CN107206545A - 用于电池模块的正弦形搭接焊接工艺以及电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明总体上涉及一种用于电池模块的焊接工艺。在一个实施例中，一种用于焊接电池模块中的两个部件的系统包括：激光源(50)，所述激光源配置成向具有第一电池模块部件和第二电池模块部件的工件(124)上发射激光束。所述系统还具有执行器(52)，所述执行器联接到所述激光源并且配置成沿第一轴线和第二轴线移动所述激光束；以及控制器(62)，所述控制器电联接到所述激光源和所述执行器。所述控制器(62)配置成向所述激光源(50)和所述执行器(52)发送信号，以在所述工件(124)的表面上形成正弦形搭接焊缝(60)，以使所述第一电池模块部件电联接到所述第二电池模块部件。

Description

用于电池模块的正弦形搭接焊接工艺以及电池模块
相关申请的交叉引用
本申请主张2015年1月5日递交的标题为“用于电池模块的焊接工艺(WELDINGPROCESS FOR A BATTERY MODULE)”的第62/099947号美国临时专利申请的优先权和权益。
背景技术
本发明总体上涉及电池和电池模块的领域。具体来说，本发明涉及一种用于电池模块的焊接工艺。
本节旨在向读者介绍可能涉及下述的本发明的各个方面的该领域中的各个方面。据信，此论述有助于为读者提供背景信息，以便于更好地理解本发明的各个方面。因此，应理解，这些表述应当从这个角度来阅读，而不是作为对现有技术的承认。
使用一个或多个电池系统来为车辆提供全部或一部分动力的车辆能够称为xEV，其中术语“xEV”在本文中被定义成包括所有以下车辆或者其任何变型或组合,其将电力用作其车辆动力的全部或一部分。例如，xEV包括使用电力作为全部动力的电动车辆(EV)。如本领域中的技术人员应了解，也被视作xEV的混合动力电动车辆(HEV)将内燃机推进系统与电池供能的电动推进系统，例如48伏(V)或130V系统相组合。术语HEV可以包括混合动力电动车辆的任何变型。例如，全混合动力系统(FHEV)可以使用一个或多个电动机、仅使用内燃机，或者使用这两者向车辆提供动力和其他电力。相比之下，轻度混合动力系统(HMEV)在车辆怠速时停用内燃机，并且使用电池系统来持续向空气调节单元、无线电或者其他电子设备供电，以及在需要推进时重新起动发动机。轻度混合动力系统还可以应用一定程度的动力辅助，例如在加速期间，以作为对内燃机的补充。轻度混合动力通常在96V到130V，并且通过皮带或曲柄集成式起动器发电机回收制动能量。此外，微型混合动力电动车辆(mHEV)还使用类似于轻度混合动力的“启-停”系统，但微型混合动力系统可以或者向内燃机提供或不提供动力辅助，并且在60V以下的的电压下操作。为了本论述的目的，应认识到，mHEV通常在技术上不使用直接提供到曲轴或变速器的电力作为车辆的任何部分的动力，但是mHEV仍然可以视作xEV，因为它在车辆怠速(其中内燃机停用)时的确使用电力来作为对车辆动力需求的补充，并且通过集成式起动器发电机来回收制动能量。此外，插电式电动车辆(PEV)是能够从外部电源，例如，壁式插座充电的任何车辆，并且储存在可再充电电池组中的能量驱动或者帮助驱动车轮。PEV是EV的一个子类，包括全电动或电池电动车辆(BEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)以及混合动力电动车辆和传统内燃机车辆的改装型电动车辆。
相对于仅使用内燃机和传统电动系统(通常是由铅酸电池模块供能的12V系统)的更传统的气体供能车辆而言，上述xEV可提供若干优势。例如，相对于传统内燃车辆，xEV可以产生更少的不良排放产物，并且可以呈现更高的燃料效率，并且在一些情况下，此类xEV可以完全消除汽油的使用，如同特定类型的EV或PEV一样。
随着技术持续演进，需要为此类车辆和其他实施方式提供改进的电源，尤其是电池模块。例如，在传统配置中，电池模块可包括若干互连的电化学电池单元，这些电化学电池单元通过延伸在电化学电池单元的端子(例如，次要端子或者电池单元端子)之间的母线(例如，次要母线)联接在一起。此外，电池模块可以包括通过相应的电气路径与互连的电化学电池单元电联接的两个主要端子，每个电气路径具有主要母线，所述主要母线在一个电化学电池单元的主要端子与次要端子之间从主要端子延伸。这样使得所述两个主要端子能够联接到负载，以便通过由互连电化学电池单元提供的电力来向所述负载供能。在传统配置中，电池模块的每个主要母线和相应的主要端子可以焊接到一起，以建立所述主要端子与所述次要端子之间的电气路径的至少一部分，也就是说，所述主要母线和所述主要端子可以由相同的材料或者至少焊接相容的材料制成。现在可以认识到，一些焊接程序可以导致电池模块的成本高昂。此外，现在可以认识到，一些焊接技术可以将大量能量传递到焊接部件，该能量可以熔化或损坏电池模块的外壳中包括的电子设备或者外壳本身。因此，现在可认识到，需要一种用于电池模块的改进的焊接工艺。
