smanjuje dodatni materijalni otpad gotovo na nulu, pomažući tvrtkama da izgrade konkurentniju strukturu troškova. U isto vrijeme, u rukovanju FPC obradom velikog-formata, proces učinkovito rješava izazov održavanja točnosti spajanja u tradicionalnim metodama, omogućavajući visoku-preciznost, kontinuiranu proizvodnju velikih-površinskih FPC-ova.

U proizvodnom procesu integriranih sabirnica u CCS-u, oprema za zavarivanje je kritičan procesni korak, koji prvenstveno uključuje dvije metode: lasersko zavarivanje i ultrazvučno zavarivanje. U tradicionalnim procesima, veza između FPC-a i aluminijske sabirnice obično zahtijeva srednju prijelaznu komponentu-ploču od nikla. Jedan kraj ove ploče od nikla spojen je na FPC, dok je drugi kraj zavaren na aluminijsku sabirnicu laserskim zavarivanjem (kao što je lasersko zavarivanje vlakana). Međutim, zbog dugotrajne predfaze SMT procesa zavarivanja (npr. lemljenje, tunelske peći, itd.), ukupna duljina proizvodne linije često premašuje 15 metara, što dovodi do složenog toka procesa, velikog otiska opreme i niske učinkovitosti proizvodnje.

Slika 3. Zavarivanje sabirnice baterijskog modula

Kako bi se optimizirao ovaj proces, predložen je novi pristup koji koristi lasersko zavarivanje za izravno povezivanje FPC-a sa sabirnicom, eliminirajući potrebu za međupločom od nikla. Ovo rješenje smanjuje broj koraka procesa i ima potencijal poboljšati učinkovitost zavarivanja i ukupnu kompaktnost proizvodne linije. Predstavlja obećavajuću novu tehnologiju zavarivanja bakra-aluminija vrijednu daljnjeg istraživanja i promicanja.

U pogledu odabira metode zavarivanja, ultrazvučno zavarivanje nudi prednosti kao što su čistoća i ekološki prihvatljivost, niska cijena, visoka učinkovitost i jednostavnost automatizacije. Međutim, zbog mekoće i izuzetne tankoće bakrene folije na FPC-ima, ova metoda zahtijeva izuzetno visoku preciznost i stabilnost u kontroli zavarivanja, kao i površinsku čistoću materijala. U protivnom se lako mogu pojaviti problemi poput prodiranja zavara ili lažnog zavarivanja.

Za usporedbu, lasersko zavarivanje ističe se u industrijskoj automatiziranoj proizvodnji zbog svoje visoke preciznosti, velike brzine, be-kontaktnog rada, široke kompatibilnosti materijala, procesa-bez zagađenja i izvrsne ponovljivosti. Međutim, dolazi s višim troškovima opreme, većom tehničkom složenošću i strožim zahtjevima za kontrolu okoliša.

Trenutačno uobičajeni put procesa u CCS integriranoj proizvodnji sabirnica uključuje korištenje terminala od niklane ploče za spajanje FPC-a i aluminijske sabirnice. U ovoj postavci, veza između ploče od nikla i aluminijske sabirnice obično se postiže ultrazvučnim ili laserskim zavarivanjem, dok se veza između ploče od nikla i FPC-a izvodi pomoću laserskog lemljenja. Ovaj pristup zahtijeva dva različita procesa zavarivanja, što ne samo da povećava složenost procesa, već također ograničava razine automatizacije i učinkovitost proizvodnje.

Izravno zavarivanje različitih metala bakra i aluminija suočava se s brojnim tehničkim izazovima. S jedne strane, bakar i aluminij značajno se razlikuju u fizičkim svojstvima kao što su toplinska vodljivost, koeficijent toplinskog širenja i talište, što otežava metalurško spajanje. S druge strane, unutar različitih raspona temperature i sastava, krhki intermetalni spojevi imaju tendenciju stvaranja između bakra i aluminija, što može ozbiljno ugroziti mehaničku i električnu izvedbu zavarenog spoja.

Slika 4. Izravno zavarivanje različitih metala bakra i aluminija suočava se s brojnim tehničkim izazovima

Kako bi odgovorio na ovaj tehnički izazov, Kingslaser je razvio tehnologiju zavarivanja bakra-aluminija različitih metala koja se temelji na zelenom laseru, koji izravno produžuje FPC bakrenu foliju i zavaruje je na aluminijsku sabirnicu, eliminirajući potrebu za međupločom od nikla. Ovaj pristup pokazuje prednosti zavarivanja zelenim laserom u rukovanju visoko reflektirajućim materijalima poput bakra i aluminija.

