Bạn có thể đã nhận thấy ngày càng nhiều xe điện và các thiết bị giao thông khác trên đường ngày nay bao gồm ô tô cá nhân, xe tải vận chuyển, xe đạp, xe máy, xe tay ga và các phương thức vận tải khác chạy bằng năng lượng điện, tất cả đều được cung cấp bằng năng lượng dự trữ trong pin.
Pin có ở khắp mọi nơi và chúng ta ngày càng phụ thuộc vào chúng trong nhiều khía cạnh của cuộc sống hàng ngày: thiết bị điện tử cầm tay, công cụ điện không dây, bộ lưu trữ năng lượng, xe hybrid và xe điện. Do đó, nhu cầu sản xuất pin đáp ứng hoặc vượt yêu cầu về chất lượng và sản xuất đối với các sản phẩm này là rất lớn.
Các quy trình hàn điểm điện trở, hàn TIG vi mô và hàn laser đều cho phép sản xuất số lượng lớn chất lượng cao. Việc lựa chọn công nghệ này so với công nghệ khác thường được thực hiện dựa trên các yêu cầu cụ thể của ứng dụng và sự phù hợp của công nghệ với những nhu cầu này.[5].
2.2 Lựa chọn cơng nghệ và quy trình hàn pin phù hợp.
Việc lựa chọn cơng nghệ và quy trình phù hợp nhất dựa trên hai yếu tố chính:
- Độ dày vật liệu kết nối.
15
Mỗi công nghệ hàn điểm điện trở, hàn Micro TIG và hàn laser đều có các tính năng cụ thể phù hợp tốt với các nhu cầu gia cơng này. Cần có hiểu biết rõ ràng về các công nghệ và ứng dụng để triển khai một hệ thống hàn sản xuất hiệu quả và đáng tin cậy. Sơ đồ sau đây cho thấy nơi mỗi công nghệ phù hợp với độ dày của tab và thơng lượng sản xuất. Ví dụ, hàn điện trở là lựa chọn tuyệt vời cho các mấu mỏng hơn và tốc độ xử lý trung bình cho các gói dụng cụ cầm tay, trong khi hàn laser là lựa chọn tốt hơn cho các mấu đồng và nhôm dày hơn, chẳng hạn như các loại được sử dụng trong xe điện. Micro-TIG phù hợp nhất để hàn tab-to-busbar cho các gói cơng suất thấp đến cao [5].
16
2.3 Các thách thức của công nghệ hàn.
Những thách thức được liệt kê ở trên có thể được chia nhỏ thành các giải pháp mong muốn. Hình ảnh sau đây cho thấy năm thách thức chính thường gặp phải trong kết nối giữa tab với pin và độ hiệu quả của ba cơng nghệ hàn: [5].
Hình 2.2: Các công nghệ hàn cell pin [5].
+ Hàn điện trở ( Resistance Welding ).
+ Hàn laser ( Laser Welding ).
17
Hình 2.3: Độ hiệu quả của các công nghệ hàn trong các thách thức chính [5].
+ Hàn kim loại khác nhau ( Dissimilar metal welding ).
+ Độ dày tab kết nối ( Thicker tab materials ).
+ Tốc độ định vị điểm hàn ( High speed positioning ).
+ Thiết kế công cụ, hệ thống hàn ( Tooling design ).
18
Chương 3
PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
3.1 Hàn kim loại khác nhau.
Trong sản xuất bộ pin, các tế bào ( cell ) pin thường đã được lắp ráp sẵn và người kỹ sư gặp thách thức trong việc đưa ra một thiết kế để ghép chúng thành chuỗi và song song để cung cấp năng lượng tối ưu. Một tế bào ( cell ) pin Li-ion điển hình được làm bằng thép cán nguội mạ niken. Chúng ta biết rằng chúng ta có thể dễ dàng ghép một thanh niken hoặc thép vào vật liệu này, nhưng cả hai vật liệu đều có mức trở kháng cao. Do đó, lý tưởng nhất, kỹ sư sẽ chọn vật liệu tab dẫn điện hơn như nhôm hoặc đồng, những vật liệu sẽ giảm thiểu tổn thất nhiệt và cung cấp phương tiện để xả và sạc pin nhanh chóng. Tuy nhiên, liệu những vật liệu khác nhau này có thể được kết hợp với nhau không? Công nghệ hàn nào tốt nhất? Chúng ta hãy xem xét.
❖ Phương pháp hàn bằng điện trở.
