圆柱电芯的组合焊接有哪些技术要求？电池组合焊接方式的研究

一、电池组合焊接发展历程

依据电芯的形状不同，焊接发展历程不相同。

（1）圆柱电芯的组合焊接

圆柱电芯组合是最早采用焊接方式的，根据焊接方式，发展里程为：

电阻焊接是最早采用的焊接方式，一直到现在还是圆柱电芯组合的主要工艺方式，只是与原来相比，焊机性能与功能有了极大的改进和提高。焊接也由原来的人工焊接改为自动焊接，包括单面焊接、双面焊接等方式。激光焊接只有少部分在应用，目前用的原来越少。由于TESLA组合工艺的推广，铝丝超声焊（bonding 焊接）成为目前的新发展态势。

根据焊接部位的差异，圆柱电芯组合又有一下变化历程：

目前大多采用正负极均焊接的方式，但由于正、负极材质和厚度不同，负极很容易焊漏，赛恩斯和安靠采用了负极免焊接工艺，正极采用激光焊接，避免损坏电池。最新的发展是正负极均免焊接，组装方便，便于电池模块的维护以及梯次利用。

（2）软包电池的组合焊接方式

软包电池除了机械连接外，焊接主要有激光焊接与超声焊接。

激光焊接采用转接板形式，将极耳焊接在转接板上。这两种方式均是目前的常规方式。机械连接目前应用相对减少。

（3）方形电池的组合焊接

最早的方形电池主要采用机械连接，后来由于比能量及电池箱高度等限制，目前大多采用激光焊接。最新的发展是与bonding焊接方式一样采用超声焊接。

二、电阻式焊接

    电阻焊接主要应用于圆柱电芯的焊接。软包电芯不适宜电阻焊接，有些小容量的方形电芯采用电阻焊接，但不是目前的主流方式。

（1）圆柱电芯的电阻焊接

    圆柱电芯焊接主要是随着焊机质量的提高在逐步发展。

从最早的电阻式焊机，到脉冲式储能焊机，再发展到现在用的全自动点焊机，包括双面点焊机。

点焊相对来说是使用最早、最成熟的工艺，目前大多数圆柱电芯的连接组合还是采用点焊方式。

点焊对电芯的要求：表面清洁，无污渍、灰尘等，避免打火、炸焊或虚焊。

对焊接材料的要求：大多采用金属镍带或镀镍钢带，焊接效果好，一般小型圆柱电芯采用0.1~0.2mm厚度的镍带。再厚容易虚焊。点焊不能焊接铝箔，铜带直接焊接效果也不好，可以采用大功率焊机，焊接镀镍铜带，但效果仍没有焊接镍带好。镍片与焊接面尽量贴牢，焊接效果会好。

点焊的优点：工艺成熟，焊接质量可靠，设备投资成本低。

缺点：最主要的是焊接后无法实现无损检测甚至不能检测，只能靠设备的焊接质量来保证，对于许多电芯并联的模块，采用直流内阻测试、图像检测等，也都是唬人的，无法直接判断出来。焊接负极时容易焊穿，有时在较短时间内还不能发现，装车运行一段时间后才会发现。18650电芯的焊接拉力一般控制在3-5Kg。同时，由于模块引出汇流作用，薄的镍带达不到要求，需要铜板转接，相对来说增加了成本。

所以，对焊接时焊接参数的控制相当重要，包括焊接压力、电流、电压，机头磨损程度等，需要定期检测和调整。

严格来说，由于正极盖帽和负极壳体厚度不同，焊接参数也应不同，但大多数厂家为了工艺方便，两者采用一致的参数。

（2）方形电芯的电阻焊接

用在方形电芯中，一般也时针对小容量的方形电芯组合，如电动自行车用的8Ah、10Ah电芯等。由于比圆柱电芯容量高，连接片的过流能力要大，通常连接片的厚度要大，有的采用铜片或镀镍铜片做连接片，所以应选用功率大的储能式电阻焊机。

