Lasersveiseløsninger for CCS-samleskinner: Aktivering av høyeffektiv kraftbatteriproduksjon

Kingsslaser har utviklet en tørr, laserbasert prosess for FPC-kretsfremstilling og pad-vinduåpning med en linjebredde så fin som 10 μm. Denne teknologien muliggjør spleising med høy presisjon i ultra-store format-applikasjoner samtidig som den reduserer kjemisk forurensning, forenkling av prosesser, forkorting av produksjonssykluser og senker arbeidskraftskostnadene.

For å adressere avhengigheten av manuell montering av nikkel- og aluminiumterminaler i tradisjonelle CCS -metoder, introduserte Kingslaser en ny design ved bruk av utvidede kobberfolie -faner. Disse fanene er kompatible med ultratynne metaller (mindre enn eller lik 35 μm), inkludert kobber-kobber, kobber-aluminium og kobberaluminiumslegeringer.

Ved hjelp av lasersveising kan kobberfolie -fanene være effektivt bundet til aluminiumsbuslinner. Denne innovasjonen eliminerer manuell montering, forbedrer automatisering og forbedrer prosessens pålitelighet.

Med den raske utviklingen av den globale nye energibransjen og den eksplosive veksten i det elektriske kjøretøymarkedet, har batteriteknologi, som en kjernekjøringskomponent for elektriske kjøretøyer, kontinuerlig gjort gjennombrudd når det gjelder høy sikkerhet, høy integrasjon, lett design og kostnadsreduksjon. Samtidig har materialvalg og produksjonsprosesser for CCS (celler kontaktsystem, integrerte samleskinner), en nøkkelkomponent i batterisystemet, også blitt konstant oppgradert for å oppfylle de økende kravene til generell kjøretøyintegrasjon og batterisystemkompleksitet.

Figur 1.CCs integrerte samleskinner er en av nøkkelkomponentene i strømbatterisystemet

Foreløpig betjener CCS først og fremst signalprøvetaking og gjeldende innsamlingsfunksjoner. Dens signalinnsamlingskomponenter viser en trend mot diversifisering, hovedsakelig inkludert:

◎ Kabelbunter: Tradisjonelle, men pålitelige, med komplekse strukturer og lav integrasjon;
◎ Fleksibel trykt krets (FPC): Basert på polyimid- eller polyesterfilm, og tilbyr utmerket fleksibilitet og stabilitet, er det en av mainstream -løsningene i dag;
◎ Fleksibel flatkabel (FFC): enkel struktur, lave kostnader, egnet for lett design;
◎ Fleksibel støpte kretskort (FDC): Legger til støpeteknologi på toppen av FPC, og gir sterkere tredimensjonal tilpasningsevne;
◎ Fleksibel flatkabel (FFC) koblet til fleksibel støpt krets (FCC): Integrerer FFC med FPC/FDC, noe som forbedrer strukturell fleksibilitet og tilkoblingseffektivitet, noe som gjør den til en ny løsning som for øyeblikket er i bruk.

Utforskningen og sameksistensen av flere tekniske ruter er først og fremst rettet mot å redusere de totale kostnadene for CCS -produkter, spesielt i prøvetakingsdelen av BMS (Battery Management System), som utgjør omtrent 55% av den totale kostnaden. Som et resultat har høyintegrering, lavpris signalinnsamlingsteknologi blitt et sentralt fokus for forskning og utvikling.

På bakgrunn av dette har Kingsslaser fokusert på innovasjoner innen fleksibel kretssteknologi siden 2023, og foreslått to kritiske prosessforbedringsløsninger for å forbedre ytelsen og produksjonsoppgraderingen av CCS:

● Helt tørr prosess for rask FPC -produksjon

Denne prosessen bruker full laserbehandlingsteknologi for å fullføre kritiske trinn som etsing av FPC -kretsmønstre og åpne PI -filmvinduer. Sammenlignet med tradisjonelle våte prosesser, forenkler det betydelig produksjonsarbeidsflyten, eliminerer bruken av kjemiske reagenser og gir fordeler innen miljøvennlighet, energieffektivitet og høy produktivitet. For øyeblikket har Kingsslaser fullført utformingen av andre generasjonsprosess og oppnådd relevante patenter.

● Kobber-aluminium Laser sveiseteknologiforskning

Som svar på flaskehalsen i tradisjonelle CC -er der FPC er koblet til aluminiumsbuslinner gjennom nikkelplating eller injeksjonsstøping, foreslo Kingslaser en ny løsning ved bruk av laser direkte sveising for å koble FPC med aluminiumsberøringer. Denne tilnærmingen eliminerer mellomliggende tilkoblingsmaterialer, forenkler strukturen, reduserer kostnadene og forbedrer produksjonskonsistensen. Teknologien ble utviklet i begynnelsen av 2024 som svar på en forespørsel fra et oppført selskap og har oppnådd foreløpige valideringsresultater.