Độ dẫn điện của vật liệu hạn chế phần nào khả năng kết nối các vật liệu sử dụng công nghệ hàn điện trở. Như tên cho thấy, cần có điện trở để làm nóng và nóng chảy các bộ phận. Khi vật liệu dẫn điện - như nhôm hoặc đồng - thì cơng nghệ này không phù hợp. Một số hợp kim mới kết hợp cả vật liệu điện trở và vật liệu dẫn điện đang bắt đầu được sử dụng - như Ni SS Cu (SIGMAclad®), - cung cấp một lớp điện trở để tạo mối hàn và một lớp dẫn điện để đáp ứng những thách thức trên.
❖ Phương pháp hàn Micro TIG.
Hàn vi TIG là một quá trình nhiệt hạch nghiêm ngặt, giới hạn vật liệu được kết hợp với những vật liệu có hóa chất tương thích: có thể hàn đồng với thép, nhưng nhơm với thép thì khơng.
19
❖ Phương pháp hàn laser.
Nói chung, hàn laser cũng là một q trình hàn nhiệt hạch. Tuy nhiên, các nguồn laser mới có thể tránh được q trình nhiệt hạch truyền thống và kết hợp các vật liệu với sự trộn lẫn giữa các kim loại một cách hạn chế. Kết quả là mối nối cơ học tương tự như Velcro®, cung cấp khả năng tiếp xúc điện và nhiệt tốt. Điều này cho phép ngay cả sự gia nhập không thể tưởng tượng trước đây của nhôm và thép cán nguội mà không tạo thành cấu trúc liên kim loại giòn của mối hàn nung chảy truyền thống.
Tuy nhiên, tính phù hợp và mục đích của mối hàn cần phải được kiểm tra kỹ lưỡng. Trong trường hợp của một mấu pin bằng nhôm với một tấm pin bằng thép cán nguội mạ niken có thể có sức kéo cơ học khá mạnh dọc theo hướng rung động dự kiến. Thử nghiệm nhiệt và giao động cho thấy rằng mối nối cơ học kết quả đáp ứng các yêu cầu về độ dẫn, độ bền và độ bền tổng thể. [5].
20
3.2 Hàn các tab ( dải ) kết nối có độ dày lớn hơn.
Tại sao các nhà sản xuất pin lại sử dụng vật liệu tab dày hơn?
Đó là vì khả năng mang dịng điện cao hơn so với các tab mỏng hơn. Tuy nhiên, các tab dày hơn cũng đòi hỏi nhiều năng lượng hơn và tiếp điểm đầu kim hàn chính xác hơn để tránh đốt cháy mối hàn và làm hỏng pin.
❖ Phương pháp hàn điển trở.
Khi sử dụng phương pháp hàn điểm điện trở, phải xem xét cẩn thận đường dẫn dòng điện giữa các điện cực ( kim hàn ). Các điện tích sẽ ln chạy dọc theo con đường có ít điện trở nhất, do đó khi các tab dày hơn, năng lượng sẽ truyền trực tiếp giữa các điện cực với tab và bề mặt pin sẽ ít hoặc khơng có năng lượng tại bề mặt phân cách mong muốn. Điều này bắt đầu xảy ra đối với các tab niken > 0,005 inch (0,125 mm ). Để tránh dòng điện bị rẽ nhánh, tab kết nối cần được thiết kế cẩn thận với các khe và mấu để tập trung năng lượng và dẫn năng lượng mối hàn đến các điểm cụ thể.
❖ Phương pháp hàn laser.
Khi hàn bằng tia laser, hình dạng chung của mối hàn mấu pin là mối hàn vịng, có nghĩa là tia laser phải xuyên thấu hoàn toàn qua mấu trên cùng và ít nhất là một chút vào bề mặt pin. Hàn laser có thể đạt đến độ xuyên thấu rất cao ( > 0,4 inch hoặc > 10 mm) chỉ với một tia laser, tuy nhiên, từ quan điểm thực tế, các tab dày nhất là theo thứ tự 0,020 inch (0,5 mm) đối với các thành pin 0,012-0,014 inch ( 0,3 - 0,35 mm ), nhưng được sử dụng rộng rãi và hiệu quả là độ dày của tab 0,010 inch ( 0,25 mm ) được ưu tiên sử dụng để có được độ hiệu quả sản xuất tốt nhất.
❖ Phương pháp hàn Micro TIG.
Hàn Micro TIG cũng có thể xử lý vật liệu dày tới 0,020 inch ( 0,5 mm ) với nguồn điện đầu ra 200 A, nhưng vật liệu tab dày hơn yêu cầu nhiệt bổ sung có thể là một mối lo ngại về an toàn [5].