发明内容
下文概述了本文中所公开的特定实施例。应了解，这些方面仅向读者提供关于这些特定实施例的概述，并且这些方面并不旨在限制本发明的范围。实际上，本发明可以包括下文未描述的多个方面。
本发明涉及一种用于焊接电池模块中的两个部件的系统，所述系统包括：激光源，所述激光源配置成向包括第一电池模块部件和第二电池模块部件的工件上发射激光束。所述系统还具有执行器，所述执行器联接到所述激光源并且配置成沿第一轴线和第二轴线移动所述激光束；以及控制器，所述控制器电联接到所述激光源和所述执行器。所述控制器配置成向所述激光源和所述执行器发送信号，以在所述工件的表面上形成正弦形搭接焊缝，以使所述第一电池模块部件电联接到所述第二电池模块部件。
本发明还涉及一种用于焊接电池模块中的两个部件的系统，所述系统包括：激光源，所述激光源配置成发射激光束。此外，所述系统具有：第一执行器，所述第一执行器联接到所述激光源并且配置成沿第一轴线、第二轴线或者沿所述第一轴线和所述第二轴线二者移动所述激光束；第二执行器，所述第二执行器配置成沿所述第一轴线、所述第二轴线或者沿所述第一轴线和所述第二轴线二者移动工件，其中所述工件包括第一电池模块部件和第二电池模块部件。最后，所述系统包括联接到所述激光源、所述第一执行器、所述第二执行器或者它们的任何组合的控制器，其中所述控制器配置成向所述激光源、所述第一执行器、所述第二执行器或者它们的任何组合发送信号，以在所述工件的表面上形成正弦形搭接焊缝，以使所述第一电池模块部件电联接所述第二电池模块部件。
本发明进一步涉及一种用于焊接电池模块中的两个部件的方法，所述方法包括：将来自激光源的激光束指向所述电池模块的第一导电部件的第一表面，所述第一表面与所述第一导电部件的第二表面相对设置，其中所述第二表面抵靠所述电池模块的第二导电部件的第三表面设置。此外，所述方法包括沿所述第一导电部件的所述第一表面以振动图案经由执行器移动所述激光束，以将所述第一导电部件焊接到所述第二导电部件。
本发明进一步涉及一种电池模块，所述电池模块包括外壳和设置在所述外壳内的锂离子电池单元。所述电池模块还具有电池模块端子，所述电池模块端子经由电气路径电联接到所述锂离子电池单元，并且所述电池模块端子配置成当联接到电气负载时，提供所述电池模块的电气输出，并且所述电气路径包括第一导电部件和第二导电部件。此外，所述电池模块包括搭接焊缝，所述搭接焊缝将所述第一导电部件和第二导电部件彼此电联接，其中所述搭接焊缝根据激光焊接工艺产生。所述激光焊接工艺包括将来自激光源的激光束指向所述第一导电部件的第一表面，所述第一表面与所述第一导电部件的第二表面相对设置，其中所述第二表面抵靠所述第二导电部件的第三表面设置；以及沿所述第一导电部件的所述第一表面，以振动图案移动所述激光束，以将所述第一导电部件焊接到所述第二导电部件。
附图说明
阅读以下详细说明以及参考附图之后，可以更好地理解本发明的各个方面，其中：
图1是根据本发明的一个方面的具有电池系统的xEV的透视图，其中所述电池系统配置成向xEV的各个部件提供动力；
图2是根据本发明的一个方面的利用图1中的电池系统的xEV的一个实施例的截面示意图；
图3是根据本发明的一个方面的用于将两个电池模块部件焊接到彼此的激光焊接系统的一个实施例的方框图；
图4是根据本发明的一个方面的电池模块的分解图，其中所述电池模块可以包括一个或多个振动焊缝；
图5是根据本发明的一个方面的产生振动焊缝的焊接系统的一个实施例，其中激光沿第一轴线以直线来回运动的方式移动，并且工件沿第二轴线移动；
图6是根据本发明的一个方面的产生振动焊缝的焊接系统的一个实施例，其中激光围绕轴线以摇摆运动的方式移动，并且工件沿所述轴线移动；
图7是根据本发明的一个方面的产生振动焊缝的焊接系统的一个实施例，其中激光围绕第一轴线以摇摆运动的方式移动，并围绕第二轴线以摆动运动的方式移动；
图8是根据本发明的一个方面的产生振动焊缝的焊接系统的一个实施例，其中工件沿第一轴线以直线来回运动的方式移动，并且所述工件沿第二轴线移动；
图9是根据本发明的一个方面的激光焊缝的振动图案的一个实施例的视图；