Oppsummert, som en kritisk komponent i batteripakker, påvirker design- og produksjonsnivået til CC -er direkte ytelsen og kostnadene for nye elektriske kjøretøyer. Utforsking av flere løsninger for signalinnsamlingsmoduler og implementering av nye teknologier indikerer at CCS går mot høyere effektivitet, større integrasjon og lavere kostnader.

Fleksibel trykt krets (FPC), ofte referert til som "Flex Board", er et trykt kretskort som bruker fleksible isolasjonsmaterialer som base og oppnår elektronisk funksjonalitet gjennom presise kretsmønstre. Det gir mange fordeler i forhold til tradisjonelle stive kretskort, for eksempel utmerket fleksibilitet, lett struktur og overlegen elektrisk ytelse. Som et resultat er FPC -er mye brukt i smarte terminaler, bærbare enheter, medisinsk utstyr og nye energikjøretøyer, noe som gjør dem til et sentralt grunnlag for å oppnå miniatyrisering, lett design og integrasjon i moderne elektroniske produkter.

FPC tilbyr utmerket fleksibilitet, slik at gratis bøying, folding og vikling tilpasser seg tredimensjonale romoppsett, noe som muliggjør integrering av komponentmontering og trådtilkobling. På grunn av sin tynne og lette struktur reduserer FPC betydelig størrelsen og vekten på elektroniske enheter, og oppfyller etterspørselen etter høy tetthet og kompakt design i moderne elektronikk. I tillegg gir FPC god varmeavledning, sterk loddebarhet og enkel installasjon, og gir overlegen generell ytelse. Spesielt kompenserer den stive-flex-strukturen ytterligere for begrensningene i fleksible kretsløp når det gjelder bærende kapasitet.

Figur 2. Fotografi av en FPC

Imidlertid gir FPC -produksjon også visse utfordringer. Ettersom fleksible kretser vanligvis er spesialdesignet, involverer de høyere design- og prosessbehov, noe som resulterer i betydelig forhåndsinvestering og mye høyere oppstartskostnader sammenlignet med standard PCB. Når produksjonen er fullført, er modifikasjoner vanskelig å implementere, og krever ofte justeringer av basetegningene eller fotoplotene, og reparasjonsprosessen for dekklag er også komplisert. I tillegg begrenser arten av fleksible materialer skalerbarhet i masseproduksjonen, og fabrikasjonsprosessen krever ekstremt presis håndtering-all feilbehandling kan føre til kretsskader eller funksjonssvikt.

For å overvinne begrensningene i tradisjonelle produksjonsprosesser, har Kingsslaser blitt dedikert til å utvikle laserbasert FPC-produksjonsteknologi siden 2004. Det året, da det leverte Kinas første FPC-laserkonturskjæringsmaskin, koster lignende utenlandsk utstyr så mye som 5,5 millioner RMB. Kingsslaser, som er avhengig av uavhengig FoU, fullførte leveransen til en pris av omtrent 1,5 millioner RMB, og brøt det utenlandske monopolet og markerte begynnelsen på innenlandsk laserutstyr på applikasjonen innen fleksibel elektronikkproduksjon. Spesielt var maskinen den første som tok i bruk en lineær motor importert fra Taiwans Hiwin -teknologier på den tiden, kombinert med et galvanometer -system, og etablerte en banebrytende "lineær motor + galvanometer" laserbehandlingsstruktur som betydelig forbedret prosesseringspresisjon og responshastighet.

Med utgangspunkt i dette grunnlaget har Kingsslaser fortsatt å fremme grønne produksjonsteknologier for fleksible kretsløp ved å foreslå en rask FPC -produksjonsprosess basert på konseptet med full tørr fabrikasjon. Sentrert om laserbehandling eliminerer denne metoden flere komplekse trinn som er funnet i tradisjonelle våte prosesser-slik etsning, utvikling og kjemisk rengjøring og etablerer en ny produksjonsarbeidsflyt sentrert om "Roll-to-roll kontinuerlig laserbehandling." Sammenlignet med konvensjonelle metoder, starter den nye prosessen med råstoffavslutning, etterfulgt av laservinduåpning, laserkrets mønstring og omrissskjæring, virkelig oppnår en grønn produksjonsmodell som er fri for kjemiske reagenser, avløpsvann og eksosutslipp.

