Rješenja za lasersko zavarivanje za CCS sabirnice: Omogućavanje visoko-efikasne proizvodnje baterija

Kingslaser je razvio suhi, laserski-bazirani proces za proizvodnju FPC kola i otvaranje prozora sa linijom širine od 10 μm. Ova tehnologija omogućava visoko{3}}precizno spajanje u aplikacijama ultra-velikih-formata uz istovremeno smanjenje hemijskog zagađenja, pojednostavljivanje procesa, skraćivanje proizvodnih ciklusa i smanjenje troškova rada.

Kako bi se pozabavio oslanjanjem na ručnu montažu terminala od nikla i aluminija u tradicionalnim CCS metodama, Kingslaser je predstavio novi dizajn koristeći proširene pločice od bakarne folije. Ovi jezičci su kompatibilni sa ultra-tankim metalima (manjim ili jednakim 35 μm), uključujući bakar-bakar, bakar-aluminij i bakar-aluminijske legure.

Koristeći lasersko zavarivanje, pločice od bakarne folije mogu se efikasno zalijepiti za aluminijske sabirnice. Ova inovacija eliminiše ručno sastavljanje, poboljšava automatizaciju i poboljšava pouzdanost procesa.

Sa brzim razvojem globalne nove energetske industrije i eksplozivnim rastom tržišta električnih vozila, tehnologija baterija, kao osnovna pogonska komponenta električnih vozila, kontinuirano je činila napredak u smislu visoke sigurnosti, visoke integracije, laganog dizajna i smanjenja troškova. Istovremeno, izbor materijala i procesi proizvodnje CCS-a (Cells Contact System, integrisane sabirnice), ključne komponente u sistemu baterija, takođe su stalno unapređivani kako bi se zadovoljili sve veći zahtevi za sveukupnu integraciju vozila i složenost sistema baterija.

Slika 1. CCS integrisane sabirnice su jedna od ključnih komponenti u sistemu energetskih baterija

Trenutno, CCS prvenstveno služi funkcijama uzorkovanja signala i prikupljanja struje. Njegove komponente za akviziciju signala pokazuju trend diverzifikacije, uglavnom uključujući:

◎ Snopovi kablova: tradicionalni, ali pouzdani, sa složenim strukturama i niskom integracijom;
◎ Fleksibilno štampano kolo (FPC): Zasnovan na poliimidnom ili poliesterskom filmu, koji nudi odličnu fleksibilnost i stabilnost, jedno je od glavnih rješenja danas;
◎ Fleksibilni ravni kabel (FFC): Jednostavna struktura, niska cijena, pogodan za lagani dizajn;
◎ Fleksibilna oblikovana ploča (FDC) : dodaje tehnologiju oblikovanja na vrhu FPC-a, pružajući jaču trodimenzionalnu-prilagodljivost;
◎ Fleksibilni ravni kabl (FFC) povezan sa fleksibilnim kalupom (FCC) : Integriše FFC sa FPC/FDC, poboljšavajući strukturnu fleksibilnost i efikasnost povezivanja, što ga čini novim rešenjem koje se trenutno koristi.

Istraživanje i koegzistencija više tehničkih puteva prvenstveno ima za cilj smanjenje ukupne cijene CCS proizvoda, posebno u dijelu uzorkovanja BMS-a (Battery Management System), koji čini približno 55% ukupnih troškova. Kao rezultat toga, visoka-integracija, niska-tehnologija akvizicije signala postala je ključni fokus istraživanja i razvoja.

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

● Potpuno suhi proces za brzu proizvodnju FPC

Ovaj proces koristi potpunu tehnologiju laserske obrade za dovršavanje kritičnih koraka kao što je urezivanje FPC obrazaca kola i otvaranje prozora PI filma. U poređenju sa tradicionalnim mokrim procesima, značajno pojednostavljuje proces proizvodnje, eliminiše upotrebu hemijskih reagensa i nudi prednosti u pogledu ekološke prihvatljivosti, energetske efikasnosti i visoke produktivnosti. Trenutno je Kingslaser završio dizajn druge-generacije procesa i dobio relevantne patente.

