Elektrikli Araç Uygulamalarında 18650 Li-ion Pil Sekmeleri için Mikro Dirençli Nokta Kaynağının Optimize Edilmesi

Elektrikli araçlar (EA) giderek daha popüler hale geldikçe, verimli ve güvenilir akü gruplarına olan talep de artmaya devam ediyor. Akü grubu üretimindeki temel zorluklardan biri, nikel plakalar ile silindirik 18650 lityum iyon hücreler arasında güçlü ve dayanıklı bağlantılar sağlamaktır. Bu bağlamda, mikro dirençli nokta kaynağı (mikro-RSW), özellikle elektrikli bisikletler ve scooterlar gibi düşük ve orta hacimli uygulamalar için uygun maliyetli ve ölçeklenebilir bir birleştirme tekniği olarak ortaya çıkmıştır.

Neden Mikro Direnç Nokta Kaynağı?

- Düşük yatırım ve bakım maliyeti
- Yerel ısıtma termal hasarı azaltır
- Güçlü mekanik bağlanma sağlar
- Etkili akım iletimi için düşük elektriksel temas direnci

Deneysel Tasarım

Araştırmacılar, 0,2 mm kalınlığındaki nikel plakaları 0,3 mm ve 0,4 mm kalınlığındaki Hilumin terminallerine seri elektrot konfigürasyonu kullanarak kaynakladılar. Kaynak akımı, kaynak süresi ve elektrot kuvveti gibi parametrelerin etkilerini sistematik olarak analiz etmek için Taguchi tasarımı ve tam faktöriyel deneylerin bir kombinasyonu kullanıldı.

Temel Bulgular

- Kaynak akımı ve kaynak süresi, birleştirme dayanımını etkileyen en kritik parametreler olarak belirlendi.
- Optimum proses parametreleri:
- 0,3 mm Hilumin için: 1800–2000 A, 8–12 ms
- 0,4 mm Hilumin için: 1900–2100 A, 8–12 ms
- Dörtlü kaynak yöntemiyle mekanik ve elektriksel performansta önemli iyileşme sağlandı.
- Daha yüksek enerji girişi, birleştirme mukavemetini artırır ancak sıçrama veya malzeme bozulmasını önlemek için dikkatli bir şekilde yönetilmelidir.

Veri Tablosu: Farklı Parametreler Altında Maksimum Yük (0,3 mm Hilumin)

Elektriksel Direnç ve Sıcaklık Artışı Verileri

Proses Optimizasyonu ve Endüstriyel Alaka

Mikro direnç nokta kaynağı (mikro-RSW) parametrelerinin optimize edilmesi sadece akademik bir çalışma değil, aynı zamanda akü üreticileri için pratik sonuçlar doğurur. Büyük ölçekli elektrikli araç akü üretiminde, kaynak kalitesindeki küçük iyileştirmeler bile enerji verimliliği, kullanım ömrü ve güvenlikte önemli kazanımlara dönüşebilir. Kaynak akımı ve süresinin hassas bir şekilde ayarlanması, binlerce hücrede tutarlı bir bağlantı bütünlüğü sağlayarak iç direnç birikimini veya termal sıcak noktaları önlemeye yardımcı olur.

Diğer Kaynak Teknikleriyle Karşılaştırma

Lazer kaynağı ve ultrasonik kaynak, hücre sekmesi bağlantıları için de kullanılsa da, mikro-RSW basitliği, uygun maliyeti ve minimum ekipman gereksinimiyle öne çıkar. Örneğin, lazer kaynağı daha yüksek sermaye yatırımı gerektirir ve daha derin termal penetrasyona neden olarak hassas akü bileşenlerini etkileyebilir. Ultrasonik kaynak, malzeme kalınlığı ve mekanik fikstür karmaşıklığıyla sınırlıdır. Buna karşılık, mikro-RSW yerelleştirilmiş ısı girdisi, hızlı çevrim süresi ve ölçeklenebilir uygulama sağlar; bu da elektrikli scooter'lar, elektrikli aletler ve hafif elektrikli araçlar gibi uygulamalar için idealdir.