Den tradisjonelle FPC-produksjonsprosessen er ikke bare kompleks og romkrevende, men også sterkt avhengig av kjemiske reagenser, noe som resulterer i betydelig miljøpåvirkning. Det krever betydelig manuell intervensjon, noe som fører til lange produksjonssykluser og høyt energiforbruk. I motsetning til dette forenkler Kingsslasers tørrprosess-teknologi produksjonsstrømmen ved å integrere flere trinn gjennom laserbehandling med høy presisjon, noe som muliggjør en helautomatisert, svært effektiv og nullforurensningsmetode for fleksibel kretsfabrikasjon. Spesielt under rull-til-roll kontinuerlig produksjonsoppsett, kan laserutstyret sømløst integreres med oppstrøms og nedstrøms materialhåndteringssystemer, og gi et ideelt grensesnitt for storstilt intelligent produksjon.

Når det gjelder teknisk ytelse, har denne prosessen flere innovative gjennombrudd. For det første muliggjør bruk av galvanometer-skannet laserbehandling mer fleksibel og gratis kretsmønsterdesign, og oppnår en minimumslinjebredde på 100 mikron. Dette oppfyller kravene til høypresisjon og høy kompleksitet FPC-produksjon og gir mulighet for tilpasset størrelse basert på kundekrav, noe som forbedrer produktkompatibiliteten betydelig. For det andre eliminerer den helt tørre laserprosessen den kjemiske forurensningen forbundet med tradisjonelle våte metoder fullstendig, og realiserer virkelig miljøvennlig og ren produksjon, i tråd med nåværende trender innen grønn produksjon. I tillegg reduserer prosessen kraftig arbeidskrav og antall samlede produksjonstrinn, noe som forkortes betydelig produksjonssykluser og forbedrer produksjonseffektiviteten som gjør det godt egnet til dagens markedskrav for rask produkt iterasjon og rask levering.

Fra et kostnadskontrollperspektiv eliminerer den helt tørre prosessen behovet for å trykke former og etsende kjemikalier, noe som forbedrer materialutnyttelsen betydelig samtidig som det reduserer ekstra materialavfall til nesten null, og hjelper selskaper med å bygge en mer konkurransedyktig kostnadsstruktur. Samtidig, ved håndtering av FPC-prosessering av store formater, løser prosessen effektivt utfordringen med å opprettholde spleisende nøyaktighet i tradisjonelle metoder, noe som muliggjør høy presisjon, kontinuerlig produksjon av FPC-er med store områder.

I produksjonsprosessen med integrerte samleskinner i CCS er sveiseutstyr et kritisk prosesstrinn, som først og fremst involverer to metoder: lasersveising og ultralydsveising. I tradisjonelle prosesser krever forbindelsen mellom FPC og aluminiumsbuslinne typisk en mellomliggende overgangskomponent-en nikkelplate. Den ene enden av denne nikkelplaten er koblet til FPC, mens den andre enden er sveiset til aluminiumsbuslelen ved hjelp av lasersveising (for eksempel fiberlasersveising). På grunn av den lange SMT-sveiseprosessen (f.eks. Lodding, tunnelovner, etc.), overstiger imidlertid den totale lengden på produksjonslinjen ofte 15 meter, noe som fører til kompleks prosessstrøm, stort utstyrsavtrykk og lav produksjonseffektivitet.

Figur 3.

For å optimalisere denne prosessen har det blitt foreslått en ny tilnærming som bruker lasersveising for å koble FPC direkte til buslelen, og eliminerer behovet for den mellomliggende nikkelplaten. Denne løsningen reduserer antall prosesstrinn og har potensial til å forbedre sveiseeffektiviteten og den generelle kompaktheten til produksjonslinjen. Det representerer en lovende ny kobberaluminiums sveiseteknologi verdig videre forskning og promotering.

Når det gjelder valg av sveisemetode, tilbyr ultralydsveising fordeler som å være rene og miljøvennlig, lave kostnader, høy effektivitet og enkel automatisering. På grunn av mykheten og ekstrem tynnhet av kobberfolien på FPC -er, krever denne metoden imidlertid ekstremt høy presisjon og stabilitet i sveisekontroll, samt overflatens renslighet av materialene. Ellers kan problemer som sveiseinntrenging eller falsk sveising lett oppstå.

Til sammenligning skiller lasersveising seg ut i industriell automatisert produksjon på grunn av sin høye presisjon, høyhastighets, ikke-kontaktdrift, bred materialkompatibilitet, forurensningsfri prosess og utmerket repeterbarhet. Imidlertid kommer det med høyere utstyrskostnader, større teknisk kompleksitet og strengere miljøkontrollkrav.

