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電池使用壽命和穩(wěn)定性在下一代電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。電動(dòng)汽車(chē)正在蓬勃發(fā)展，如今已經(jīng)出現(xiàn)一些技術(shù)相對(duì)成熟的制造商。彭博社預(yù)計(jì)，到2040年電動(dòng)汽車(chē)將占輕型汽車(chē)銷(xiāo)量的35%。
電動(dòng)汽車(chē)的安全性和可靠性正在成為一個(gè)日益增長(zhǎng)的焦點(diǎn)。這些車(chē)輛的可靠性取決于如何克服電池壽命方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。電池供應(yīng)商和制造商需要確保電池能夠與內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛上的零部件的耐久性相匹配，通常要求壽命10年或15萬(wàn)公里。所有車(chē)輛功能，包括安全功能和駕駛員輔助功能，也需要電池不間斷的供電。如果電動(dòng)汽車(chē)電池不能保持一致的功率輸出和性能，則將無(wú)法實(shí)現(xiàn)很好的替代內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛。
目前，有三種類(lèi)型的電芯被廣泛使用：圓柱，軟包和方形鋁殼電芯。這里我們專門(mén)討論電動(dòng)汽車(chē)的圓柱電芯的電池組，如圖2所示。

電芯互連的重要性

為了滿足全電動(dòng)或混合動(dòng)力汽車(chē)所需的功率輸出，電池必須是能量密集的，同時(shí)連接位置要能夠承受大載荷電流，要與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)一樣可靠。目前，大多數(shù)電池測(cè)試集中在電芯電化學(xué)性能，以及整個(gè)電池組的健壯性，例如：溫度循環(huán)測(cè)試、環(huán)境測(cè)試、充放電測(cè)試和振動(dòng)測(cè)試。
然而，一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)被忽視了——電芯之間的連接性能。這些連接對(duì)電芯之間的電流流動(dòng)管理，以及為動(dòng)力系統(tǒng)提供足夠的能量至關(guān)重要。如果連接處是高電阻，會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱。當(dāng)一個(gè)電芯組中有幾個(gè)這樣的連接斷開(kāi)，那么可用電芯總量減少，要輸出同樣的電流，會(huì)導(dǎo)致電芯過(guò)熱。最糟糕的情況甚至發(fā)生火災(zāi)。
目前正在使用的連接技術(shù)，包括超聲引線鍵合、激光帶式鍵合或者極片點(diǎn)焊（激光或者電阻焊接），如圖3所示。每種技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，見(jiàn)表1。其中，超聲引線鍵合是半導(dǎo)體行業(yè)的一項(xiàng)成熟的技術(shù)。該過(guò)程高速，適用多種金屬如金、銅或鋁，連接十分靈活。如果電芯組裝有錯(cuò)位，允許“s”形連接。缺點(diǎn)是連接的強(qiáng)度取決于連接表面的清潔度。不管使用哪一種技術(shù)，電芯連接強(qiáng)度的測(cè)試對(duì)于理解是否已形成固鍵至關(guān)重要，從而減少后續(xù)電池產(chǎn)生故障的可能性。

圖3 超聲引線鍵合、帶式鍵合和極片點(diǎn)焊。

表1 引線鍵合、帶式鍵合和極片點(diǎn)焊三種技術(shù)對(duì)比

連接可靠性測(cè)試

為了長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)地對(duì)電池大電流進(jìn)行充放電而不發(fā)生故障，必須仔細(xì)地控制電芯之間的連接過(guò)程，以確保高質(zhì)量。許多視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，這一種從上向下的視覺(jué)檢測(cè)方法，對(duì)電芯外觀缺陷有效但是有局限性。例如，連接表面有一層污染物，鍵合沒(méi)有形成牢固連接。也有可能是由于虛焊，只是形成較小的鍵合面積而沒(méi)有強(qiáng)度。在這種情況下，只有使用物理的機(jī)械測(cè)試，才能真正檢測(cè)出焊接強(qiáng)度。
要進(jìn)行機(jī)械拉力測(cè)試，需要用到小的勾子或者剪切治具，以及配上高度靈敏的力傳感器（能夠測(cè)量0.01cN的力）。圖4是測(cè)試方法示意圖。

圖4 通過(guò)勾子或者剪切治具對(duì)鍵合的導(dǎo)線進(jìn)行測(cè)試的示意圖
一個(gè)先進(jìn)的測(cè)試系統(tǒng)，會(huì)使用CCD識(shí)別鍵合位置，使用微米精度的X，Y，Z軸將治具對(duì)準(zhǔn)測(cè)試點(diǎn)。然后，根據(jù)設(shè)定的高度，速度，測(cè)試起點(diǎn)和終點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試動(dòng)作。甚至可以記錄整個(gè)測(cè)試的圖像和視頻。如果測(cè)試設(shè)備足夠敏感，可以在極低的力下進(jìn)行無(wú)損測(cè)試。

了解失效模式

為了了解鍵合是如何失效的，可以在測(cè)試后對(duì)粘合部位進(jìn)行分析，以獲得關(guān)于連接強(qiáng)度可靠性的詳細(xì)信息。這意味著工藝工程師可以記錄并了解連接工藝中哪些元素可能需要更改，以提高鍵合附著力。
測(cè)試時(shí)應(yīng)注意要在多個(gè)方向上進(jìn)行拉力或者剪力測(cè)試，以充分評(píng)估連接強(qiáng)度和可靠性。剪切和拉力測(cè)試模擬了不同的加載條件，如電池在顛簸的行駛中，或者來(lái)自多個(gè)方向的碰撞引起的振動(dòng)情況。電芯在電池組中往往是“浮動(dòng)的”，松散的固定在軟聚合物中，以滿足熱膨脹的尺寸變化。這些振動(dòng)和熱膨脹會(huì)導(dǎo)致鍵合處產(chǎn)生剪切載荷和拉伸載荷。
測(cè)試可分為破壞性測(cè)試和非破壞性測(cè)試兩種。破壞性試驗(yàn)用于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，用以評(píng)估鍵合工藝優(yōu)良或者抽檢測(cè)試。非破壞性試驗(yàn)屬于在線質(zhì)量檢測(cè)，通過(guò)100%連接強(qiáng)度測(cè)試以確保鍵合工藝安全。

圖5 左圖是破壞性測(cè)試，右圖是非破壞性測(cè)試。

總結(jié)

新興的汽車(chē)技術(shù)，如電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、駕駛員狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程開(kāi)啟和關(guān)閉車(chē)輛等，以及集成更多的電子產(chǎn)品，都需要高質(zhì)量的穩(wěn)定可靠的電池系統(tǒng)。此外，車(chē)輛是在惡劣的，不斷變化的振動(dòng)環(huán)境中移動(dòng)，因此任何松散的連接可能會(huì)移位或者斷開(kāi)，導(dǎo)致電池故障，甚至可能起火。與半導(dǎo)體行業(yè)建立的鍵合質(zhì)量檢測(cè)方法類(lèi)似，電池連接的強(qiáng)度測(cè)也應(yīng)該作為電池生產(chǎn)線中一部分，這樣才能確保電動(dòng)汽車(chē)可以達(dá)到最高的安全標(biāo)準(zhǔn)。