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Dossiers

Solutions de connexion de cellules de batterie adaptées pour une production mixte et à échelle moyenne

Par Accelonix

Publication: 16 janvier

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Avec l’évolution de l’e-mobilité les besoins en matière de connectique batterie sont en constante mutation, offrant ainsi un terrain fertile pour l’innovation...
 

Tel un écho à la théorie de Darwin, l’adaptabilité est devenue une clé de voûte dans le développement de nouvelles solutions. Cet article, tout en reconnaissant l’importance du câblage batterie de masse en Giga factory, se concentrera plutôt sur des solutions plus adaptées à des productions mixtes et à échelle moyenne.

Nous examinerons trois techniques innovantes de connexion de cellules batterie : le wire bonding ultrasonique, le soudage ultrasonique (Smart Welding) et le soudage laser. Chaque méthode, unique dans son approche, partage un objectif commun de maîtrise du processus et de traçabilité, des critères essentiels dans notre ère technologique. Ces solutions se distinguent par leur flexibilité et leur capacité à s’adapter aux besoins variés des productions contemporaines.

L’analyse présentée ici vise à évaluer ces technologies en les inscrivant dans une matrice de choix adaptée à des contextes spécifiques, tels que ceux envisagés par une équipe de conception ou dans une stratégie d’entreprise. Cette perspective offre aux lecteurs des éclairages pour identifier la solution la plus pertinente, s’écartant ainsi des limitations typiques des grandes productions standardisées.

Le Wire Bonding par Ultrason, la Maîtrise du Processus

Le câblage par fil est une méthode couramment employée dans la production de composants semiconducteurs et de capteurs. Ce processus implique généralement l’utilisation de fils d’or, de cuivre ou d’aluminium, dont le diamètre varie entre 17 et 25 μm. Pour les connexions de puissance à haute capacité de courant, utilisées dans les modules et composants de puissance, on utilise des fils d’aluminium de 300 à 500 μm. De plus, le procédé inclut l’utilisation de rubans d’aluminium pouvant atteindre des dimensions de 2000 μm x 400 μm. La maturité et la fiabilité éprouvée de cette technique en font un choix privilégié pour les connexions aux cellules de batteries, où les exigences en termes de fiabilité, d’efficacité et de répétabilité sont particulièrement élevées.

Pour les Prototypes et Petites Séries

Pour les prototypes ou les productions en petites séries, la flexibilité et la précision qu’offrent le wire bonding ultrasonique manuel ou semi-automatique sont essentielles. Dans ce contexte, des équipements comme la série HB de TPT se démarquent grâce à leur polyvalence et leur précision, se révélant être des outils incontournables tant pour la recherche et le développement que pour la production en petite série. Ces dispositifs se caractérisent par leur interface utilisateur intuitive, facilitant l’utilisation, ainsi que leur capacité à manipuler une variété de matériaux conducteurs, ce qui permet un assemblage précis adapté aux compétences des opérateurs, quel que soit leur niveau d’expérience.

Pour la Production à Échelle Moyenne

À mesure que la production augmente, le recours au câblage automatique devient indispensable. Dans ce contexte, des machines telles que la Bondjet BJ985 de Hesse Mechatronics sont idéales pour gérer des volumes plus importants grâce à leurs zones de travail étendues, offrant une flexibilité accrue pour la manipulation automatique des applications. En ce qui concerne les processus bien établis, les améliorations continues apportées aux machines se concentrent sur l’interface utilisateur, en les dotant de fonctions facilitant l’utilisation. Ces fonctions incluent un calibrage automatique et des outils conçus pour minimiser les erreurs de l’opérateur.

En gardant à l’esprit les principes de l’industrie 4.0, ces machines automatiques offrent des capacités de programmation en ligne et permettent la collecte de données de processus comme une mesure de la qualité. Elles intègrent également des fonctionnalités réseau avancées, telles que l’interaction avec les systèmes de gestion de production (MES) pour la vérification croisée, le téléchargement et la traçabilité des données, ainsi que le dépannage à distance des erreurs.

Avantages Techniques et Innovations

Le câblage par ultrasons est un procédé de haute précision, éprouvé et fiable, ce qui en fait un choix judicieux pour l’assemblage des batteries. Ce processus permet d’établir des connexions solides et fiables à l’aide de machines industrielles bien établies. Du point de vue de la conception, l’utilisation de fils en tant que fusibles en cas de surintensité renforce la sécurité du système de batterie. En outre, la réparabilité des fils les rend particulièrement utiles pour la gestion des batteries en fin de vie, le recyclage ou le remplacement des cellules. La navigation automatique et la haute précision des axes des machines offrent une flexibilité appréciable dans la réalisation des connexions des cellules de batterie. Cette approche minimise le temps nécessaire à l’intégration de nouvelles conceptions de produits et, grâce à l’absence de besoin en outillage spécifique, elle s’adapte aisément aux exigences de flexibilité de la production. Cependant, il est important de noter que ce processus peut être plus lent que d’autres méthodes de soudage, surtout dans les cas où la gestion de courants élevés est requise et où l’utilisation de plusieurs fils ou rubans est nécessaire.