U eksperimentu je standardna ultra{1}}varena bakrena folija od 70 μm iz FPC-a korištena kao jezičak, preklop-zavaren na aluminijsku sabirnicu od 2,5 mm s bakrenom folijom postavljenom na gornji sloj. Galvanometar je kontrolirao putanju spiralnog lasera kako bi se povećalo područje-podnošenja naprezanja u zoni zavarivanja bakrene folije. Prilagođavanjem parametara procesa kao što su snaga, brzina, količina defokusiranja i veličina spiralne putanje, ključni pokazatelji učinkovitosti-uključujući površinu zavara i morfologiju poprečnog-presjeka, dubinu prodiranja zavara i čvrstoću na ljuštenje-su sustavno ocjenjivani.

Slični problemi sa spajanjem tankih{0}}filmova pojavljuju se tijekom proizvodnje ćelija, uključujućiprocesi zavarivanja jezičaka i ušica baterije.

Eksperimentalni rezultati pokazuju da odgovarajuća snaga lasera može postići lokalizirano taljenje bakrene folije, stvarajući zavare s dobrim kontinuitetom i dosljednom formacijom. Snaga ljuštenja može doseći iznad 30 N, a učinak zavarivanja znatno je bolji od onog postignutog s pretjerano visokom ili niskom snagom, što može dovesti do -pregorevanja ili lažnog zavarivanja. Brzina zavarivanja također igra ključnu ulogu u morfologiji zavarivanja, zahtijevajući ravnotežu između učinkovitosti obrade i kvalitete zavarivanja.

Slika 5. Čvrstoća na ljuštenje spojeva pri različitim snagama zavarivanja.

Kada je snaga ispravno podešena, veza bakar - aluminij i formiranje zavara se poboljšavaju,

što dovodi do veće vlačne čvrstoće u tom području snage

Nakon više od godinu dana tehničkog razvoja, Kingslaser je postigao niz otkrića u tehnologiji opreme za zavarivanje za ultra{0}}tanke metalne materijale-kao što su bakar-na-aluminij, bakar-na-bakar i aluminij-na-nikl (debljina manja ili jednaka 35μm)-s vidljivim poboljšanjima u nekoliko ključnih područja.

Prvo, izazov deformacije i velikih razmaka pri spajanju u ultra-tankim metalima je učinkovito riješen, značajno smanjujući rizik od lažnog zavarivanja i pre-zavarivanja. Drugo, razvojem sustava za automatsko poravnavanje zavarivanja, učinkovitost obrade je poboljšana, duljina CCS proizvodne linije je skraćena, a proizvodni prostor ušteđen. Treće, kako bi se riješio problem krtosti zavarenih spojeva različitih metala, uvedeni su prilagođeni laserski izvori s određenim valnim duljinama, koji učinkovito ublažavaju pucanje i nedovoljnu čvrstoću. Naposljetku, eliminacija međuproizvoda od ploča od nikla smanjila je troškove materijala, donoseći ekonomske koristi za -proizvodnju CCS-a u velikim razmjerima.

Osim toga, kontinuirana optimizacija je provedena u područjima kao što su pneumatska stezna glava i softver za koaksijalno vizualno zavarivanje galvanometra. Sustav je sada gotovo postigao cilj od 100% pouzdanosti točke zavarivanja, pružajući jaku tehničku podršku za visoko-kvalitetnu CCS proizvodnju.

U istraživanju tehnologije laserskog zavarivanja za FPC i bakar-aluminij različite metale, projektni tim tvrtke Kingslaser postigao je višestruke rezultate s praktičnom primjenom te je razvio sustavnu opremu i procesna rješenja.