● Istraživanje tehnologije laserskog zavarivanja bakra-aluminijuma

Kao odgovor na usko grlo u tradicionalnom CCS-u gdje je FPC spojen na aluminijske sabirnice putem niklovane ploče ili brizganja, Kingslaser je predložio novo rješenje korištenjem laserskog direktnog zavarivanja za povezivanje FPC-a s aluminijskim sabirnicama. Ovaj pristup eliminiše srednje materijale za povezivanje, pojednostavljuje strukturu, smanjuje troškove i poboljšava konzistentnost proizvodnje. Tehnologija je razvijena početkom 2024. godine kao odgovor na zahtjev kotirane kompanije i postigla je preliminarne rezultate validacije.

Ukratko, kao kritična komponenta u baterijskim paketima, nivo dizajna i proizvodnje CCS-a direktno utiče na performanse i cenu novih energetskih električnih vozila. Istraživanje višestrukih rješenja za module za akviziciju signala i implementacija novih tehnologija znači da CCS napreduje prema većoj efikasnosti, većoj integraciji i nižim troškovima.

Fleksibilno štampano kolo (FPC), koje se obično naziva "fleksibilna ploča", je štampana ploča koja koristi fleksibilne izolacione materijale kao osnovu i postiže elektronsku funkcionalnost kroz precizne šeme kola. Nudi brojne prednosti u odnosu na tradicionalne krute ploče, kao što su odlična fleksibilnost, lagana struktura i superiorne električne performanse. Kao rezultat toga, FPC se široko koriste u pametnim terminalima, nosivim uređajima, medicinskoj opremi i vozilima nove energije, što ih čini ključnim temeljom za postizanje minijaturizacije, laganog dizajna i integracije u moderne elektronske proizvode.

FPC nudi odličnu fleksibilnost, omogućavajući slobodno savijanje, savijanje i namotavanje za prilagođavanje trodimenzionalnom rasporedu prostora, omogućavajući integraciju sklopa komponenti i žičane veze. Zbog svoje tanke i lagane strukture, FPC značajno smanjuje veličinu i težinu elektronskih uređaja, zadovoljavajući zahtjeve za visoko-gustim i kompaktnim dizajnom u modernoj elektronici. Osim toga, FPC pruža dobro odvođenje topline, jaku lemljivost i jednostavnu instalaciju, pružajući vrhunske ukupne performanse. Konkretno, kruta-fleksibilna struktura dodatno kompenzuje ograničenja fleksibilnih kola u smislu nosivosti-nosivosti.

Slika 2. Fotografija FPC-a

Međutim, proizvodnja FPC-a također predstavlja određene izazove. Kako su fleksibilna kola obično prilagođena-dizajniranim, oni uključuju veće zahtjeve dizajna i procesa, što rezultira značajnim početnim ulaganjem i mnogo većim troškovima pokretanja-u poređenju sa standardnim PCB-ima. Štaviše, nakon što je proizvodnja završena, modifikacije su teške za implementaciju, često zahtijevaju prilagođavanje osnovnih crteža ili fotoploča, a proces popravke za pokrivne slojeve je također složen. Osim toga, priroda fleksibilnih materijala ograničava skalabilnost u masovnoj proizvodnji, a proces proizvodnje zahtijeva izuzetno precizno rukovanje-svako pogrešno rukovanje može dovesti do oštećenja kola ili funkcionalnog kvara.

Kako bi prevazišao ograničenja tradicionalnih proizvodnih procesa, Kingslaser je od 2004. godine posvećen razvoju laserske{0}}tehnologije FPC proizvodnje. Te godine, kada je isporučila prvu kinesku FPC lasersku mašinu za konturno rezanje, slična strana oprema koštala je čak 5,5 miliona RMB. Kingslaser je, oslanjajući se na nezavisno istraživanje i razvoj, uspešno izvršio isporuku po ceni od oko 1,5 miliona RMB, razbivši strani monopol i označivši početak primene domaće laserske opreme u oblasti proizvodnje fleksibilne elektronike. Naime, mašina je bila prva koja je usvojila linearni motor uvezen iz tajvanske HIWIN Technologies u to vrijeme, u kombinaciji sa galvanometarskim sistemom, uspostavljajući pionirsku strukturu laserske obrade "linearni motor + galvanometar" koja je značajno poboljšala preciznost obrade i brzinu odziva.