下面例子中不同材料的连接片焊接情况，连接片厚度为0.35mm，焊接10Ah方形电芯。

    目前在电动汽车动力电池组合中，小容量方形电芯用的相对较少，点焊采用的很少。

三、激光焊接

    激光焊接是目前高端电池焊接推崇的主要方法。激光焊接是高能束激光照射工件，使工作温度急剧升高，工件熔化并重新连接形成永久连接的过程。

激光焊接因其工艺极为灵活和精确而具有吸引力。可以依据尺寸和形状来调整焊缝，以适合狭小的空间，也适用于各种设计。由于激光焊接是非接触式工艺，有效焊接光束可以进入到超声波或电阻焊接头无法进入的狭小空间。焊接工艺速度极快，尽管是一种熔化工艺，却不会造成大热输入。能为各种材料组合提供高强度焊接，尤其是在进行铜材料之间和铝材料之间焊接的时候更为有效。这也是唯一可以将电镀镍焊接至铜材料上的技术。在这些实验中， 使用氩保护气体与否，对于焊接的机械性能或电气性能都没什么影响。唯一的区别在于未使用氩保护气体的焊接表面氧化程度要高于使用氩保护气体的焊接表面。

 三种焊接方式来说，激光焊接的剪切强度混合抗撕拉轻度是最好的。

影响激光焊接质量的因素很多．其中一些极易波动，具有相当的不稳定性。如何正确设定和控制这些参数，使其在高速连续的激光焊接过程中控制在合适的范围内，以保证焊接质量首先是焊缝成形的可靠性和稳定性，是关系到激光焊接技术实用化、产业化的重要问题。
影响激光焊接质量的主要因素分焊接设备，工件状况和工艺参数三方面。 
1 焊接设备
    对激光器的质量要求最主要的是光束模式和输出功率及其稳定性。光束模式是光束质量的主要指标，光束模式阶数越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，相同激光功率下功率密度越高，焊缝深宽越大。一般要求基模（TEM00）或低阶模，否则难以满足高质量激光焊接的要求。虽然目前国产激光器在光束质量和功率输出稳定性方面用于激光焊接还有一定困难。但从国外情况来看，激光器的光束质量和输出功率稳定性已相当高，不会成为激光焊接的问题。光学系统中影响焊接质量最大的因素是聚焦镜，所用焦距一般在127mm（5in）到200mm（7.9in）之间，焦距小对减小聚焦光束腰斑直径有好处，但过小容易在焊接过程中受污染和飞溅损伤。

波长越短，吸收率越高；一般导电性好的材料，反射率都很高，对于YAG激光来说，银的反射率是96%，铝是92%，铜90%，铁60%。温度越高，吸收率越高，呈线性关系；一般表面涂磷酸盐、炭黑、石墨等可以提高吸收率。

2. 工件状况

激光焊接要求对工件的边缘进行加工，装配有很高的精度，光斑与焊缝严格对中，而且工件原始装配精度和光斑对中情况在焊接过程中不能因焊接热变形而变化。这是因为激光光斑小，焊缝窄，一般不加填充金属，如装配不严间隙过大，光束能穿过间隙不能熔化母材，或者引起明显的咬边、凹陷，如光斑对缝的偏差稍大就有可能造成未熔合或未焊透。所以，一般板材对接装配间隙和光斑对缝偏差均不应大于0.1mm，错边不应大于0.2mm。实际生产中，有时因不能满足这些要求，而无法采用激光焊接技术。要获得良好的焊接效果，对接允许间隙和搭接间隙要控制在薄板厚的10%以内。

成功的激光焊接要求被焊基材之间紧密接触。这需要仔细紧固零件，以取得最佳效果。而这在纤薄的极耳基材上很难做好，因为它容易弯曲失准，特别是在极耳嵌入大型电池模块或组件的情况下。

3.焊接参数
（1）对激光焊接模式和焊缝成形稳定件的影响焊接参数中最主要的是激光光斑的功率密度，它对焊接模式和焊缝成形稳定性影响如下：随激光光斑功率密度由小变大依次为稳定热导焊、模式不稳定焊和稳定深熔焊。
    激光光斑的功率密度，在光束模式和聚焦镜焦距一定的情况下，主要由激光功率和光束焦点位置决定。激光功率密度与激光功率成正比。而焦点位置的影响则存在一个最佳值；当光束焦点处于工件表面下某一位置（1～2mm范围内，依板厚和参数而异）时，即可获得最理想的焊缝。偏离这个最佳焦点位置，工件表面光斑即变大，引起功率密度变小，到一定范围，就会引起焊接过程形式的变化。
    焊接速度对焊接过程形式和稳定件的影响不如激光功率和焦点位置那样显著，只有焊接速度太大时，由于热输入过小而出现无法维持稳定深熔焊过程的情况。实际焊接时，应根据焊件对熔深的要求选择稳定深熔焊或稳定热导焊，而要绝对避免模式不稳定焊。
（2）在深熔焊范围内，焊接参数对熔深的影响： 在稳定深熔焊范围内，激光功率越高，熔深越大，约为0.7次方的关系；而焊接速变越高，熔深越浅。在一定激光功率和焊接速度条件下焦点处于最佳位置时熔深最大，偏离这个位置，熔深则下降，甚至变为模式不稳定焊接或稳定热导焊。