图10是根据本发明的一个方面，示出使用振动图案的焊缝的厚度与使用非振动图案的焊缝的厚度的比较图；
图11是根据本发明的一个方面，将振动焊缝与多个非振动焊缝进行比较的铜工件的视图；
图12是根据本发明的一个方面，将振动焊缝的抗拉强度与各个非振动焊缝的抗拉强度进行比较的视图；
图13是根据本发明的一个方面，将振动焊缝的深度与非振动焊缝的深度进行比较的视图；
图14是根据本发明的一个方面的电池模块外壳的视图，其中所述电池模块外壳包括焊接前后的模内成型母线；以及
图15是根据本发明的一个方面的用于控制激光产生振动焊缝的方法的流程图的一个实施例。
具体实施方式
下文将描述一个或多个具体实施例。为简要描述这些实施例，本说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。应了解到，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多特定于实施方式的决定，以实现开发人员的具体目标，例如符合系统相关和业务相关的约束条件，这些约束条件可能会随实施方式的不同而有所不同。此外，应了解到，此类开发工作可能较为复杂并且耗时，但是尽管如此，这也应当是受益于本发明的普通技术人员在设计、制作和制造中的常规任务。
本文中所述的焊接技术可以用于电池系统中，所述电池系统向各种类型的电动车辆(xEV)和其他高压能量储存/消耗应用(例如，电网电力储存系统)提供电力。此类电池系统可以包括一个或多个电池模块，每个电池模块具有外壳以及布置在所述外壳内的若干电池单元(例如，锂离子(Li-ion)电化学电池单元)，以提供用于为例如，xEV的一个或多个部件供能的特定电压和/或电流。再如，根据本实施例的电池模块可以与固定式电力系统(例如，非机动车系统)设置成一体或者向其提供电力。
在电池模块的组装期间，单个电化学电池单元可以定位在电池模块的外壳内，并且电化学电池单元的端子(例如，次要端子或电池单元端子)可以大体上背离所述外壳延伸。要将所述电化学电池单元联接在一起(例如，串联或并联)，两个或更多个电化学电池单元的次要端子之间的电气路径可以通过经由相应的母线(例如，次要母线)联接次要端子对来建立。此外，两个所述电化学电池单元(例如，电池模块的任一端上或者一个或多个电化学电池单元堆的端部上)可以经由相应的主要母线，或者经由对应的主要母线组件电联接到电池模块的主要端子(例如，模块端子或者一次端子)，其中在传统配置中，所述主要端子配置成联接到负载以向所述负载提供电力，以确保所述主要端子及其相关的主要母线不会断开，所述主要端子和所述主要母线可以焊接在一起。遗憾的是，这些焊缝中的一些焊缝可能难以形成，或者可能由于材料性质而导致达不到最佳效果(例如，铜)。例如，特定焊接方法(例如，钨极惰性气体保护焊)可能足以产生强力连接，但是通常可能使用与导电材料不相容的焊接材料(例如，导致电化学效果)。此外，一些焊接方法对于电池模块中的特定连接而言通常过于不精确。此外，典型焊接过程可能出现飞溅，进而可能对特定电池模块部件产生负面影响(例如，导致电子设备短路)。
另一方面，激光焊接通常不需要额外的焊接材料，但是通常用于箔片(例如，相对较薄的工件，例如，小于0.5mm)。此外，由于功率密度约束、特定导电材料(例如，铜)的高反射性以及导电材料的高散热，激光焊接通常用途有限，现在可以认识到，可以执行本发明所公开的激光焊接技术以在厚度大于适当厚度的电池模块的特定导电(例如，铜)部件上形成强力、清洁的焊缝(例如，相对于其他激光焊接方法而言)。现在还可认识到，由于电子设备对飞溅敏感，因此所公开的技术可以特别适用于靠近电池模块的电子设备(例如，印刷电路板)的电池模块连接。
本发明所公开的焊接技术对铜部件特别适用和有效，但是还可以用于具有作为铜的替代或附加的其他材料的焊接部件，从而产生焊缝(例如，搭接焊缝)。此外，尽管下文以激光焊接铜为背景呈现论述，但是认为该工艺可以用于其他材料。现在可认识到，由于若干因素，包括铜的高反射性以及铜的高导热性以及铜部件的厚度，电池模块中的铜部件对于激光焊接而言可能特别困难。尽管存在此类阻碍，本实施例有利于将铜附接到铜。
要实现在电池系统部件之间产生强力的激光焊缝，本发明包括多个实施例，其中用于焊接工艺的激光提供相对较高功率和相对较小斑点尺寸(例如，激光发射入射到要焊接的一个或多个部件的相对较小斑点)，进而为相对较厚的部件提供适当的功率密度。例如，激光可以包括0.1到30兆瓦/平方厘米(“MW/cm2”)、0.5到25MW/cm2、1到20MW/cm2或5到18MW/cm2的功率密度。此外，激光可以具有0.01到20毫米(“mm”)、0.01到10mm、0.05到5mm或0.1到1mm的斑点尺寸。