Nadovezujući se na ovu osnovu, Kingslaser je nastavio da unapređuje zelene proizvodne tehnologije za fleksibilna kola predlažući brzi FPC proizvodni proces zasnovan na konceptu potpuno suve proizvodnje. Usredsređena na lasersku obradu, ova metoda eliminiše višestruke složene korake koji se mogu naći u tradicionalnim mokrim procesima-kao što su graviranje, razvijanje i hemijsko čišćenje-i uspostavlja novi proizvodni radni tok usredsređen na "rola-to-kontinuiranu lasersku obradu." U poređenju sa konvencionalnim metodama, novi proces počinje odmotavanjem sirovog materijala, nakon čega slijedi lasersko otvaranje prozora, lasersko oblikovanje kruga i obris sečenja, čime se zaista postiže ekološki proizvodni model bez kemijskih reagensa, otpadnih voda i izduvnih emisija.

Tradicionalni proces proizvodnje FPC-a nije samo složen i zauzima{0}}prostor, već se i u velikoj mjeri oslanja na hemijske reagense, što rezultira značajnim uticajem na životnu sredinu. Zahtijeva značajnu ručnu intervenciju, što dovodi do dugih proizvodnih ciklusa i velike potrošnje energije. Nasuprot tome, Kingslaserova tehnologija suhog-procesa uvelike pojednostavljuje tok proizvodnje integracijom više koraka kroz visoko{4}}preciznu lasersku obradu, omogućavajući potpuno automatiziranu, visoko efikasnu i nultu{5}}metodu za proizvodnju fleksibilnih kola. Posebno pod konfiguracijom kontinuirane proizvodnje-to-, laserska oprema se može neprimjetno integrirati sa uzvodnim i nizvodnim sistemima za rukovanje materijalom, pružajući idealan interfejs za-inteligentnu proizvodnju velikih razmjera.

U pogledu tehničkih performansi, ovaj proces karakteriše nekoliko inovativnih otkrića. Prvo, upotreba galvanometarske-skenirane laserske obrade omogućava fleksibilniji i slobodniji dizajn kola, postižući minimalnu širinu linije od 100 mikrona. Ovo ispunjava zahtjeve za visoku{4}}preciznost i visoku-složenost FPC proizvodnju i omogućava prilagođenu veličinu na osnovu zahtjeva kupaca, značajno poboljšavajući kompatibilnost proizvoda. Drugo, potpuno suhi laserski proces u potpunosti eliminiše hemijsko zagađenje povezano sa tradicionalnim mokrim metodama, ostvarujući istinski ekološki prihvatljivu i čistu proizvodnju, u skladu sa trenutnim trendovima u zelenoj proizvodnji. Osim toga, proces uvelike smanjuje zahtjeve za radnom snagom i broj ukupnih koraka proizvodnje, značajno skraćujući proizvodne cikluse i poboljšavajući efikasnost proizvodnje-što ga čini dobro-prilagođenim današnjim zahtjevima tržišta za brzim ponavljanjem proizvoda i brzom isporukom.

Iz perspektive{0}}kontrole troškova, potpuno suhi proces eliminiše potrebu za štamparskim kalupima i korozivnim hemikalijama, značajno poboljšavajući korištenje materijala uz smanjenje dodatnog otpada materijala na skoro nulu, pomažući kompanijama da izgrade konkurentniju strukturu troškova. U isto vrijeme, u rukovanju FPC obradom velikog-formata, proces efikasno rješava izazov održavanja tačnosti spajanja tradicionalnim metodama, omogućavajući visoku{3}}preciznost, kontinuiranu proizvodnju FPC-ova velikih-oblasti.