Maddi Hususlar

Etkili kaynak için uygun malzeme seçimi kritik öneme sahiptir. Nikel, yüksek elektrik iletkenliği, mükemmel korozyon direnci ve Hilumin gibi çelik terminallerle uyumluluğu nedeniyle tercih edilir. Ancak, farklı metaller arasındaki ısıl iletkenlik ve erime noktaları arasındaki farklılıklar, düzensiz külçe oluşumu veya çatlak yayılması gibi zorluklara yol açabilir. Bu çalışmada 0,2 mm Ni plakaların 0,3/0,4 mm Hilumin terminallerle birlikte kullanılması, mukavemet, iletkenlik ve üretilebilirliğin dengeli bir birleşimini sağlar.

Pil Paketlerinde Termal Yönetim

Elektrikli araç akü tasarımındaki temel endişelerden biri, yüksek akımlı çalışma sırasında oluşan ısıdır. Düşük kaynak kalitesi, sekme-terminal arayüzünde artan elektrik direncine ve dolayısıyla Joule ısınmasına neden olabilir. Bu çalışmada gözlemlendiği gibi, sürekli 30 A akım altında bağlantı sıcaklığı 60°C'nin üzerine çıkabilir; bu da çoğu Li-ion akü için güvenli çalışma sınırının (~45°C) ötesindedir. Bu nedenle, akü modüllerinde etkili termal yönetim sistemleri tasarlamak için kaynakların termal davranışını anlamak çok önemlidir.

Arıza Modları ve Kalite Değerlendirmesi

Bindirme kesme ve 90° soyma testleri gibi mekanik testler, bağlantı mukavemeti ve hasar mekanizmaları hakkında bilgi sağlar. Arayüz hasarı genellikle yetersiz kaynaklı bağlantılarda meydana gelirken, iyi yapılmış kaynaklar genellikle daha güçlü metalurjik bağlanmayı gösteren çekme hasarı gösterir. Kesit mikroskopisi ayrıca külçe oluşumunu ve terminal saclarındaki herhangi bir deformasyonu da ortaya çıkarır. Bu tahribatsız ve tahribatlı test yaklaşımı, üretimde yalnızca sağlam ve güvenilir kaynakların kullanılmasını sağlar.

Gelecekteki Araştırmalar İçin Sonuçlar

Pil teknolojisi gelişmeye devam ettikçe (özellikle katı hal pillerin, masaüstü tasarımların ve yüksek voltajlı platformların ortaya çıkmasıyla birlikte), birleştirme tekniklerinin de uyum sağlaması gerekecektir. Mikro-RSW uygulanabilir bir yöntem olmaya devam etse de, kaynak parametrelerini dinamik olarak ayarlamak için akıllı kontrol sistemleri, gerçek zamanlı izleme ve hatta makine öğrenimi algoritmalarıyla entegrasyon gerektirebilir. Ayrıca, gelişmiş alaşımlar, kompozit plakalar ve alternatif kaplamalar üzerinde yapılan araştırmalar, kaynak güvenilirliğini daha da iyileştirebilir.

Sürdürülebilirlik ve Yaşam Döngüsü Hususları

Güvenilir kaynak, yalnızca ürün performansını sağlamakla kalmaz, aynı zamanda uzun vadeli sürdürülebilirliği de destekler. Sürekli güçlü kaynaklara sahip pillerin erken arızalanma olasılığı daha düşüktür, bu da değiştirme sıklığını ve elektronik atıkları azaltır. Dahası, otomatik sökme sistemleri tek tip kaynak bölgelerini hedefleyecek şekilde programlanabildiğinden, iyi birleştirilmiş bir pilin geri dönüşümü daha kolaydır. Optimize edilmiş mikro-RSW, modern enerji sistemlerinde hem performans hem de çevre hedefleriyle uyumludur.

Sonuç Tekrarlandı

Bu kapsamlı çalışma, silindirik Li-iyon hücreler için mikro-RSW'de parametre optimizasyonunun önemini bir kez daha teyit etmektedir. Üreticiler, proses tasarımı, malzeme seçimi, mekanik bütünlük ve termal davranışa odaklanarak, elektrikli araçlar için batarya paketi güvenilirliğini önemli ölçüde artırabilirler. Elektrikli araç pazarı büyüdükçe, mikro-RSW gibi sağlam ve ölçeklenebilir kaynak çözümlerini benimsemek, kaliteyi ölçeklenebilir bir şekilde korumak için hayati önem taşıyacaktır.