CN102653029A - 多模式超声焊接控制和优化 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多模式超声焊接控制和优化，具体地，用于提供超声焊接系统的多模式控制的系统和方法。在一个实施方式中，控制模式包括焊接过程的焊接能量、时间和在焊接过程中被焊接的部件的压缩位移。该方法包括提供每个模式的阈值，并且在达到每个模式的阈值后、达到多于一个模式的阈值后或者达到模式中一者的阈值后停止焊接过程。焊接控制可为开环的，也可为闭环的，其中开环过程提供模式阈值，并且一旦达到那些阈值中的一个或多个，焊接过程被停止。闭环控制提供焊接能量和/或压缩位移的反馈使得焊接功率和/或焊接压力可被相应地增加或者减少。

Description

多模式超声焊接控制和优化

政府合同

美国政府可具有本发明的已付许可以及在有限条件下的权利来要求专利所有人依照由美国能源部授予的、名为美国能源部Recovery and Reinvestment Act的合同号B511的条款所提供的合理条款许可他人。

技术领域

本发明总体涉及一种控制超声焊接过程的系统和方法，更具体地涉及一种用于多模式控制超声焊接过程的系统和方法，其中所述模式包括焊接能量、焊接时间以及部件压缩位移。

背景技术

电动车辆正变得越来越流行。这些车辆包括：混合动力车辆，诸如将电池和主功率源组合的增程式电动车辆（EREV），诸如内燃机、燃料电池系统等；和纯电动车辆，诸如电池电动车辆（BEV）。所有这些类型的电动车辆采用包括许多电池单元的高压电池。这些电池可为不同的电池类型，诸如锂离子、镍金属氢化物、铅酸等。不同车辆设计包括针对具体应用采用不同折中和优点的不同电池设计。

现代电动车辆电池组通常包括多个电池模块，其中每个模块包括多个电池单元，并且其中模块和单元的数目决定电池组电压。在一个具体的电池组设计中，三电池单元（三件组）的共极电子接头片被焊接在一起并且焊接至互联汇流条。电池单元的三件组中的若干在单个单元模块中被焊接到同一互联汇流条，从而电池单元的每个三电池单元被并联地电连接，并且电池单元的所述若干三电池单元在模块在被连续地电连接。模块组并联地或串联地电连接从而形成电池节段并且许多电池节段一起电连接在单个壳体中从而提供电池组。

使用超声频率的超声或者振动焊接为本领域所公知。振动焊机的电极臂或超声焊极抵靠待焊接的部件放置，而来自换能器的超声能量导致部件振动，这产生生成大量热将部件连接在一起的摩擦力。在一个具体的应用中，振动焊接用于将电池单元的三件组的共同正极和共同负极接头片连接到上述的互联汇流条。

用于对于至少该应用的振动焊接的焊接控制策略使用来自可得到的若干控制参数的单模式控制。例如，已知的用于这个过程的单模式控制通常仅仅监控和控制焊接能量、焊接时间或被焊接的接头片相对于互联汇流条的压缩位移距离中的一个。具体地，焊接过程的控制策略可仅仅基于在焊接中所提供的能量的量来控制或终止焊接过程，这基于输入到超声电极臂中的能量增加通过时间。替代地，焊接控制策略可仅仅通过焊接时间的持续时间来控制焊接过程。或者，焊接过程可仅仅通过待被焊接的部件在焊接过程中的压缩位移来控制。

这些单模式焊接策略中的每一种已证明是用于提供对于具体应用的所期望焊接完整性的可适用的技术。然而，使用单模式焊接控制显示出引起随机的低概率焊接完整性问题。

发明内容

根据本发明的教导，公开一种用于提供超声或振动焊接系统的多模式控制的系统和方法。在一个实施方式中，控制模式包括焊接过程的焊接能量、时间和在焊接过程中被焊接的部件的压缩位移。该方法包括提供全部模式的阈值，并且仅在达到每个模式的阈值后、达到多于一个模式的阈值后或者达到模式中一者的阈值后停止焊接过程。焊接控制可为开环的，也可为闭环的，其中闭环控制提供焊接能量和/或压缩位移的反馈，使得焊接功率、焊接幅值和/或焊接压力可被相应地增加或者减少。