U procesu proizvodnje integrisanih sabirnica u CCS, oprema za zavarivanje je kritičan procesni korak, koji prvenstveno uključuje dvije metode: lasersko zavarivanje i ultrazvučno zavarivanje. U tradicionalnim procesima, veza između FPC i aluminijumske sabirnice obično zahtijeva srednju prijelaznu komponentu-niklovanu ploču. Jedan kraj ove niklovane ploče je spojen na FPC, dok je drugi kraj zavaren za aluminijsku sabirnicu pomoću laserskog zavarivanja (kao što je lasersko zavarivanje s vlaknima). Međutim, zbog dugotrajnog pre-fazijskog procesa SMT zavarivanja (npr. lemljenje, tunelske peći, itd.), ukupna dužina proizvodne linije često prelazi 15 metara, što dovodi do složenog toka procesa, velikog otiska opreme i niske efikasnosti proizvodnje.

Slika 3. Zavarivanje sabirničkih modula baterijskog modula

Kako bi se optimizirao ovaj proces, predložen je novi pristup koji koristi lasersko zavarivanje za direktno povezivanje FPC-a na sabirnicu, eliminirajući potrebu za međupločom od nikla. Ovo rješenje smanjuje broj koraka procesa i ima potencijal da poboljša efikasnost zavarivanja i ukupnu kompaktnost proizvodne linije. Predstavlja obećavajuću novu tehnologiju zavarivanja bakra{2}}aluminijuma vrijednu daljeg istraživanja i promocije.

U pogledu odabira metoda zavarivanja, ultrazvučno zavarivanje nudi prednosti kao što su čistoća i ekološka prihvatljivost, niska cijena, visoka efikasnost i lakoća automatizacije. Međutim, zbog mekoće i ekstremne tankosti bakarne folije na FPC-ovima, ova metoda zahtijeva izuzetno visoku preciznost i stabilnost u kontroli zavarivanja, kao i površinsku čistoću materijala. U suprotnom, lako se mogu pojaviti problemi kao što su prodiranje zavara ili lažno zavarivanje.

Za usporedbu, lasersko zavarivanje se ističe u industrijskoj automatiziranoj proizvodnji zbog svoje visoke preciznosti, velike brzine, beskontaktnog rada, široke kompatibilnosti materijala, procesa bez zagađenja-i odlične ponovljivosti. Međutim, dolazi sa većim troškovima opreme, većom tehničkom složenošću i strožim zahtjevima kontrole okoliša.

Trenutno, uobičajeni procesni put u CCS integrisanoj proizvodnji sabirnica uključuje korištenje terminala od niklovane ploče za povezivanje FPC-a i aluminijumske sabirnice. U ovoj postavci, veza između niklovane ploče i aluminijumske sabirnice se obično postiže ultrazvučnim ili laserskim zavarivanjem, dok se veza između niklovane ploče i FPC-a ostvaruje laserskim lemljenjem. Ovaj pristup zahtijeva dva različita procesa zavarivanja, što ne samo da povećava složenost procesa već i ograničava nivoe automatizacije i efikasnost proizvodnje.

Direktno zavarivanje različitih metala bakra i aluminija suočava se s brojnim tehničkim izazovima. S jedne strane, bakar i aluminijum se značajno razlikuju u fizičkim svojstvima kao što su toplotna provodljivost, koeficijent toplotnog širenja i tačka topljenja, što otežava metalurško vezivanje. S druge strane, unutar različitih temperaturnih i sastavnih raspona, krhki intermetalni spojevi imaju tendenciju stvaranja između bakra i aluminija, što može ozbiljno ugroziti mehaničke i električne performanse zavarenog spoja.

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

Kako bi riješio ovaj tehnički izazov, Kingslaser je razvio bakar-aluminijsku tehnologiju zavarivanja različitog metala zasnovanu na zelenom laseru, koji direktno proteže FPC bakarnu foliju i zavari je na aluminijumsku sabirnicu, eliminirajući potrebu za međupločom od nikla. Ovaj pristup pokazuje prednosti zelenog laserskog zavarivanja u rukovanju visoko reflektirajućim materijalima poput bakra i aluminija.