21
3.3 Tốc độ định vị điểm hàn.
Các mô-đun ( khối ) pin ngày càng lớn hơn và nhu cầu về các bộ pin ngày càng tăng. Do đó, định vị tốc độ cao là một tính năng hệ thống rất mong muốn, dẫn đến tăng thông lượng sản phẩm. Có một số yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thời gian chu kỳ bao gồm tác động chuyển động của đầu hàn, thời gian chu kỳ hàn và tác động chuyển động giữa các ô cần được xem xét đối với từng công nghệ hàn.
❖ Phương pháp hàn điển trở.
Có một số hoạt động chuyển động và thời gian xử lý cần được tính đến khi sử dụng hàn điện trở. Đối với mỗi mối hàn, các điện cực ( kim hàn ) trên bộ cân lực hàn phải được hạ xuống phôi, thời gian ép (là khoảng thời gian tạo áp lực cho đến khi mối hàn cháy), sau đó là thời gian hàn, thời gian giữ (sau khi mối hàn cháy và bắt đầu nguội), và cuối cùng nâng các điện cực trở lại vị trí ban đầu.
Người ta cũng phải tính tốn thời gian chuyển động để di chuyển từ ô này sang ô khác.
Tính tốn thời gian thực hiện một mối hàn được hiển thị trong Bảng 3.1. Với mỗi điểm hàn, ước tính mất 2,2 giây. Đối với một bộ pin bao gồm 117 Cell ( 9 x 13 ), điều này có nghĩa là có 234 vị trí để hàn và tổng thời gian xử lý là 514,8 giây.
❖ Phương pháp hàn laser.
Vì hàn laser là một q trình khơng tiếp xúc, nên chuyển động duy nhất là tạo mẫu mối hàn và chuyển động di chuyển chùm tia từ ô này sang ô khác. Thời gian chu kỳ hàn là sự kết hợp của các lần bắn và chuyển động nhỏ trên một ô.
Đối với hàn laser, tính tốn thời gian cho việc xử lý 234 vị trí mối hàn được ước tính là 257,4 giây.
22
❖ Phương pháp hàn Micro TIG.
Với hàn Micro TIG, cân nhắc về thời gian chu kỳ bao gồm chuyển động của mỏ hàn đi lên và di chuyển từ ô này sang ô khác.
Do chuyển động lên xuống của mỏ hàn nên thời gian hàn lâu hơn hàn laser và ước tính là 491,4 giây [5].
Bảng 3.1: Ước tính và so sánh thời gian chu kỳ đối với hàn điện trở (RW), hàn laser
(LW) và hàn Micro TIG (MT) [5].
*Bộ pin được gá trên hệ trục tọa độ XY với cữ gá cố định.
RW LW* MT
Chuyển động từ ô này
sang ô khác 1 giây 1 giây 1 giây
Thời gian đầu hàn đi
xuống 0,5 giây N / A 0,5 giây
Thời gian chu kỳ hàn 200 mili giây 100 mili giây 100 mili giây
Thời gian đầu hàn đi
lên 0,5 giây N / A 0,5 giây
Tổng thời gian 1 mối
hàn 2,2 giây 1,5 giây 2,1 giây
23
3.4 Thiết kế công cụ, hệ thống hàn.
Quy tắc số một trong hàn là - bạn không thể hàn khơng khí! Để đạt được mối hàn thành cơng, mấu và ô phải tiếp xúc mật thiết. Một số cơng nghệ hàn có cơ cấu chạy dao được tích hợp sẵn vì chúng là các q trình tiếp xúc. Những bộ phận khác không tiếp xúc và yêu cầu công cụ sản xuất đặc biệt để giữ các bộ phận tiếp xúc chặt chẽ khi năng lượng được phân phối.
Khi bộ pin trở nên lớn hơn, có những cân nhắc bổ sung cần giải quyết. Ví dụ, hệ thống hàn phải tính đến các chiều cao ơ khác nhau và duy trì độ phẳng trên các mơ-đun lớn hơn. Bất kể công nghệ nào được sử dụng, thiết kế dụng cụ được sử dụng để giữ các bộ phận phải cung cấp khả năng tiếp cận khu vực hàn, đảm bảo độ ổn định, an toàn và đáp ứng các yêu cầu về chất lượng mối hàn.
❖ Phương pháp hàn điển trở.
Hàn điện trở về bản chất là một quá trình tự tiếp xúc trực tiếp; các điện cực đi xuống các bộ phận buộc chúng tiếp xúc trực tiếp tại mối hàn. Có những hạn chế về số lượng khoảng cách, nhưng nhìn chung đây là cơng nghệ dễ nhất trong số các công nghệ về vấn đề này. Cơng cụ nói chung vẫn phải đảm bảo được yêu cầu về độ chính xác, ổn định và chắc chắn của các cơ cấu.
❖ Phương pháp hàn laser.