本发明还提供如下方案：

1. 一种为用于将多个部件焊接在一起的振动焊接过程提供多模式控制的方法，所述方法包括：

确定用于将所述部件焊接在一起的期望焊接能量值；

确定用于将所述部件焊接在一起的焊接过程的持续时间的期望时间值；

确定当所述部件被焊接在一起时对于所述部件的期望压缩的期望压缩位移值；

开始用于焊接多个部件的焊接过程；以及

当达到所述焊接能量值、期望时间值和期望位移值中的一个或多个时，停止焊接过程。

2. 根据方案1所述的方法，其中，停止焊接过程包括：当达到所述焊接能量值、所述期望时间值和所述期望位移值中的全部时，停止所述焊接过程。

3. 根据方案1所述的方法，其中，停止焊接过程包括：当所述焊接能量值、所述期望时间值和所述期望位移值中的多于一者到达时，停止所述焊接过程。

4. 根据方案1所述的方法，其中，停止焊接过程包括：当达到所述焊接能量值、所述期望时间值和所述期望位移值中的其中一个时，停止所述焊接过程。

5. 根据方案1所述的方法，还包括：监控在所述焊接过程中所述焊接能量增加的速率，并且如果能量速率与期望的焊接能量速率不相同，则增加或者减少控制焊接功率和/或施加给所述部件的压力的焊接功率信号。

6. 根据方案1所述的方法，还包括：监控在所述焊接过程中所述部件被压缩的速率，并且如果压缩的速率与期望的压缩速率不相同，则增加或者减少控制焊接功率和/或施加给所述部件的压力的焊接功率信号。

7. 根据方案1所述的方法，其中，停止焊接过程包括：如果达到焊接能量、焊接时间或压缩位移的控制上限值，则停止焊接过程，而不管所期望的焊接能量值、时间值和焊接压缩位移值中的全部是否达到。

8. 根据方案1所述的方法，其中，所述部件为电池端子。

9. 一种为用于将多个部件焊接在一起的振动焊接过程提供多模式控制的方法，所述方法包括：

确定多个期望模式值，其每个是用于确定将所述部件焊接在一起的焊接持续时间的参数，其中，每个模式值不同于其他模式值；

开始用于焊接多个部件的焊接过程；以及

当所述多个模式值中的一个或多个达到时，停止所述焊接过程。

10. 根据方案9所述的方法，其中，多个模式值中的一个为用于将所述部件焊接在一起的期望焊接能量值。

11. 根据方案10所述的方法，还包括：监控在所述焊接过程中所述焊接过程的焊接能量增加的速率，并且如果能量速率与所期望的焊接能量速率不相同，则增加或者减少控制焊接功率和/或施加给所述部件的压力的焊接功率信号。

12. 根据方案9所述的方法，其中多个模式值中的一个为用于将所述部件焊接在一起的持续时间的期望时间值。

13. 根据方案9所述的方法，其中，多个模式值中的一个为当所述部件被焊接在一起时用于所述部件的期望压缩的期望压缩位移值。

14. 根据方案13所述的方法，还包括：监控在所述焊接过程中所述部件被压缩的速率，并且如果压缩的速率与期望的压缩速率不同，则增加或者减少控制焊接功率和/或施加给所述部件的压力的焊接功率信号。