（3）保护气体的影响 

保护气体的主要作用是保护工件在焊接过程中免受氧化；保护聚焦透镜免受金属蒸汽污染和液体熔滴的溅射；驱散高功率激光焊接产生的等离子；冷却工件，减小热影响区。

保护气体通常采用氩气或氦气，表观质量要求不高的也可采用氮气。它们产生等离子体的倾向显著不同：氦气因其电离电体高，导热快，在同样条件下，比氩气产生等离子体的倾向小，因而可获得更大的熔深。在一定范围内，随着保护气体流量的增加，抑制等离子体的倾向增大，因而熔深增加，但增至一定范围即趋于平稳。

（4）各参数的可监控性分析：在四种焊接参数中，焊接速度和保护气体流量属于容易监控和保持稳定的参数，而激光功率和焦点位置则是焊接过程中可能发生波动而难于监控的参数。虽然从激光器输出的激光功率稳定性很高且容易监控，但由于有导光和聚焦系统的损耗，到达工件的激光功率会发生变化，而这种损耗与光学工件的质量、使用时间及表面污染情况有关，故不易监测，成为焊接质量的不确定因素。光束焦点位置是焊接参数中对焊接质量影响极大而又最难监测和控制的一个因素。目前在生产中需靠人工调节和反复工艺试验的方法确定合适的焦点位置，以获得理想的熔深。但在焊接过程中由于工件变形，热透镜效应或者空间曲线的多维焊接，焦点位置会发生变化而 可能超出允许的范围。
    对于上述两种情况，一方面要采用高质量、高稳定性的光学元件，并经常维护，防止污染，保持清洁；另一方面要求发展激光焊接过程实时监测与控制方法，以优化参数，监视到 达工件的激光功率和焦点位置的变化，实现闭环控制，提高激光焊接质量的可靠件和稳定性。

最后， 要注意激光焊接是一个熔化过程。这意味着两个基底在激光焊接过程中会熔化。这一过程很快，因此整个热输入较低。但因为这是一个熔化过程，在焊接不同材料的时候就可能形成易碎的高电阻金属间化合物。铝-铜组合特别容易形成金属间化合物。这些化合物已证明对于微电子设备搭接头的短期电气性能和长期机械性能有负面影响。这些金属间化合物对于锂电池长期性能的影响尚不确定。

激光焊接可以进行圆柱电芯、方形电芯和软包电芯的组合焊接。

方形电池组合焊接时，极柱或连接片受污染厚，焊接连接片时，污染物分解易在成焊接炸点，形成孔洞；极柱较薄、下有塑料或陶瓷结构件的电池，容易焊穿，造成焊穿爆点的情况。极柱较小时，也容易焊偏至塑料烧损，形成爆点。不要使用多层连接片，层之间有孔隙，不易焊牢。

软包极耳焊接，对焊接工装要求较高，必须将极耳压牢，保证焊接间隙。可实现S形、螺旋形等复杂轨迹的告诉焊接，增大焊缝结合面积的同时加强焊接强度，两道之间焊缝的轻度才与一道螺旋线焊缝强度相当。

圆柱电芯的焊接主要用于正极的焊接，由于负极部位壳体薄，极容易焊穿。如目前安靠采用的负极免焊接工艺，正极采用的为激光焊接。

四、超声焊接

超声焊接最早用于软包电芯的连接组合，如VOLT电动车电池组。适宜于多层金属的焊接，可以焊接铜箔、铝箔及铜铝焊接、镍带焊接等。TELSA工艺得到认可厚，才逐步用于圆柱电芯的焊接，但仅限于bonding焊工艺。目前采用bonding焊工艺，也已经开始在方形电池的连接组合上应用。