Bởi vì hàn laze là một q trình hàn khơng tiếp xúc, nó khơng có các đặc tính từ vật liệu như bộ phận của hàn điện trở. Các cơ cấu, bộ phận phải được thiết kế chắc chắn, vững. Nói chung, tốt nhất nên giữ càng gần vị trí thực tế của mối hàn càng tốt để hạn chế khả năng vật liệu tab bị biến dạng tại vị trí hàn.
Ngồi ra xem xét đặc biệt đối với laser các cơ cấu không được cản trở việc tiếp cận chùm tia laser. Tia laser được tập trung xuống bộ phận tạo thành hình nón, hình nón này phải phát trực tiếp khơng bị cản hay che khuất bởi bất kỳ vật cản nào để cung cấp lượng năng lượng phù hợp cho việc hàn.
24
❖ Phương pháp hàn Micro TIG.
Hàn TIG vi mô ( Micrro TIG ) như một quá trình hàn hồ quang - cũng là một quá trình khơng tiếp xúc. Vì vậy, giống như hàn laser, một cơng cụ thích hợp phải được thiết kế để giữ các bộ phận tiếp xúc mật thiết với nhau. Tiêu chuẩn Micro TIG sử dụng mỏ hàn cố định, với phạm vi phân tách lý tưởng của điện cực đến phôi là từ 1 - 3 mm (trong vịng 250 micrơmét). Vịi mỏ hàn thường khá lớn so với mối hàn điểm, điều này có thể làm cho việc thiết kế dụng cụ gặp nhiều khó khăn. Một số vạt liệu thay thế phổ biến có sẵn với việc sử dụng vỏ bọc bằng đồng [5].
25
3.5 Giám sát chất lượng mối hàn.
Việc sử dụng giám sát quá trình ngày càng phát triển, dựa trên mong muốn đạt được thơng lượng cao hơn và tăng độ an tồn, đầu ra chất lượng cao hơn, và khả năng truy tìm nguồn gốc lỗi sản phẩm do đâu mà ra. Thách thức là thực hiện giám sát trong thời gian thực.
❖ Phương pháp hàn điển trở.
Việc giám sát đối với hàn điện trở việc giám định có thể thực hiện bằng cách đo dòng điện, điện áp, lực, khoảng cách và thời gian. Những máy kiểm tra mối hàn này đã được sử dụng trong ngành công nghiệp. Đặc biệt đối với các bộ pin, điều quan trọng là phải đo độ dịch chuyển của các điện tích ( khi mối hàn ngấu lại ) và điện áp.
❖ Phương pháp hàn laser.
Việc giám sát quá trình hàn bằng tia laser là sản phẩm mới xuất hiện, nhưng đã có chỗ đứng trong 5 năm qua. Các loại cảm biến khác nhau có thể phát hiện ra mảng tín hiệu được phát ra trong q trình tương tác vật chất-laser. Các loại tín hiệu bao gồm: phản xạ của chùm tia laze, ánh sáng nhiệt, ánh sáng khả kiến và tia UV. Ngồi ra, âm thanh cũng có thể được ghi lại. Đây là tất cả các tín hiệu trên bề mặt của bộ phận. Cũng có thể xem xét sự xâm nhập của năng lượng laser vào bộ phận.
❖ Phương pháp hàn Micro TIG.
Màn hình mối hàn Micro TIG theo dõi dòng điện và điện áp (sau khi bắt đầu hồ quang).
Mặc dù mỗi màn hình có thể kiểm tra các thơng số khác nhau, nhưng tất cả các màn hình được liệt kê ở trên có thể đo từng mối hàn và so sánh nó với các giá trị tốt đã biết để đưa ra quyết định về mối hàn. Thông thường, nhiều mối hàn được thực hiện và số liệu thống kê được sử dụng để tạo ra các giới hạn trên và dưới của các giá trị “tốt”. Nếu mối hàn mới nằm trong các giới hạn này, điều đó cho thấy mối hàn đã thành cơng. Nếu nó nằm ngồi giới hạn, một sự bất thường được ghi nhận và tín hiệu NG có thể được phát ra từ các cảm biến [5].
26
3.6 Tổng kết.
Chúng em đã xem xét 5 thách thức chính trong hàn gói pin - và thảo luận về cách thức ba công nghệ hàn ghép nối khác nhau hoạt động trong mỗi hạng mục này.
Điểm mấu chốt là mỗi cơng nghệ đều có vị trí trong sản xuất pin ngày nay. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp phụ thuộc vào thiết kế bộ pin, yêu cầu về chi phí và chất lượng cũng như yêu cầu sản xuất.
➢ Cùng với kinh phí và trình độ cịn hạn chế nên nhóm quyết định nghiên cứu và