Foreløpig innebærer en vanlig prosessrute i CCS integrert buslinneproduksjon å bruke nikkelplate -terminaler for å koble FPC og aluminiumsbuslelen. I dette oppsettet oppnås vanligvis forbindelsen mellom nikkelplaten og aluminiumsbuslelen gjennom ultralyd- eller lasersveising, mens forbindelsen mellom nikkelplaten og FPC er laget med laserlodding. Denne tilnærmingen krever to forskjellige sveiseprosesser, som ikke bare øker prosesskompleksiteten, men også begrenser automatiseringsnivåer og produksjonseffektivitet.

Direkte sveising av kobber- og aluminiums forskjellige metaller står overfor mange tekniske utfordringer. På den ene siden skiller kobber og aluminium seg betydelig i fysiske egenskaper som termisk ledningsevne, koeffisient for termisk ekspansjon og smeltepunkt, noe som gjør metallurgisk binding vanskelig. På den annen side, innenfor forskjellige temperaturer og sammensetningsområder, har sprø intermetalliske forbindelser en tendens til å danne seg mellom kobber og aluminium, noe som kan kompromittere den mekaniske og elektriske ytelsen til sveiseleddet.

Figur 4. Direkte sveising av kobber- og aluminiums forskjellige metaller står overfor mange tekniske utfordringer

For å adressere denne tekniske utfordringen har Kingsslaser utviklet en kobber-aluminiums forskjellige metallsveiseteknologi basert på grønn laser, som direkte utvider FPC-kobberfolien og sveiser den til aluminiumsberettigheten, og eliminerer behovet for den mellomliggende nikkelplaten. Denne tilnærmingen viser fordelene med grønn lasersveising i håndtering av svært reflekterende materialer som kobber og aluminium.

I eksperimentet ble en standard 70μm ultra-tynn rullet kobberfolie fra en FPC brukt som fanen, lap-sveiset til en 2,5 mm aluminiums buslinne med kobberfolien plassert på det øvre laget. Galvanometeret kontrollerte spirallaserbanen for å øke det stressbærende området til kobberfolie sveisesonen. Ved å justere prosessparametere som kraft, hastighet, defokusmengde og spiralbanestørrelse, nøkkelytelsesindikatorer-inkludert sveiseoverflate og tverrsnittsmorfologi, sveiseinntrengningsdybde og skrelle styrke-ble systematisk evaluert.

Eksperimentelle resultater viser at en passende laserkraft kan oppnå lokal smelting av kobberfolien, og produserer sveiser med god kontinuitet og jevn dannelse. Skallestyrken kan nå over 30N, og sveiseeffekten er betydelig bedre enn den oppnådd med for høy eller lav effekt, noe som kan føre til gjennomføring eller falsk sveising. Sveisehastighet spiller også en avgjørende rolle i sveisemorfologi, og krever en balanse mellom prosesseringseffektivitet og sveisekvalitet.

Figur 5. Skrellestyrke av skjøter ved forskjellige sveisekrefter.

Når strømmen er riktig justert, forbedres kobber - aluminiumsbinding og sveisedannelse,

som fører til høyere strekkfasthet i det kraftområdet

Etter mer enn et år med teknisk utvikling, har Kingsslaser oppnådd en serie gjennombrudd i sveiseutstyrsteknologi for ultratynnet metallmaterialer som kobber-til-aluminium, kobber-til-kobber og aluminium-til-nickel (tykke mindre enn eller lik 35μ) med forbedringer.

For det første har utfordringen med deformasjon og store bindingsgap i ultratynne metaller blitt behandlet effektivt, noe som reduserer risikoen for falsk sveising og overveising betydelig. For det andre, ved å utvikle et automatisk sveisesystem for justering, har behandlingseffektiviteten blitt forbedret, CCS -produksjonslinjelengden forkortet og produksjonsplassen lagret. For det tredje, for å takle sprøhetsproblemet i forskjellige metallsveiseledd, er tilpassede laserkilder med spesifikke bølgelengder blitt introdusert, og effektivt reduserer sprekker og utilstrekkelig styrke. Endelig har eliminering av nikkelplate-mellomprodukter redusert materialkostnader, og leverer økonomiske fordeler for storstilt CCS-produksjon.

I tillegg har kontinuerlig optimalisering blitt utført i områder som den pneumatiske chuck og galvanometer -koaksial synssveiseprogramvaren. Systemet har nå nesten oppnådd målet om 100% sveisepunkt, og gir sterk teknisk støtte for CCS-produksjon av høy kvalitet.