Le Soudage Ultrasonique ou “Smart Welding” : le soudage sans déchets

Le soudage par ultrasons est reconnu comme un processus sûr et à faible risque, ce qui en fait une alternative attrayante au wire bonding et au soudage laser. En comparaison avec le câblage, le soudage par ultrasons est particulièrement efficace pour créer des connexions à haute capacité de courant, pour connecter des cellules directement à des barres en cuivre ou en aluminium. Par rapport au soudage laser, le soudage par ultrasons présente plusieurs avantages. Il est d’abord un processus à froid qui n’implique ni fusion ni mélange, éliminant ainsi le risque de formation de phases intermétalliques pouvant affaiblir les joints. De plus, le processus de soudage opère à l’interface des matériaux, écartant tout risque de perforation de l’herméticité des cellules. De surcroît, l’environnement de production est plus sûr avec un soudage exempt de pollution et sans émission de particules susceptibles de provoquer des courts-circuits dans le blocbatterie.

L’innovation majeure de la soudeuse intelligente repose sur sa capacité à fournir l’énergie et la force ultrasoniques élevées nécessaires pour assembler des connexions lourdes, tout en maintenant la finesse, la précision et le contrôle indispensables aux circuits de puissance. Une haute précision de 10 μm garantit que l’équilibrage des cellules ne sera pas affecté par des variations de résistance dues à de grandes différences dans les positions de soudure. En production, la précision des mouvements, assurée par la caméra et les axes, permet d’ajuster le positionnement des pièces. Bien que les pièces doivent être placées sur la table de travail, l’utilisation d’outils spéciaux pour leur positionnement ou pour maintenir leur contact n’est pas nécessaire, simplifiant l’utilisation lors de modifications de conception. Finalement, la puissance ultrasonique contribue à une répétabilité et une fiabilité élevée de l’assemblage.

Surveillance et Contrôle Qualité

Le contrôle précis du processus génère des données essentielles pour évaluer la qualité de chaque soudure. Au cours du soudage, divers paramètres physiques sont surveillés, notamment le profil de force, la déformation, la puissance ultrasonique et la fréquence. Le suivi de ces paramètres, en particulier les oscillations, offre un aperçu détaillé de l’évolution du joint et des conditions telles que le frottement et la vibration. Cette méthode ne se contente pas seulement de garantir la qualité de chaque point de soudure ; elle permet également de comparer les soudures entre elles, assurant ainsi leur cohérence sur l’ensemble de la production. Les données, générées en temps réel à 100 % et sans interruption, peuvent être stockées pour créer une traçabilité complète du processus de soudage.

Les innovations Techniques du Smart Welder SW1085

Le Smart Welder SW1085 est un exemple d’innovation dans le domaine du soudage par ultrasons. Cette machine se distingue par sa zone de travail maximale de 374 mm x 883 mm, offrant une flexibilité considérable dans l’utilisation de l’espace de travail pour l’automation et manipulation des pack batterie de grande taille. Équipée des dernières avancées technologiques d’une « smart welder », elle propose une gamme étendue de forces ultrasoniques allant jusqu’à 1000N et une puissance ultrasonique pouvant atteindre 1,5kW, lui permettant de souder efficacement des surfaces de connexion en cuivre jusqu’à 9 mm2. Adaptée à une multitude d’applications de soudage, le SW1085 se distingue également par ses sonotrodes longues et étroites, offrant un accès en profondeur et permettant un espacement réduit entre les points de soudure.

Défis et Limitations

Tout comme le soudage par fil, le soudage par ultrasons est sujet à certaines restrictions liées au choix des matériaux et à la configuration de l’assemblage à souder. Ces limitations sont bien comprises et largement documentées. En prenant en compte la résistance mécanique requise pour l’application, la force élevée nécessaire au soudage par ultrasons peut restreindre la taille de la connexion ; notamment en termes d’épaisseur du matériau et de surface de soudure. Dans le cadre de la production, il est également crucial de considérer la vitesse de soudage : les temps nécessaires pour chaque soudure dépendent du type de matériau et sont généralement limités à environ 1 seconde.

Le Soudage Laser : les défis et des solutions

Le soudage laser offre une précision exceptionnelle, permettant de réaliser des soudures fines et détaillées sans contact direct, ce qui est essentiel pour éviter d’endommager des composants délicats. Cette technologie est également rapide et efficace, ce qui la rend idéale pour la production en série où la vitesse de soudage est un atout majeur. Le soudage laser offre également la polyvalence nécessaire pour assembler un large éventail de combinaisons de matériaux et de tailles. Cela est particulièrement utile, par exemple, pour des applications à courant très élevé qui nécessiteraient autrement une force excessive si elles étaient réalisées par des procédés à ultrasons.