15. 根据方案9所述的方法，其中，停止焊接过程包括：如果多个模式值中的任意一个的控制上限达到，则停止所述焊接过程，而不管是否达到任意的其他模式值。

16. 根据方案9所述的方法，其中，所述部件为电池端子。

17. 一种为用于将多个部件焊接在一起的振动焊接过程提供多模式控制的系统，所述系统包括：

用于确定用于将所述部件焊接在一起的期望焊接能量值的装置；

用于确定用于将所述部件焊接在一起的焊接过程的持续时间的期望时间值的装置；

用于确定在所述部件被焊接在一起时所述部件的期望压缩的期望压缩位移值的装置；

用于开始焊接多个部件的焊接过程的装置；以及

用于在所述焊接能量值、期望时间值和期望位移值中的多于一者达到时停止所述焊接过程的装置。

18. 根据方案17所述的装置，还包括：监控在所述焊接过程中所述焊接能量增加的速率并且如果能量速率与期望的焊接能量速率不相同则增加或者减少控制焊接功率和/或施加给所述部件的压力的焊接功率信号的装置。

19. 根据方案17所述的装置，还包括：监控在所述焊接过程中所述部件被压缩的速率，并且如果压缩的速率与期望的压缩速率不相同，则增加或者减少控制焊接功率和/或施加给所述部件的压力的焊接功率信号的装置。

20. 根据方案17所述的装置，用于停止所述焊接过程的装置在达到焊接能量、焊接时间或压缩位移的控制上限值时停止焊接过程，而不管所期望的焊接能量值、时间值和焊接压缩位移值中的全部是否达到。

结合附图，由下面的描述和随附权利要求，本发明的额外特征变得明白。

附图说明

图1为包括电池和主功率源的车辆的俯视图；

图2为将部件焊接在一起的振动焊接系统的示意图；以及

图3为用于控制图2所示的焊接系统的焊接过程的多模式焊接控制策略的方框图。

具体实施方式

下面对涉及一种用于提供焊接过程的多模式控制的系统和方法的本发明实施方式的讨论实际上仅仅是示例性的，绝不是意图限制本发明或其应用或使用。例如，本发明被描述为具有特别应用以便将电池接头片焊接到车辆电池的互联汇流条。然而，所属领域技术人员将明白，在此描述的多模式焊接控制过程可具有用于将任何适当部件焊接在一起的任何超声或振动焊接过程的应用。

图1为意于表示电动车辆或电动混合车辆的车辆10的俯视图。车辆10包括具有多个电池单元18的高压电池12。电池12可为适用于电动车辆的任何电池，诸如铅酸电池、锂离子电池，镍金属氢化物电池等。车辆10也可包括单独的功率源14，诸如内燃机、燃料电池系统等。控制器16控制电池12和功率源14的操作且包括在它们之间的功率分配。

图2为用于将多个部件22焊接或者结合在一起的超声或振动焊接系统20的示意图。在这个非限制性的例子中，部件22为用于车辆电池，诸如电池12的电池单元的三个共同电池端子接头片。系统20包括控制电源26的控制器24，电源26将电功率信号提供给换能器28，换能器28将电信号转换为机械信号。电信号为针对特定应用的具有期望频率和振幅的频率信号。电极臂30被机械地连接到换能器28并具有与部件22相接触的电极臂头32。机械能引发电极臂30以特定频率振动，这导致电极臂30在部件22上产生摩擦力，产生显著的热，从而以所属领域技术人员公知的方式结合部件22。压力34朝着部件22被施加到电极臂头32以将部件22抵靠砧36保持，使得部件22上的压力和超声能的组合提供结合。系统20还包括位移测量装置38，其测量在结合过程中部件22的因部件22通过热而变得可延展和可塑而导致的压缩位移。在这个实施方式中，位移装置38测量电极臂头32和砧36之间的距离。然而，在本领域中已知适于此目的的多种类型的位移技术。

如上所述，公知的振动焊接系统采用单模式控制来确定何时停止焊接过程。本发明提出多模式控制，其中，在一个非限制性的实施方式中，三种模式，也就是，焊接能量、焊接时间和焊接压缩位移被组合应用于控制何时停止焊接过程。然而，在本发明的精神和范围内，其他模式或者模式的组合也可用于确定何时停止焊接过程。此外，多模式控制既可为开环控制也可为闭环控制，以下将进一步详细讨论。