在特定实施例中，与脉冲发射相反，激光发射可以是连续波发射，以使实现下述的恒定功率密度。由于激光所产生的斑点尺寸相对较小，因此激光焊接具有相对较高准确性和精度。但是，现在可认识到，尽管需要该准确性和精度，但是焊接区域还需要大于斑点尺寸。就此而言，本发明公开的焊接技术还可以使用激光发射的振动图案，以便如此产生的焊缝具有所需的尺寸。根据本发明的一个方面，激光发射(例如，连续波发射)沿一个方向振动(例如，沿第一轴向来回振动)，而所述发射沿另一个方向移动(例如，沿第二轴线从一侧向另一侧移动)。下文将进一步详述这些和其他特征。
为帮助说明，图1是车辆10的一个实施例的透视图，所述车辆可以利用包括本发明中所述的一个或多个焊缝的电池系统12。现在认识到，非传统电池系统12(例如，锂离子车辆电池)所需与传统车辆设计大部分兼容。就此而言，本实施例包括用于xEV和包括xEV的系统的各种类型的电池模块。此外，电池系统12可以设置在车辆10中可能容置传统电池系统(例如，标准12V铅酸电池)的位置处。例如，如图所示，车辆10可以包括电池系统12，所述电池系统定位在与燃烧发动机车辆的铅酸电池类似的位置处(例如，车辆10的发动机罩下方)。
图2中示出了电池系统12的更详细视图。如图所示，电池系统12包括储能部件14，所述储能部件联接到点火系统16、交流发电机18、车辆控制台20以及电动机22。通常，储能部件14可以捕集/储存车辆10中产生的电能，并且输出电能以向车辆10中的电气部件提供电力。此外，储能部件14可以输出电能以起动(例如，重新起动或重新点火)内燃机24。例如，在启-停应用中，要保存燃料，内燃机24可以在车辆10停止时怠速。因此，储能部件14可以在车辆10需要推进力时，提供能量以重新起动内燃机24。
因此，电池系统12可以向车辆电气系统的部件提供电力，这些部件可以包括散热器冷却风扇、气温控制系统、电动助力转向系统、主动悬架系统、自动泊车系统、电动油泵、电动增压器/涡轮增压器、电动水泵、加热挡风玻璃/除雾器、车窗升降电机、阅读灯、胎压监测系统、天窗电机控制器、电动座椅、警报系统、信息娱乐系统、导航特征、车道偏移警告系统、电动驻车制动器、外部灯或者它们的任何组合。在图示的实施例中，储能部件14向车辆控制台20和点火系统16提供电力，所述车辆控制台和点火系统可用于起动(例如，经曲柄起动)内燃机24。
此外，储能部件14可以捕集交流发电机18和/或电动机22产生的电能。在一些实施例中，交流发电机18可以在内燃机24运行时产生电能。具体来说，交流发电机18可以将内燃机24旋转所产生的机械能转换成电能。附加地或可替代地，当车辆10包括电动机22时，电动机22可以通过将车辆10移动(例如，车轮旋转)所产生的机械能转换成电能来产生电能。此外，在一些实施例中，在再生制动期间，储能部件14可以捕集交流发电机18和/或电动机22产生的电能。因此，交流发电机和/或电动机22在本文中通常称为再生制动系统。
为便于捕集和供应电能，储能部件14可以经由母线26电联接(例如，通过焊接)到车辆的电动系统。例如，母线26可以使得储能部件14能够接收交流发电机18和/或电动机22产生的电能。此外，母线26可以使得储能部件14能够向点火系统16和/或车辆控制台20输出电能。母线26可以经由一个或多个焊缝联接到储能部件14，如在本文中详述。
此外，如图所示，储能部件14可以包括多个电池模块。例如，在图示的实施例中，储能部件14包括锂离子(例如，第一)电池模块28和铅酸(例如，第二)电池模块30，所述电池模块各自包括一个或多个电池单元。此外，储能部件14可以包括任何数量电池模块，这些电池模块中的所有或一些电池模块可以包括使用本发明所公开的技术执行的焊缝。尽管锂离子电池模块28和铅酸电池模块30图示成彼此相邻，但是它们可位于车辆10周围的不同区域。例如，铅酸电池模块30可以定位在车辆10的内部中或者周围，而锂离子电池模块28可以位于车辆10的发动机罩下方。
在一些实施例中，储能部件14可以包括多个电池模块以利用多个不同的电池化学组成。例如，当使用锂离子电池模块28时，电池系统12的性能可以得到改进，因为锂离子电池化学组成通常具有相对于铅酸电池化学组成的更高库伦效率和/或更高的充电接收率(例如，更高的最大充电电流或充电电压)。因此，电池系统12的捕集、储存和/或分布效率可以得到改进。