Enjeux et Complexités

Bien que la technologie laser soit actuellement privilégiée pour les productions à grande échelle, notamment dans les gigafactories, elle n’est pas adaptée à toutes les situations et peut se révéler moins appropriée pour les productions de taille moyenne. Concernant les applications liées aux batteries, le risque d’incendie causé par l’éjection de particules est une source de préoccupation majeure. Mettre en place des mesures de sécurité pour atténuer ces risques est certes coûteux, mais l’absence de telles mesures pourrait entraîner des conséquences catastrophiques. Par ailleurs, l’efficacité de l’absorption d’énergie du laser est influencée par la réflectivité de la surface traitée et peut varier au cours du processus de fusion. Un contrôle inapproprié de cette absorption peut risquer de percer la cellule de la batterie. De plus, le soudage laser exige un contact parfait entre les pièces à assembler, ce qui nécessite l’utilisation d’un outil de clampage en production. Bien que la vitesse optimale de soudage soit atteinte grâce au balayage et à l’orientation adéquate du faisceau, il est important de noter que la forme du faisceau peut varier si l’angle d’incidence s’éloigne de la verticale. Bien qu’il soit possible de s’adapter à ces variations, le temps de mise au point et les coûts associés à la configuration de ces adaptations peuvent s’avérer importants.

Optimisation et Innovation : La Stratégie de Hesse

L’approche de Hesse vise à simplifier et à rendre le soudage laser plus accessible, notamment pour les petites et moyennes entreprises. Dans cette optique, le LW1089 de Hesse se distingue par une tête de soudage mobile qui se déplace sur chaque point de soudure, appliquant une force contrôlée pour assurer un contact mécanique nécessaire à une soudure laser de qualité. Cette innovation élimine le besoin d’outillage spécialisé, résolvant ainsi les problèmes de coût et de rigidité associés aux méthodes traditionnelles de soudage laser. En outre, la machine intègre une reconnaissance de formes et un capteur tactile pour ajuster les soudures en fonction des tolérances dimensionnelles. À l’intérieur de la buse fermée, les soudures laser sont exécutées de manière à extraire efficacement les fumées et à capturer les particules éjectées, ce qui réduit considérablement le temps nécessaire pour configurer de nouvelles applications. La programmation flexible des formes de soudure offre une grande adaptabilité pour la mise en place de différents processus de soudage.

Par ailleurs, l’intégrité du processus de soudage est surveillée en temps réel en mesurant le spectre d’émission durant la soudure. Ce spectre fournit des informations précieuses sur la température de fusion et la composition des matériaux, facilitant la surveillance de la répétabilité des soudures. L’extraction des fumées par la buse améliore la précision de ces mesures, et les données collectées peuvent être exportées pour servir de référence de traçabilité en production.

Enfin, la conception du LW1089 de Hesse intègre le même logiciel de commande et les mêmes systèmes d’axes que ceux utilisés dans leurs machines de wire bonding, permettant ainsi de réutiliser des solutions d’automatisation éprouvées. Cette intégration complète avec les logiciels d’usine facilite la gestion de la machine, du programme et de la ligne de production, assurant une intégration harmonieuse dans un environnement de production.

Défis et Considérations Techniques

Dans les adaptations récentes, la flexibilité, le contrôle et la sécurité sont devenus prioritaires, bien que cela ait pour conséquence un compromis sur la vitesse de transition entre les positions. Il est crucial de noter que les risques ne doivent pas être sous-estimés : même avec des mesures de sécurité en place, une inspection visuelle des particules reste essentielle. Par ailleurs, l’investissement dans une soudeuse laser implique des coûts significatifs, qui varient en fonction de la puissance du laser. En outre, il est important de prendre en compte les matériaux et les alliages intermétalliques qui se forment durant le processus de fusion. La structure cristalline de ces matériaux peut s’avérer fragile, conduisant à la formation de joints cassants. De ce fait, la science du soudage au laser, notamment le choix des matériaux, est un domaine en constante évolution et requiert une attention particulière.

Conclusion

Chacune des techniques abordées, le wire bonding ultrasonique, le soudage ultrasonique (Smart Welding) et le soudage laser, possède des avantages uniques, s’adaptant à une variété de tailles de production, notamment les volumes moyens. La décision quant à la méthode de connexion à adopter est étroitement liée aux besoins propres à chaque projet, prenant en compte des facteurs comme les contraintes budgétaires, la taille de la production envisagée, la nécessité de répétabilité et l’adaptabilité aux exigences changeantes. Chaque technique a sa place prépondérante dans le secteur de la production de batteries. Réussir dans ce domaine exige une évaluation rigoureuse et précise des besoins de chaque application, afin de déterminer l’approche la plus adéquate. Par conséquent, le succès ne repose pas sur une solution unique, mais sur un choix éclairé et adaptable parmi ces options technologiques.

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