I forskningen på lasersveiseteknologi for FPC og kobberaluminium forskjellige metaller, har prosjektgruppen til Kingslaser oppnådd flere resultater med praktisk applikasjonsverdi og har utviklet systematisk utstyr og prosessløsninger.

I feltet FPC-produksjon har Kingsslaser utviklet en andre generasjons rull-til-roll fullt laserbasert tørrprosess FFC-produksjonssystem, noe som forbedrer automatiseringsnivået for fleksibel kretskortproduksjon betydelig. Utstyret vedtar en kontinuerlig rullematet prosesseringsmetode, som støtter materialer opp til 55 0 mm i bredden, med en posisjonsnøyaktighet på ± 0. 0 0 3mm. Ved å nøyaktig kontrollere viklingshastigheten (0,1–10 m/min) og skjære linjebredde (så smalt som 0,03 mm), og integrere et CCD-synssystem for automatisk målgjenkjenning og høypresisjonsmønstersøm (± 0,01 mm), er systemet i stand til å imøtekomme kravene til høy tetthet og svært komplisert FPC-struktur.

Figur 6. 2. - Generasjonsrull - til - Roll Fullt Laser -Basert tørr - Prosess FFC Produksjonsenhet

Denne teknologien forbedrer ikke bare produksjonseffektiviteten med en månedlig utgangskapasitet på omtrent 10, 000-15, 000 kvadratmeter (tilsvarer en utgangsverdi på omtrent 1,6 til 2,4 millioner RMB)-men også eliminerer kjemiske rester og miljøforurensning assosiert med tradisjonelle våtprosesser, samsvarer med tren som grønt produserer. Relaterte innovasjoner har fått et oppfinnelsespatent med tittelen "En rask FPC -produksjonsprosess basert på fullt tørr prosess", og fremhever dets sterke tekniske originalitet og brede industrielle anvendelsespotensialer.

For kobberaluminiums forskjellige metallsveising har prosjektgruppen utviklet en grønn lasersveisingsproduksjonslinje som er spesielt designet for den nye energikraftbatteriindustrien. Dette utstyret benytter en høy ytelse, høy effekt laserkilde, og den grønne laseren gir fordeler som høy absorpsjonshastighet, lav sprut, høy effektivitet, utmerket stabilitet og overlegen strålekvalitet. Det brukes først og fremst til sveising av ultratynne metallmaterialer som kobber, aluminium, nikkel og sølv.

Figur 7. CCS Green Laser Welding Production Line Equipment

Kingsslaser har også med hell oppnådd en oppfinnelsespatent med tittelen"En lasersveisemetode for ulik metaller for kobberaluminium"basert på denne teknologien.

Wuhan Kingsslaser Technology Co., Ltd.ble etablert i 2016, med fokus på forskning og industriell anvendelse av lasermikro-fabrikasjonsteknologier. De siste årene har selskapet konsentrert sin FoU-innsats for laserproduksjonsteknologier for perovskitt-solceller, gjennomført dyptgående studier og utviklet en serie med høy ytelse ultrafast laserbehandlingsutstyr for dette feltet. Disse løsningene gir flere fordeler, inkludert å øke det effektive kraftproduksjonsområdet i cellene, redusere energiforbruket og produksjonssyklusene, og integrere multifunksjonelle laserprosesser. Denne fremgangen har forbedret nivået av automatisering og intelligens i perovskittcelleproduksjon betydelig.

Spesielt, så tidlig som i 2012, leverte Kingsslaser sitt første mellomstore til stor størrelse perovskite solcellelaboratorieutstyr, og ble et av de tidligste selskapene i Kina for å komme inn i dette feltet. Etter mer enn et tiår med teknologisk utvikling og markedsutvidelse, har selskapet etablert samarbeidsforhold med over 100 universiteter, forskningsinstitusjoner og bedrifter som er engasjert i Perovskite Battery FoU. Disse samarbeidene dekker forskjellige perovskittcelleteknologier, inkludert både mesoporøse og plane strukturer. Kingsslaser har også utviklet et omfattende sett med laserproduksjonsløsninger skreddersydd til forskjellige størrelsesspesifikasjoner, og demonstrerer sterke evner i kundenes tilpasning og teknisk implementering.

Gjennom kontinuerlig innovasjon og integrering av forskning med industriell anvendelse, har Kingsslaser etablert en ledende teknologisk fordel innen perovskite solcelleproduksjonsutstyr, og gir sterk støtte for kommersialisering av neste generasjons solceller.