U eksperimentu je korištena standardna 70μm ultra-tanka valjana bakarna folija iz FPC-a kao jezičak, preklop-zavaren na aluminijumsku sabirnicu od 2,5 mm sa bakarnom folijom postavljenom na gornji sloj. Galvanometar je kontrolirao spiralnu lasersku putanju kako bi se povećala površina -podnošenja napona u zoni zavarivanja bakarne folije. Prilagođavanjem parametara procesa kao što su snaga, brzina, količina defokusiranja i veličina spiralne putanje, ključni indikatori performansi-uključujući morfologiju površine zavara i poprečnog presjeka-, dubinu prodiranja zavara i čvrstoću ljuštenja-su sistematski ocjenjivani.

Eksperimentalni rezultati pokazuju da odgovarajuća snaga lasera može postići lokalizirano topljenje bakrene folije, stvarajući zavare s dobrim kontinuitetom i dosljednim formiranjem. Čvrstoća na ljuštenje može doseći i iznad 30N, a efekat zavarivanja je znatno bolji od onog koji se postiže pretjerano velikom ili malom snagom, što može dovesti do izgaranja-zavarivanja ili lažnog zavarivanja. Brzina zavarivanja takođe igra ključnu ulogu u morfologiji zavara, zahtevajući ravnotežu između efikasnosti obrade i kvaliteta zavarivanja.

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

Kada je snaga pravilno podešena, bakarna - aluminijska veza i formiranje vara se poboljšavaju,

što dovodi do veće vlačne čvrstoće u tom rasponu snaga

Nakon više od godinu dana tehničkog razvoja, Kingslaser je postigao niz otkrića u tehnologiji opreme za zavarivanje za ultra-tanke metalne materijale-kao što su bakar-na-aluminij, bakar-na-bakar, i aluminijum-do{7} kela (jednakost od{7} lesa). 35μm)-sa poboljšanjima uočenim u nekoliko ključnih oblasti.

Prvo, efikasno je riješen izazov deformacije i velikih praznina u vezivanju u ultra-tankim metalima, značajno smanjujući rizik od lažnog zavarivanja i prekomjernog-zavarivanja. Drugo, razvojem sistema automatskog poravnanja zavarivanja, efikasnost obrade je poboljšana, dužina CCS proizvodne linije je skraćena, a proizvodni prostor ušteđen. Treće, da bi se riješio problem lomljivosti u zavarenim spojevima različitih metala, uvedeni su prilagođeni laserski izvori sa specifičnim talasnim dužinama, koji efikasno ublažavaju pucanje i nedovoljnu čvrstoću. Konačno, eliminacija međuproizvoda ploča nikla smanjila je materijalne troškove, donoseći ekonomske koristi za -CCS proizvodnju velikih razmjera.

Osim toga, kontinuirana optimizacija je provedena u područjima kao što su softver za zavarivanje pneumatske stezne glave i galvanometarskog koaksijalnog vida. Sistem je sada skoro postigao cilj 100% pouzdanosti tačke zavarivanja, pružajući snažnu tehničku podršku za visoko-kvalitetnu CCS proizvodnju.

U istraživanju tehnologije laserskog zavarivanja FPC i bakra-aluminijuma različitih metala, projektni tim Kingslasera je postigao višestruke rezultate sa praktičnom primjenom i razvio je sistematsku opremu i procesna rješenja.

U polju proizvodnje FPC-a, Kingslaser je razvio drugu-generaciju rolanja-za-u potpunosti laserski-bazirani suhi- sistem proizvodnje FFC-a, značajno povećavajući nivo automatizacije proizvodnje fleksibilnih ploča. Oprema koristi kontinuiranu metodu obrade -namotavanjem, podržavajući materijale do 550 mm širine, sa preciznošću pozicioniranja od ±0,003 mm. Preciznom kontrolom brzine namotavanja (0,1–10 m/min) i širine linije sečenja (usko od 0,03 mm) i integracijom CCD sistema za automatsko prepoznavanje ciljeva i visoko-preciznog šivanja uzoraka (±0,01 mm), sistem je sposoban da ispuni zahtjeve visoke{{15} visoko složene strukture FPC.