U području proizvodnje FPC-a, Kingslaser je razvio drugu{0}}generaciju FFC-proizvodnog sustava-{1}}to-koji se potpuno temelji na laserskom-suhom-postupku FFC-a, značajno poboljšavajući razinu automatizacije proizvodnje fleksibilnih ploča. Oprema usvaja kontinuiranu metodu obrade-dodavanja valjaka, podržavajući materijale širine do 550 mm, s preciznošću pozicioniranja od ±0,003 mm. Preciznim kontroliranjem brzine namotavanja (0,1–10 m/min) i širine linije rezanja (samo 0,03 mm), te integracijom CCD vizualnog sustava za automatsko prepoznavanje mete i visoko{13}}precizno šivanje uzorka (±0,01 mm), sustav je sposoban ispuniti zahtjeve visoke-gustoće i vrlo složenih FPC struktura.

Slika 6. 2nd - Generation Roll - do - Roll Fully Laser - Based Dry - Procesni FFC proizvodni uređaj

Ova tehnologija ne samo da poboljšava učinkovitost proizvodnje-s mjesečnim proizvodnim kapacitetom od približno 10 000 – 15 000 četvornih metara (ekvivalent izlaznoj vrijednosti od oko 1,6 do 2,4 milijuna RMB)-nego također uklanja kemijske ostatke i onečišćenje okoliša povezano s tradicionalnim mokrim procesima, usklađujući se s trendom prema zelenoj proizvodnji. Povezane inovacije dobile su patent za izum pod nazivom "Brzi proizvodni proces FPC-a temeljen na potpuno suhom procesu", ističući njegovu snažnu tehničku originalnost i širok potencijal industrijske primjene.

Za zavarivanje različitih metala bakra-aluminija, projektni tim razvio je proizvodnu liniju za zavarivanje zelenim laserom posebno dizajniranu za novu industriju energetskih baterija. Ova oprema koristi laserski izvor visoke-izvedbe, velike{3}}snage, a zeleni laser nudi prednosti kao što su visoka stopa apsorpcije, malo prskanja, visoka učinkovitost, izvrsna stabilnost i vrhunska kvaliteta zrake. Prvenstveno se koristi za zavarivanje ultra-tankih metalnih materijala kao što su bakar, aluminij, nikal i srebro.

Slika 7. CCS oprema proizvodne linije za zavarivanje zelenim laserom

Kingslaser je također uspješno dobio patent za izum pod nazivom"Metoda laserskog zavarivanja bakra-aluminija različitih metala"na temelju ove tehnologije.

Kako biste proširili ove nalaze na šire scenarije spajanja sabirnica, pogledajte našepostupak zavarivanja sabirnica i vodič za otklanjanje kvarova.

Wuhan Kingslaser Technology Co., Ltd.osnovana je 2016. s fokusom na istraživanje i industrijsku primjenu tehnologija laserske mikro-proizvodnje. Posljednjih godina tvrtka je koncentrirala svoje napore u istraživanju i razvoju na tehnologiju laserske proizvodnje za perovskitne solarne ćelije, provodeći-dubinske studije i razvijajući niz visoko-opreme za ultrabrzu lasersku obradu za ovo područje. Ova rješenja nude višestruke prednosti, uključujući povećanje učinkovite površine za proizvodnju energije ćelija, smanjenje potrošnje energije i proizvodnih ciklusa te integraciju više-funkcionalnih laserskih procesa. Ovaj napredak značajno je povećao razinu automatizacije i inteligencije u proizvodnji perovskitnih ćelija.

Naime, već 2012. Kingslaser je uspješno isporučio svoju prvu laboratorijsku opremu za perovskitne solarne ćelije srednje{1}}do-velike-veličine, postavši jedna od prvih tvrtki u Kini koja je ušla u ovo područje. Nakon više od desetljeća tehnološkog razvoja i širenja tržišta, tvrtka je uspostavila odnose suradnje s više od 100 sveučilišta, istraživačkih institucija i poduzeća koja se bave istraživanjem i razvojem perovskitnih baterija. Ova suradnja pokriva razne tehnologije perovskitnih stanica, uključujući i mezoporozne i planarne strukture. Kingslaser je također razvio sveobuhvatan skup rješenja za lasersku proizvodnju skrojenih prema specifikacijama različitih veličina, pokazujući snažne sposobnosti u prilagođavanju kupcima i inženjerskoj implementaciji.

Kroz stalne inovacije i integraciju istraživanja s industrijskom primjenom, Kingslaser je uspostavio vodeću tehnološku prednost u području opreme za proizvodnju solarnih ćelija od perovskita, pružajući snažnu podršku komercijalizaciji sljedeće-generacije solarnih ćelija.