当焊接能量、焊接时间和焊接压缩位移中的一个或更多个参数得到满足时，焊接控制策略停止焊接过程。例如，可能希望在焊接能量达到预定能量值，诸如2000焦耳时，停止焊接过程。此外，可能希望在焊接时间达到预定焊接时间，诸如一秒时，停止焊接过程。也可能希望在部件22的压缩位移达到预定的位移值，诸如200μm时停止焊接过程。本发明将所有这些模式组合在控制策略中，以在所有三个参数得到满足、这些参数中的两个或更多个的组合得到满足、或这些参数中的单个参数得到满足时停止焊接过程。在本发明的多模式控制下，如果焊接过程在仅模式阈值中的一个得到满足时被停止，那么这仍然是不同于公知的单模式控制的控制，因为在多模式控制中，多于一个参数被监控，并且多模式控制允许焊接过程在多于一个模式的任意一个达到模式阈值时被选择性地停止。换言之，如果模式阈值中的不同阈值从一个焊接过程到另一个焊接过程得到满足，则多模式控制可选择性地停止焊接过程。

出于安全目的，或其他目的，每个参数或模式具有控制上限(UCL),其中，如果特定的控制参数达到模式中任意一个的UCL阈值，那么不管所希望阈值中的全部或一些是否得到满足，焊接过程都会被停止。

如本领域所公知，在图2中所示类型的焊接系统计算在焊接过程中的焊接能量，典型地为以焦耳为单位的随时间积分的功率。例如，控制器24将基于由电源26和电极臂30的类型以及尺寸所提供的输出功率确定并显示焊接能量，其中，提供给部件22的焊接能量将随着焊接过程进行而增加，直到它达到特定的设定值。此外，控制器24将监控电源26将功率信号提供给换能器28的时间。并且，控制器24可从设备38接收指示部件22在焊接过程中的压缩位移的输出信号。因此，对于开环控制，控制器24控制功率源26使得其继续为焊接过程提供功率直到模式阈值中的全部三个得到满足、模式中的一个或多个的组合得到满足、或者达到模式中的一个的UCL阈值，此时，焊接过程被停止。

在闭环控制中，能量速率和/或压缩位移速率在焊接过程中被监控以提供反馈，其中，如果预定速率没有得到满足，那么到换能器28的功率信号和/或压力34可相应地增加或者减少。焊接能量响应于到换能器28的信号和施加给部件22的压力34的变化而变化，其中功率信号控制声功率和/或声振幅。类似地，压缩位移响应于到换能器28的信号和施加给部件22的压力34的变化而变化。控制器24监控焊接过程的焊接能量增加的速率以及在焊接过程中部件22被压缩的速率，并且增加或者减少焊接功率信号和/或施加到部件22的压力34来控制焊接能量速率和压缩速率。

例如，在一个非限制性的实施方式中，控制器24监控在焊接过程中焊接能量                                               增加的能量速率