Slika 6. 2 i - Generacija Roll - do - Roll u potpunosti laserski - Suhi proizvod - Proces FFC proizvodnog uređaja

Ova tehnologija ne samo da poboljšava efikasnost proizvodnje-sa mjesečnim izlaznim kapacitetom od približno 10.000-15.000 kvadratnih metara (ekvivalentno izlaznoj vrijednosti od oko 1,6 do 2,4 miliona RMB)-već također eliminira hemijske ostatke i zagađenje okoliša povezano s tradicionalnim mokrim procesima, usklađujući se s trendom zelene proizvodnje. Povezane inovacije su dobile patent za pronalazak pod nazivom "Brzi proces proizvodnje FPC baziran na potpuno suhom procesu", naglašavajući njegovu snažnu tehničku originalnost i širok potencijal industrijske primjene.

Za zavarivanje različitih metala bakra-aluminijuma, projektni tim je razvio proizvodnu liniju za zeleno lasersko zavarivanje posebno dizajniranu za industriju novih energetskih baterija. Ova oprema koristi laserski izvor visokih{2}}performansi, velike-izvora, a zeleni laser nudi prednosti kao što su visoka stopa apsorpcije, nisko prskanje, visoka efikasnost, odlična stabilnost i vrhunski kvalitet zraka. Prvenstveno se koristi za zavarivanje ultra-tankih metalnih materijala kao što su bakar, aluminijum, nikl i srebro.

Slika 7. Oprema za proizvodnu liniju za CCS zeleno lasersko zavarivanje

Kingslaser je također uspješno dobio patent za pronalazak pod nazivom"Metoda laserskog zavarivanja za bakrene-aluminijske različite metale"baziran na ovoj tehnologiji.

Wuhan Kingslaser Technology Co., Ltd.osnovana je 2016. godine sa fokusom na istraživanje i industrijsku primjenu laserskih mikro{1}}tehnologija proizvodnje. Posljednjih godina, kompanija je koncentrisala svoje napore u istraživanju i razvoju na laserske proizvodne tehnologije za solarne ćelije od perovskita, provodeći-dubinske studije i razvijajući seriju visokih{4}}oprema za ultrabrzu lasersku obradu za ovu oblast. Ova rješenja nude višestruke prednosti, uključujući povećanje efektivnog područja proizvodnje energije u ćelijama, smanjenje potrošnje energije i proizvodnih ciklusa, te integraciju više-funkcionalnih laserskih procesa. Ovaj napredak je značajno poboljšao nivo automatizacije i inteligencije u proizvodnji perovskitnih ćelija.

Naime, već 2012. godine, Kingslaser je uspješno isporučio svoju prvu laboratorijsku opremu za solarne ćelije srednje{1}}do-velike- veličine perovskita, postavši jedna od prvih kompanija u Kini koja je ušla u ovu oblast. Nakon više od decenije tehnološkog razvoja i širenja tržišta, kompanija je uspostavila kooperativne odnose sa preko 100 univerziteta, istraživačkih institucija i preduzeća koja se bave istraživanjem i razvojem perovskit baterija. Ove saradnje pokrivaju različite perovskitne ćelijske tehnologije, uključujući i mezoporozne i planarne strukture. Kingslaser je također razvio sveobuhvatan skup rješenja za proizvodnju lasera ​​krojenih prema različitim specifikacijama veličine, demonstrirajući snažne mogućnosti u prilagođavanju kupaca i implementaciji inženjeringa.

Kroz kontinuiranu inovaciju i integraciju istraživanja sa industrijskom primjenom, Kingslaser je uspostavio vodeću tehnološku prednost u oblasti opreme za proizvodnju solarnih ćelija od perovskita, pružajući snažnu podršku komercijalizaciji solarnih ćelija sljedeće-generacije.