为便于控制电能的捕集和储存，电池系统12还可以包括控制模块32(例如，电池管理系统)。更具体地说，控制模块32可以控制电池系统12中的部件的操作，例如储能部件14中的中继器(例如，开关)、交流发电机18和/或电动机22。例如，控制模块32可以调节每个电池模块28或30所捕集/供应的电能量(例如，对电池系统12降低定额和重新定额)、执行电池模块28和30之间的负载平衡，确定每个电池模块28或30的充电状态，确定每个电池模块28或30的温度，控制交流发电机18和/或电动机22所输出的电压，等等。
因此，控制单元32可以包括一个或多个处理器单元34以及一个或多个存储器部件36。更具体地说，一个或多个处理器单元34可以包括一个或多个专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一个或多个通用处理器或者它们的任何组合。此外，一个或多个存储器部件36可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器(RAM)和/或非易失性存储器，例如只读存储器(ROM)、光盘驱动器、硬盘驱动器或者固态驱动器。在一些实施例中，控制单元32可以包括车辆控制单元(VCU)的多个部分和/或单独的电池控制模块。此外，如图所示，锂离子电池模块28和铅酸电池模块30跨其端子并联连接。换言之，锂离子电池模块28和铅酸模块30可以经由母线26并联联接到(例如，经由焊接)到车辆的电气系统。
现在可以认识到，本发明所公开的激光焊接技术可以执行以在电池模块的特定导电(例如，铜)部件，例如，储能部件14中包括的部件上实现强力、清洁焊缝。现在还可认识到，由于电池模块的电子设备(例如，印刷电路板)对飞溅敏感，因此所公开的技术可以特别适用于靠近此类电子设备的电池模块连接。此外，现在可认识到，所公开的技术可用于焊接设置在塑料外壳中的电池模块的部件，而不会由于热暴露而损坏外壳。
图3是根据本发明的激光焊接系统48的一个实施例的方框图。如图所示，激光器50可以联接到激光执行器52，其中所述激光执行器沿一个或多个方向移动激光50和/或激光发射(例如，光束)54。例如，激光执行器52可以包括多个伺服机构、镜子等，它们配置成沿第一方向56以振动图案移动(例如，经由电流计)激光50和/或激光束54，同时沿第二方向58(例如，相对于第一方向横向，例如垂直)移动激光50和/或激光束54，例如，以产生正弦形图案60。例如，当激光执行器52包括镜子时，该镜子可以配置成经历角调整，以使激光束54沿第一方向56和/或第二方向58以振动图案移动。激光束的振动可以是直线来回移动，或者摇摆移动，同时工件移位，如下文相对于图5-8详述。在其他实施例中，激光束可以在焊接部件(例如，第一部件64和第二部件66)以同步方式移动的同时振动，从而产生振动图案。可以通过传送带、机器人执行器或者其一些其他执行机构实现工件的移动。
激光执行器52和激光器50可以通信地联接到控制器62，所述控制器旨在包括任何适当的控制装置或控制部件，例如一个或多个处理器单元68和一个或多个存储器部件70、可编程电路等。具体来说，一个或多个处理器单元68可以包括一个或多个专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一个或多个通用处理器或者它们的任何组合。此外，一个或多个存储器部件70可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器(RAM)和/或非易失性存储器，例如只读存储器(ROM)、光盘驱动器、硬盘驱动器或者固态驱动器。
在特定实施例中，控制器62可以控制激光执行器52、激光器50或这两者。例如，控制器62可以控制激光发射，同时通过激光执行器52监测和/或调整激光束64位置，以使得激光束64能够产生所需的振动图案。激光器50所产生的发射可以是脉冲发射，但是可能需要发射是连续波发射，从而使沿振动图案60的功率密度是一致的。在激光束54的移动导致其在振动期的一部分中更靠近第一部件64和/或第二部件66的表面的特定实施例中，控制器62还可以调整激光功率以与激光距离所述表面的距离变化相一致。
另外如图3中所示，锂离子电池模块28的第一部件64(例如，铜部件)和第二部件66(例如，铜部件)以部分重叠的关系设置成彼此相邻。也就是说，第一部件64的一部分与第二部件66的一部分重叠。激光束54的振动图案60指向电池模块的第一部件64和第二部件66的此重叠区域72内，以产生可被称之为振动激光搭接焊缝的焊缝。具体来说，激光束54可以指向第一部件64的表面上，其中该表面在重叠区域72内。