（1）圆柱电芯组合焊接

采用wire bonding焊接。Bonging 焊接原来是应用于电路板焊接上面的，被特斯拉移植过来做圆柱电芯的组合连接。2006年，TESLA开创了率先使用wire bonding技术作为将电芯连接成一个大电池包的技术模式。在TESLA看来，传统的焊接工艺十分耗时、容易失败。同时，也很难测试电池之间的连接、导体是否存在问题。除了简单的连接外，TESLA也设计了一种方式，采用铝丝焊这一可熔断的连接技术。铝丝焊技术可以允许范围内的电流通过，但是当发生短路产生过流时就会进行熔断。TESLA的工程师相信其他的焊接技术会产生电气保护问题，没有保险丝的保护，一个单体电芯可能因为在发生故障或损坏后产生内部短路，致使与它并联的其他电芯都不能使用。

优点：

1. 采用铝丝焊或铝带焊时，在室温下进行即可。不需要任何外部温度，超声波摩擦焊接时的焊接区温度不会上升。而其他传统的焊接方式则需要加热才能将金属融化。

2. Wire bonding是一项干净的焊接技术，并不需要任何焊接后的卫生清理工作。传统焊接技术后会有一些助焊剂残留或者融化的金属爆发物需要移除，避免产生可靠性问题。而wire bonding则只有在表面存在一些污染物或者顽固的氧化物时才需要进行清洗。

3. Wire bonding具有很好的灵活性，兼容性较强，含低金线高度、多针脚选择、大工作范围、带状或圆线状选择。

4. 金属丝可以有很好的方向灵活性，可以在多种热膨胀参数之间很好的控制不匹配性。

5. 引线连接工艺，bonding wire可直接冲当保险丝工艺，无需在用电阻焊焊接镍片，简化生产工艺，减少设备投资和电池组设计成本。

6. 维护及电芯梯次利用比较方便，电芯拆卸不受到破坏。

缺点：作为熔断装置，同样也就起到了限流作用，对于高功率应用，影响电流的输出。对焊接表面的洁净度要求较高，焊接件的稳定性等也要求高，否则容易造成虚焊。在圆柱电芯中，若正负极均采用bonding焊接，则在车辆运行过程中，电芯有可能会发生转动，导致铝丝断裂，需要打胶固定电芯。

（2）软包电芯的组合焊接

    超声波金属焊接利用高频振动波传递到需焊接的金属表面，在加压的情况下，使两个金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。可以将多个电芯的极耳直接焊接在一起，而不需要加入其他材料，成本较低。焊接效率高。但电池组维护不方便，单电芯的梯次利用较难。

（3）方形电芯的组合焊接

    bonding焊接不仅可以焊接铝丝，也可以焊接铝带等，用其替代目前的方形电池连接板，电芯可以实现梯次利用，也有效降低了成本，单生产效率相对较低。

五、免焊接技术

免焊接技术的研究目前主要集中在圆柱电芯的组合连接上。免焊接可以完全实现电芯的梯次利用，并且对电芯无损伤，电池模块维护方便，真正实现单电芯的替换。目前主要有两种方式。

（1）压力接触

依靠端板将连接片和电芯正极或负极压紧，实现接触。端板及接触方法需要进行页数设计。

（2）弹性接触

    相对成本较低，连接可靠性好。可参考专利：CN2017210896715等。后续会逐渐推广应用。

新能源汽车上下游行业目前大部分处于“鸡肋”，最终可能是成也政策，败也政策，市场目前完全是政策市场，而不是需求市场。近期爆发的沃特玛资金链出现状况，仅仅是刚开始，大多数电池、PACK、整车企业均有这样的状况，只是还未爆发。

一、新能源汽车产业链

新能源汽车的整个产业链如下图所示：

总体分为几大块，（1）资源和材料行业；（2）电芯及PACK企业；（3）电芯及PACK配套企业；（4）整车企业；（5）充电设施企业；（6）运营企业；（7）销售及服务企业；（8）回收及梯次利用。

二、各块情况分析

1、资源行业

2017年是资源行业最火的一年。天齐锂业年报显示净利润达到40%。十多年前锂电行业第一次红火的时候，赚钱的是设备企业，后来倒闭一大堆电池企业；目前赚钱的是材料行业，电池企业会不会再倒一批？

资源赚钱，但不好切入进去，离我们太遥远。

材料企业，后续关键看技术，有好的技术还是可以进入的，正极就是高镍三元或富锂锰基材料，负极材料就是良好的硅碳材料，目前这两种材料还远不能满足市场需求。电解液为几家大企业把持，没切入必要，隔膜也基本上国产化，许多企业在投。还有就是铝塑膜，是大家一致看好的，但感觉都看好，是否真的好，还不一定。

