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

电动汽车（EV）和储能依赖于坚固且高效的电池模块和电池组，来确保最佳性能和可靠性。汇流排（Busbar）是关键部件，它用于促进电池单元之间的电气连接。激光焊接技术的进步正在提高这些重要连接的结构完整性，并延长其使用寿命。

棱柱形电池单元因其紧凑的设计、高能量密度和高效的空间利用而在电动汽车中备受青睐。它们扁平的矩形形状使其能够整齐地安装在电池组中，减少了空间浪费，能在更小的占地面积内实现更大的储能，并且比圆柱形电池具有更好的电池到电池组的比例。棱柱形电池设计还简化了热管理，使其非常适合汽车应用。

激光焊接汇流排

由于激光焊接的精度和控制热量输入的能力，这种方法正越来越多地用于连接汇流排。但是，如果管理不当，激光焊接过程中过多的热量也会导致一些问题，比如密封材料和 O 形圈的降解、内部压力增加以及内部枝晶的加速生长，所有这些都会缩短电池的使用寿命。

另一方面，在电池系统中，铝主要用作汇流排和棱柱形端子，激光焊接铝会产生称为气孔的微小气泡。这是由于铝在焊接过程中容易吸收氢气、保护气体使用不当、冷却过快以及焊接过程中匙孔塌陷等原因造成的。这些气泡会降低机械强度、增加疲劳敏感性，并导致热导率和电阻问题，从而削弱焊接，所有这些都会对电池系统的性能产生负面影响（见图 1）。

图 1：激光焊接汇流排。

最近的一项研究表明，41% 的模块故障与焊接问题有关，这突显了精确控制热量和焊接质量的必要性，以尽量减少热损伤和气孔形成，并确保电池系统更可靠、更耐用。

脉冲方法改进铝汇流排焊接

将激光脉冲与脉冲整形技术相结合，特别是在微秒尺度上，比使用连续激光进行焊接具有显著优势。在脉冲焊接中，激光发出短而受控的脉冲，这有助于更好地进行热管理，从而减少热损伤、气孔、裂纹、材料变形和飞溅。

激光脉冲整形通过常见形状（如高斯、方形和梯形脉冲）进一步优化热量输入和与材料之间的相互作用，调整能量传递以实现高精度、高质量焊接。这种方法对于焊接铝等材料特别有效，例如将铝汇流排焊接到锂离子电池端子上，该方法能够最大限度地降低过热、翘曲和飞溅的风险，确保了更好的焊接质量和焊接效率。

与连续焊接方法相比，在激光焊接中使用微秒脉冲整形，可以更好地控制变形和残余应力，使用更少的热量，减少飞溅，提高焊接强度和质量，并且适用于反射材料的焊接。这使得脉冲焊接成为电池系统中铝汇流排连接等应用的理想选择，在这些应用中，牢固可靠的焊接至关重要。

Photon Automation公司分别测试了用连续波（CW）和脉冲激光焊接铝汇流排。Photon Automation公司设计并制造了 WonderBoard（见图 2）脉冲和功率控制器，以便在微秒范围内管理激光，从而创建不同的脉冲形状。当激光具有组合的芯-环光束轮廓时，可以对光束的环和芯进行独立控制。

图 2：Photon Automation公司的 WonderBoard脉冲和功率控制器。

Photon Automation公司测量了热量水平和焊接强度，并使用计算机断层扫描（CT）检查了气孔水平，结果表明脉冲焊接具有如下优势：

改善的热管理。电池端子下方的温度测量结果，显示了连续波焊接和脉冲焊接的不同热行为。连续波焊接达到更高的峰值温度（约 90°C）且冷却更慢，这导致热量积聚并可能因持续加热而产生变形。相比之下，脉冲焊接达到较低的峰值温度（约 80°C）且冷却更快，因为热量是以受控脉冲的形式施加的，这最大限度地减少了热量积累并降低了热损伤风险。

更少的气孔。焊接铝时，氢捕获是一个主要问题，因为金属容易吸收氢气并导致气孔，从而削弱焊接。微脉冲焊接通过控制热量、防止氢被困在匙孔内以及减少匙孔塌陷，来最大限度地减少这个问题。

CT 扫描数据（见图 3）显示了两种焊接方法在气孔方面的明显差异。连续波焊接的 CT 扫描显示出大量气孔，这可能是由于热量控制不佳和氢捕获造成的。相比之下，脉冲焊接的扫描显示气孔少得多，表明热量调节更好且气体捕获减少。这些结果凸显了脉冲焊接实现的更高焊接质量，其缺陷更少且接头更强。

图 3：俯视图和 CT 数据。

更高的强度。拉伸测试评估了两种焊接方法的接头强度和效率。接头效率衡量焊接接头相对于母材的性能，通常以百分比表示。效率为 100% 的接头表明焊接强度与母材相同，而较低的百分比则表明由于焊接质量、材料融合以及气孔等缺陷导致强度降低。

测试结果突出了两种方法之间的显著性能差异。脉冲焊接表现出更高的强度，达到 3144N 的负载能力且接头效率为 100%—— 是连续波焊接达到的 1460N 的两倍多。这些结果证实了脉冲焊接能够提供更好的材料融合，并创建了更强的接头。

小结

脉冲焊接可能会改变电动汽车电池的制造方式。它在焊接过程中使电池保持更低温度，减少薄弱点，并使整个电池组更强。随着电动汽车行业的发展，采用更好的焊接方法（如脉冲激光焊接）可以生产出更安全、更持久、更可靠的电池。有了这项技术，汽车制造商可以制造出更高效、更环保的电动汽车，这将有助于我们迈向更绿色、更环保的未来。

参考文献

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