，其中：

，

并且其中LCL是控制下限，t为时间，而t_LCL是与E_LCL相关的焊接时间，且t＞t_LCL。

如果能量速率

与期望的能量速率E_rate不相等，其中：

，

那么焊接功率信号和/或压力34在焊接过程中增加或者减少某个预定百分比直到能量速率

和E_rate相等。

类似地，在一个非限制性的实施方式中，在焊接过程中部件22被压缩的压缩位移速率

被监控，其中：

，

并且其中dH为焊接过程中在时间t的特定点的压缩位移，t_LCL为与dH_LCL相关的焊接时间，且t＞t_LCL。

如果压缩位移速率

与所期望的位移速率dH_rate不相等，其中：

那么焊接功率信号和/或压力34在焊接过程中增加或者减少某个预定的百分比直到焊接压缩速率

与dH_rate相等。如上所述，一旦模式阈值中的全部或者一些得到满足，或者达到模式控制上限，则焊接过程被停止。

图3为上述类型的闭环多模式控制算法的方框图50。在框52，提供了能量模式的控制模式阈值，诸如2000焦耳，在框54，提供了持续时间模式的控制模式阈值，诸如一秒，而在框56提供了压缩位移阈值的控制模式阈值，诸如200μm。所有这三个控制阈值被组合或在逻辑门58被并（AND）在一起并提供给比较器60。在框62来自比较器60的所组合的阈值被提供给超声焊接控制，这将焊接控制信号提供到输出线66上。焊接能量在线路64上反馈回比较器60且压缩位移在控制压力34的线路70上反馈回框68，如果必要，则框68将压力变化的信号提供给比较器60。因而，如果焊接能量的速率和/或压缩位移的速率不是所期望的速率，如上所述，那么功率信号和/或压力34可被向上或向下更正，使得它们之间的在求和结合60的输出处的误差是0或者接近于0。

前述讨论公开并且描述仅本发明的示例性实施方式。所属领域技术人员可从这些讨论以及附图和权利要求中容易地意识到，可在不背离本发明的由随附权利要求所限定的精神和范围的情况下在其中作出多种改变、修改和变化。

Claims (10)

1.一种为用于将多个部件焊接在一起的振动焊接过程提供多模式控制的方法，所述方法包括：

确定用于将所述部件焊接在一起的期望焊接能量值；

确定用于将所述部件焊接在一起的焊接过程的持续时间的期望时间值；

确定当所述部件被焊接在一起时对于所述部件的期望压缩的期望压缩位移值；

开始用于焊接多个部件的焊接过程；以及

当达到所述焊接能量值、期望时间值和期望位移值中的一个或多个时，停止焊接过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，停止焊接过程包括：当达到所述焊接能量值、所述期望时间值和所述期望位移值中的全部时，停止所述焊接过程。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，停止焊接过程包括：当所述焊接能量值、所述期望时间值和所述期望位移值中的多于一者到达时，停止所述焊接过程。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，停止焊接过程包括：当达到所述焊接能量值、所述期望时间值和所述期望位移值中的其中一个时，停止所述焊接过程。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：监控在所述焊接过程中所述焊接能量增加的速率，并且如果能量速率与期望的焊接能量速率不相同，则增加或者减少控制焊接功率和/或施加给所述部件的压力的焊接功率信号。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：监控在所述焊接过程中所述部件被压缩的速率，并且如果压缩的速率与期望的压缩速率不相同，则增加或者减少控制焊接功率和/或施加给所述部件的压力的焊接功率信号。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，停止焊接过程包括：如果达到焊接能量、焊接时间或压缩位移的控制上限值，则停止焊接过程，而不管所期望的焊接能量值、时间值和焊接压缩位移值中的全部是否达到。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述部件为电池端子。

9.一种为用于将多个部件焊接在一起的振动焊接过程提供多模式控制的方法，所述方法包括：

确定多个期望模式值，其每个是用于确定将所述部件焊接在一起的焊接持续时间的参数，其中，每个模式值不同于其他模式值；

开始用于焊接多个部件的焊接过程；以及

当所述多个模式值中的一个或多个达到时，停止所述焊接过程。

10.一种为用于将多个部件焊接在一起的振动焊接过程提供多模式控制的系统，所述系统包括：

用于确定用于将所述部件焊接在一起的期望焊接能量值的装置；

用于确定用于将所述部件焊接在一起的焊接过程的持续时间的期望时间值的装置；

用于确定在所述部件被焊接在一起时所述部件的期望压缩的期望压缩位移值的装置；

用于开始焊接多个部件的焊接过程的装置；以及

用于在所述焊接能量值、期望时间值和期望位移值中的多于一者达到时停止所述焊接过程的装置。

Images