图3的焊接系统48可能在焊接电池模块28中的部件64和66时需要，因为焊接系统48可能比其他焊接技术更高效地分布热量，也就是说，部件64和66的温度未大幅升高。因此，当在由热敏材料(例如，塑料)构成的外壳中进行此类焊接时，需要从焊接部件64和66向外壳传递少量热量，以免对外壳造成任何损伤。此外，需要避免向电池模块外壳中存在的任何电子设备(例如，印刷电路板)大量传热，以避免损坏此类部件。图4中示出了典型电池模块28的分解图，其中包括外壳80和各个电子部件(包括经由根据本实施例的焊缝电联接的部件)。
如图4中所示，锂离子电池模块28可以包括集成在电池模块28的外壳80上或内的若干部件。当电连接(根据本实施例)时，这些部件中的一些部件协作，以在该模块的端子82处提供电气输出。例如，如图所示，多个电池单元84可以位于模块外壳80内，并且可以经由特定插入的导电部件之间的一系列物理连接电连接到模块端子82。可以考虑使得电池单元84能够电连接到模块28的端子82的各个互连以建立电气路径，该电气路径的性质可以取决于插入的导电部件的类型和数量。
如图4中所示，作为非限制性示例，建立电池单元84与模块端子82之间的电气路径的部件可以包括电池单元端子86、电池单元母线88、电缆90、端子母线92、中继母线94、中继连接器96、中继器98和模块端子82。例如，还可以建立额外的电气连接，以使印刷电路板(“PCB”)100上的控制模块能够监测和控制电池单元84和总体电池模块28的操作参数。如图所示，此类电气连接可以使用连接到PCB 100的分流器102，以及分流桥104建立。再者，这些特征是示例性的，并不视作限制本发明。电池模块28的这些特征可以根据本实施例联接在一起，并且可以一般表示为部件64和66。
特定焊接方法(例如，钨极惰性气体保护焊)可以足以产生导电部件之间的强力连接，但是可以一般性地采用焊接材料，因为该材料与导电材料相容，并且对于电池模块28中的特定连接而言可能过于不准确。此外，典型焊接过程可能出现飞溅，进而可能对特定电池模块部件(例如，印刷电路板100)产生负面影响。因此，可能需要图3的激光焊接系统48来焊接电池模块28的部件64和66。产生焊缝的激光50可以以各种方式振动，如本文参考图5-8所描述。
在整个图5-8的论述中，将参考一组轴线。这些轴线包括横向轴线110、纵向轴线112和垂直轴线114。横向轴线110从侧面向侧面延伸，纵向轴线112前后延伸，而垂直轴线114上下延伸。
在特定实施例中，可以通过激光50(例如，经由激光执行器52)沿横向轴线110直线来回移动来实现激光束54的振动，如图5中所示。可替代地，可以通过围绕纵向轴线112以摆动运动来旋转激光50来实现此振动，如图6中所示。在图5和图6中所示的实施例中，工件116(例如，堆叠部件64和66)也沿纵向轴线112移位。工件116可以经由由控制器62控制的传送带、机器人执行器或者一些其他执行机构(例如，工件执行器118)来移动。
更具体地说，在图5中，激光50沿横向轴线110以来回运动120的方式移动，而工件116沿纵向轴线112沿一个方向122同时移动。激光50和工件116的同时运动会在工件124的表面上产生正弦形或振动图案60。在特定实施例中，激光50和工件116的运动都可以由控制器62控制(例如，控制器62发送两个信号以产生振动图案60)。例如，控制器62可以向激光执行器52发送第一信号，以沿横向轴线110以来回运动120的方式移动激光。类似地，控制器62可以向工件执行器118发送第二信号，以沿方向122，沿纵向轴线112移动工件。在其他实施例中，系统48可以包括两个控制器，一个用于控制激光50的运动，另一个用于控制工件116的移动。
在图6中，激光50配置成围绕纵向轴线112旋转，但是沿横向轴线110保持静止在点130处。例如，激光可以围绕纵向轴线112摆动运动132，以使激光束54沿横向轴线110指向工件表面124的不同位置，但是激光50保持固定在点130处(例如，不围绕横向轴线110移动)。此类配置可比图5中所示的实施例使用更少的移动零件。
在其他实施例中，振动图像60可以通过仅移动激光50来产生。实际上，如图7中所示，激光50可以具有产生围绕纵向轴线112的摆动运动的第一枢轴132以及产生围绕横向轴线110的摆动运动的第二枢轴134。在特定实施例中，当激光50配置成围绕横向轴线110和纵向轴线112旋转时，激光束54的强度在沿工件116的表面124的特定位置处的强度可能大于其他位置。沿工件116的表面采用相同强度的激光束54可能产生不一致的焊缝，因为激光50与工件116的表面124之间的距离不断变化。因此，控制器62可以配置成调整激光束54的功率，以使激光束54的外加强度沿工件116的整个表面124是一致的。图7中所示的实施例可能是有利的，因为它仅使用激光执行器52来围绕横向轴线110和纵向轴线112旋转激光50。但是，在其他实施例中，可以使用两个执行器，一个围绕横向轴线110旋转激光50，另一个围绕纵向轴线112旋转激光。