2、单体电池企业

单体电池不能再投了。2017年已经有许多陷入资金短缺，而且目前动不动就是几十个亿进去，立项到产品稳定至少2年时间。

单体企业已经过剩，动力电池生产企业由2015年的50家增加到2016年的150家，但产品的出货量也越来越集中，前4家出货量已经达到2016年总出货量的2/3。2017年专门作动力电池的企业又有减少，了解好多转型储能用电池。

2016年，很多公司都在扩张动力锂离子电池产能。截至2016年底，主要10家企业的产能已经超过50GWh，2017年预计将超过85GWh，这其中还不包括众多中小制造商。根据预测，2017年预计动力电池需求将不足35GWh，动力电池市场未来将出现大批中小规模企业倒闭现象以及产能过程情况。

3、电池PACK生产

   目前，PACK市场被整车厂、电池厂、PACK企业三方分割。整车厂占有市场优势，电池厂有原材料优势，PACK企业有技术优势。其中在乘用车领域，整车厂占有一半份额，主要和乘用车对整体设计和技术要求较高；电池厂在客车领域和专用车领域占有较高的市场份额，主要与其成本优势有关；纯粹的PACK企业在三个市场领域均有一定份额，但都不高。

    作为电动汽车的重要部件，占成本50%以上，整车企业不会让PACK掌握在别人手中。未来，动力电池系统业务会被整车厂逐渐拆分，其技术更加明晰，结构件、电池模组、BMS、高压配电等均可能形成不同的细分市场，PACK系统的业务将以整车厂为主。

3、BMS

    BMS作为一为电池系统配套的产品，其功能未来将被整车控制单元所整合，更有利于整车的销售和维护，虽然目前以专业的BMS生产企业为主导。

专业的BMS厂家不具备对电池的详细了解，也不具备对整车的深入了解，BMS厂家是不能作好的。BMS结合ECU、VCU的三合一系统开发是趋势。

4、电池、PACK配套零部件企业

要有自己的技术。电池配套企业可以在电池结构等方面作些自有技术，才能做大并拓展市场。

PACK企业在电池成组结构上也要有自己的技术，电池外箱等建议和整车厂加强合作而不是和电池或PACK企业合作，因为最终的决定权在整车。

电池PACK用元器件等目前品牌多、品质良莠不齐，新进企业很难打开市场。

5、充电设施

充电桩作起来并不难，难度在于资源的优势。要安装、占地、电力配送等，一般企业很难搞定，只有贴牌比较合适。不建议切入。

车载充电机后续的需求会越来越大，市场上还未有独角兽之类的大牌企业，可以作为主要方向。

6、整车企业

整车企业要考虑的是如何面向没有补贴的市场。

技术方面建议整车将PACK技术掌握在自己手里面，整车各种管理功能进行整合，降低综合成本。

其实在没有补贴的情况下，本人真正看好的还是HEV市场，因为受其他限制比较小，节能，与正常车一样加油，就是在双积分政策下没有积分。

没有补贴情况下真正受冲击的可能会使物流车等专用车市场影响比较大。目前要想办法应对无补贴市场下的模式。

7、车辆运营

关键在于运营模式的商业创新。

租车与售车模式为常规的销售模式。

真正面向市场的话建议与传统汽车采用不同的商业模式。

8、新能源车售后服务行业

新能源汽车与传统车的售后完全不同，目前还没有专业的服务企业，都是各车企在自己做，集中电机、电池、BMS企业等共同服务，沃特码最多的时候有400多人在做售后。售后成本高昂，近几年4S店还做不到全面维护，这一行业后续有可能会形成一个产业。车企、电池厂等都有此方面的意愿需求。

有两个问题需要解决：

（1）商业模式：与整车厂、电池企业、系统企业、BMS厂家、电机电控厂家等的共同合作与授权；着重点在于各整车平台的不一致，需各方面进行整合，逐步在各方面建立统一的标准。

（2）团队建设：需要的人员比较复杂，整车、电机、电控、BMS、电池、营销、经管等各方面人员都需要。并且需要对国内主要的电池、电机电控、整车、BMS、运营平台等均要有所了解，还要得到客户的认可。

   这一块后续本人比较看好。应当完全有别于目前的4S店模式。

7、电池回收

新的回收标准刚出来。目前已经有多家回收企业。

后续国家对此方面的补贴政策、优惠政策会逐步推出。

主要进行梯次利用、材料回收。

政策支持下这一块可以切入，需要以整车牵头，才有货源。