文/Najah George，William A. Huffman Jr.，Michael A. Dupont，Jack Meranda，David Stucker

電動汽車（EV）和儲能依賴于堅固且高效的電池模塊和電池組，來確保最佳性能和可靠性。匯流排（Busbar）是關鍵部件，它用于促進電池單元之間的電氣連接。激光焊接技術的進步正在提高這些重要連接的結(jié)構(gòu)完整性，并延長其使用壽命。

棱柱形電池單元因其緊湊的設計、高能量密度和高效的空間利用而在電動汽車中備受青睞。它們扁平的矩形形狀使其能夠整齊地安裝在電池組中，減少了空間浪費，能在更小的占地面積內(nèi)實現(xiàn)更大的儲能，并且比圓柱形電池具有更好的電池到電池組的比例。棱柱形電池設計還簡化了熱管理，使其非常適合汽車應用。

激光焊接匯流排

由于激光焊接的精度和控制熱量輸入的能力，這種方法正越來越多地用于連接匯流排。但是，如果管理不當，激光焊接過程中過多的熱量也會導致一些問題，比如密封材料和 O 形圈的降解、內(nèi)部壓力增加以及內(nèi)部枝晶的加速生長，所有這些都會縮短電池的使用壽命。

另一方面，在電池系統(tǒng)中，鋁主要用作匯流排和棱柱形端子，激光焊接鋁會產(chǎn)生稱為氣孔的微小氣泡。這是由于鋁在焊接過程中容易吸收氫氣、保護氣體使用不當、冷卻過快以及焊接過程中匙孔塌陷等原因造成的。這些氣泡會降低機械強度、增加疲勞敏感性，并導致熱導率和電阻問題，從而削弱焊接，所有這些都會對電池系統(tǒng)的性能產(chǎn)生負面影響（見圖 1）。

圖 1：激光焊接匯流排。

最近的一項研究表明，41% 的模塊故障與焊接問題有關，這突顯了精確控制熱量和焊接質(zhì)量的必要性，以盡量減少熱損傷和氣孔形成，并確保電池系統(tǒng)更可靠、更耐用。

脈沖方法改進鋁匯流排焊接

將激光脈沖與脈沖整形技術相結(jié)合，特別是在微秒尺度上，比使用連續(xù)激光進行焊接具有顯著優(yōu)勢。在脈沖焊接中，激光發(fā)出短而受控的脈沖，這有助于更好地進行熱管理，從而減少熱損傷、氣孔、裂紋、材料變形和飛濺。

激光脈沖整形通過常見形狀（如高斯、方形和梯形脈沖）進一步優(yōu)化熱量輸入和與材料之間的相互作用，調(diào)整能量傳遞以實現(xiàn)高精度、高質(zhì)量焊接。這種方法對于焊接鋁等材料特別有效，例如將鋁匯流排焊接到鋰離子電池端子上，該方法能夠最大限度地降低過熱、翹曲和飛濺的風險，確保了更好的焊接質(zhì)量和焊接效率。

與連續(xù)焊接方法相比，在激光焊接中使用微秒脈沖整形，可以更好地控制變形和殘余應力，使用更少的熱量，減少飛濺，提高焊接強度和質(zhì)量，并且適用于反射材料的焊接。這使得脈沖焊接成為電池系統(tǒng)中鋁匯流排連接等應用的理想選擇，在這些應用中，牢固可靠的焊接至關重要。

Photon Automation公司分別測試了用連續(xù)波（CW）和脈沖激光焊接鋁匯流排。Photon Automation公司設計并制造了 WonderBoard（見圖 2）脈沖和功率控制器，以便在微秒范圍內(nèi)管理激光，從而創(chuàng)建不同的脈沖形狀。當激光具有組合的芯-環(huán)光束輪廓時，可以對光束的環(huán)和芯進行獨立控制。

圖 2：Photon Automation公司的 WonderBoard脈沖和功率控制器。

Photon Automation公司測量了熱量水平和焊接強度，并使用計算機斷層掃描（CT）檢查了氣孔水平，結(jié)果表明脈沖焊接具有如下優(yōu)勢：

改善的熱管理。電池端子下方的溫度測量結(jié)果，顯示了連續(xù)波焊接和脈沖焊接的不同熱行為。連續(xù)波焊接達到更高的峰值溫度（約 90°C）且冷卻更慢，這導致熱量積聚并可能因持續(xù)加熱而產(chǎn)生變形。相比之下，脈沖焊接達到較低的峰值溫度（約 80°C）且冷卻更快，因為熱量是以受控脈沖的形式施加的，這最大限度地減少了熱量積累并降低了熱損傷風險。

更少的氣孔。焊接鋁時，氫捕獲是一個主要問題，因為金屬容易吸收氫氣并導致氣孔，從而削弱焊接。微脈沖焊接通過控制熱量、防止氫被困在匙孔內(nèi)以及減少匙孔塌陷，來最大限度地減少這個問題。

CT 掃描數(shù)據(jù)（見圖 3）顯示了兩種焊接方法在氣孔方面的明顯差異。連續(xù)波焊接的 CT 掃描顯示出大量氣孔，這可能是由于熱量控制不佳和氫捕獲造成的。相比之下，脈沖焊接的掃描顯示氣孔少得多，表明熱量調(diào)節(jié)更好且氣體捕獲減少。這些結(jié)果凸顯了脈沖焊接實現(xiàn)的更高焊接質(zhì)量，其缺陷更少且接頭更強。

圖 3：俯視圖和 CT 數(shù)據(jù)。

更高的強度。拉伸測試評估了兩種焊接方法的接頭強度和效率。接頭效率衡量焊接接頭相對于母材的性能，通常以百分比表示。效率為 100% 的接頭表明焊接強度與母材相同，而較低的百分比則表明由于焊接質(zhì)量、材料融合以及氣孔等缺陷導致強度降低。

測試結(jié)果突出了兩種方法之間的顯著性能差異。脈沖焊接表現(xiàn)出更高的強度，達到 3144N 的負載能力且接頭效率為 100%—— 是連續(xù)波焊接達到的 1460N 的兩倍多。這些結(jié)果證實了脈沖焊接能夠提供更好的材料融合，并創(chuàng)建了更強的接頭。

小結(jié)

脈沖焊接可能會改變電動汽車電池的制造方式。它在焊接過程中使電池保持更低溫度，減少薄弱點，并使整個電池組更強。隨著電動汽車行業(yè)的發(fā)展，采用更好的焊接方法（如脈沖激光焊接）可以生產(chǎn)出更安全、更持久、更可靠的電池。有了這項技術，汽車制造商可以制造出更高效、更環(huán)保的電動汽車，這將有助于我們邁向更綠色、更環(huán)保的未來。

參考文獻

1.See https://info.cea3.com/hubfs/CEA%20BESS%20Quality%20Risks%20Report.pdf.