图8示出了所公开的焊接系统48的一个实施例，其中激光50和激光束54保持固定，并且工件110移动以在工件表面124上形成振动图案60。在特定实施例中，激光50和激光束54可以保持沿横向轴线110、纵向轴线112和垂直轴线114完全固定。因此，工件116可以通过工件执行器118沿横向轴线110以来回运动136的方式移动并且沿纵向轴线112沿方向122移动，以产生振动图案60。例如，工件116可以同时沿横向轴线110以来回运动136的方式移动，并沿纵向轴线112沿方向122移动，以形成振动图案60。在特定实施例中，控制器62可以向两个工件执行器发送信号，其中一个执行器沿横向轴线110以来回运动136的方式移动工件，并且另一个沿方向122沿纵向轴线112移动工件。
应注意，在特定实施例中，焊接系统48可以配置成围绕纵向轴线112和横向轴线110以摆动运动的方式移动激光50，同时沿横向轴线110和沿纵向轴线112移动同时移动工件116。在其他实施例中，焊接系统48可以包括围绕纵向轴线112、围绕横向轴线110或者围绕纵向轴线112和横向轴线110二者移动激光50，和/或者沿横向轴线110、沿纵向轴线112或者沿横向轴线110和纵向轴线112二者移动工件116的任何组合。
图9图示了激光50沿横向轴线110的振动图案(例如，来回运动)以及工件116沿纵向轴线112的移位的一个实施例的视图138。在图9中，下部图140以图形形式示出了激光束54沿横向轴线110的振动移动，其中Y轴142表示激光束54相对于横向轴线110的位置，并且X轴144表示时间。在特定实施例中，振动的波长146可以大约是振动幅度148(例如，振幅的0.95到1.05倍)。已发现，此类振动图案能够使足够的能量重叠沉积在工件116中，以沿纵向轴线112产生连续焊缝。此外，图9的上图150示出，激光束54或工件116沿纵向轴线112具有恒定位移，其中Y轴152表示激光束54或者工件116相对于纵向轴线112的位置，并且X轴144表示时间。
此外，相对于使用直接焊接轨迹(例如，非振动光束)产生的焊缝而言，振动图案60可以产生光束54振动方向上的熔合宽度较大的焊缝。参见图10可以进一步了解这点，其中图10中示出了焊接铜部件的实际示例。具体来说，图10示出使用直接焊接轨迹产生的焊缝161的截面160，其中激光束不振动。为进行比较，图10还示出根据本发明的一个方面的使用光束振动产生的焊缝163的截面162。在特定实施例中，所公开的焊接系统可以产生厚度在从1000微米到2000微米(“μm”)的焊缝。图10中所示的焊缝161和163使用进入焊缝中的相同能量输入量产生。但是，如图所示，振动焊缝163的厚度是传统焊缝161的两倍以上(例如，约1568微米与约737微米)。
此外，使用本发明公开的技术产生的焊缝可以大体上均匀，并且抗拉强度大于其他焊接技术。图11示出具有与各种传统(例如，非振动)焊缝172并排布置的振动焊缝170的铜工件116，以进行比较。从图中可以看出，根据本发明的技术产生的振动焊缝170更连续，这可能是因为相对于传统焊缝172而言，相同量的能量耗散到较大区域中。具体来说，振动焊缝170使用与传统焊缝172相同的能量，但是，由于激光束54振动，能量分布更均匀，并且针对光束输出波动、材料成分梯度和其他潜在错误(例如，操作员错误)，其操作净空更大。
另外还发现，振动焊缝的抗拉强度大于传统非振动激光焊缝。据信，这至少部分是由于相对于直线焊接轨迹而言，振动图案所能实现的焊接厚度较大。如图12中所示，振动焊缝180在受热影响区域的边缘处的父材料处失效,而传统焊缝182在焊缝处失效。更具体地说，最左焊缝180(振动焊缝)以每秒65毫米(mm)的焊接速率(具有振动)产生，而传统焊缝182以65mm/秒焊接速率、80mm/秒焊接和100mm/秒焊接速率产生。如图所示，传统焊缝182的较缓慢焊接速率产生强度高于较迅速焊接速率的焊缝，但是仍然远远低于振动焊缝180的强度。图12中所示的所有焊缝180和182以相同的激光斑点尺寸和激光功率产生。在特定实施例中，使用所公开的焊接系统产生的振动焊缝可以承受多至1000牛顿(“N”)、2000N、3000N或3000N以上的拉力。
即便振动焊缝180的强度高于传统焊缝图案182，由于相对于传统技术而言，能量更均匀地沉积在焊接部件中，因此，穿过焊缝部件的热渗透较少。实际上，在特定实施例中，穿过焊缝的底部部件(即，与激光束不接触的部件)。的热渗透较少或者不存在
图13示出振动焊缝190的渗透深度(例如，热渗透深度)与传统焊缝192的渗透深度相比的差异。图13示出振动焊缝190和传统焊缝192的顶视图191以及底视图193。如图所示，顶视图191示出焊缝190和192的焊接表面(例如，其中激光束54与焊接部件64和/或66接触)。此外，底视图193示出与激光束54不接触的焊接部件的表面(例如，搭接焊缝的底部部件)。在振动焊缝190中，激光束54不渗透第二(例如，底部)部件194，而在传统焊缝192中，激光束54不渗透第二(例如，底部)部件196。
如图13所示，使用所公开的技术产生的焊缝190的热渗透极少或者不存在，这对于底部(例如，第二)部件194是模内成型到电池模块28的外壳80中、附接到敏感电子设备(例如，PCB 100)的情况或者类似情况而言至关重要。也就是说，与振动焊缝190的产生相关的过程可能对电池模块28的其他部件的损害小于与传统焊缝192相关的过程。振动焊缝190与非振动焊缝192相比，还可能具有较低电阻。例如，如图13中所示，传统焊缝192包括由于集中能量沉积的局部区域，激光束和热量完全渗透焊接的部件196的区域。这些区域的导电性较小，例如，因为焊缝的形态不连续。因此，根据本发明使用振动焊接图案190产生的焊缝形态更混匀，焊缝厚度更大，因此可产生相对于使用相同材料和激光功率参数的非振动焊缝192而言，较低电阻的焊缝。
图14中示出了电池模块28的焊缝195的示例配置。图14包括示出在形成焊缝195之前，包括铜模内成型端子母线92的外壳80(例如，由塑料材料制成)的第一方框图197。在方框198中，母线92和PCB 100可以设置在外壳80中，并且焊缝195可以形成以建立部件(例如，母线92、PCB 100和电池端子86和模块端子82)之间的各个电气连接。第二方框图199示出外壳80中的最终焊缝195。本发明所公开的技术使焊缝195能够执行，即便焊接部件设置在外壳80中，以使对外壳80造成的损害极少或不存在。本发明所公开的焊接技术将能量从激光束54均匀地分布到部件各处，从而将最少热量传递到外壳80。因此，焊剂技术可以在外壳80内执行，而不会由于飞溅对其他电子设备造成损坏。
图15示出用于控制激光器50产生振动图案60的方法的流程图200的一个实施例。在方框202中，控制器62可以向激光执行器52发送信号，以引导激光器50以便将激光束54发射到第一电池模块部件64的第一表面上。例如，控制器62可以指示执行器闭合电路，以向激光器50供电，从而使激光器50能够发射激光束54。在方框204中，控制器62可以向激光执行器52发送信号，以沿第一电池模块部件64的第一表面以振动图案60移动激光束54。因此，在方框206中，激光束54沿电池模块部件的第一表面移动，以将第一电池模块部件64焊接到第二电池模块部件66(例如，通过搭接焊接)。在特定实施例中，控制器62配置成调整激光束54的功率密度。例如，当激光束54的移动导致其在振动期的一部分中更靠近第一部件64和/或第二部件66的表面时，控制器62可以调整激功率密度以与激光距离表面的距离变化一致。
在特定实施例中，第一电池模块部件64具有抵靠第二电池模块部件66的第三表面设置的第二表面。因此，当激光束54与第一电池模块部件64的第一表面接触时，第一电池模块部件的温度升高。可以从第一电池模块部件64的第一表面向第一电池模块部件64的第二表面传热。此外，可以从第二电池模块部件66的第三表面传热，以使第二电池模块部件66的温度也升高。第一电池模块部件64的第二表面和第二电池模块部件66的第三表面随后可以由于温度的升高而彼此附着，从而形成焊缝。
在特定实施例中，激光执行器52可以沿横向轴线110并且沿纵向轴线112来回移动激光束54。在其他实施例中，控制器62可以同时向工件118发送第二信号，指示工件执行器118移动工件。例如，工件执行器118可以经由传送装置，沿纵向轴线移动工件116。在另外的实施例中，控制器62可以仅向工件执行器118发送信号。例如，工件118可以配置成沿横向轴线110并且沿纵向轴线112同时来回移动工件116。在特定实施例中，激光束可以以50mm/秒到150mm/秒的速度沿第一电池部件64的第一表面移动。
一个或多个所公开的实施例可以单独或组合在一起提供一个或多个技术效果，包括能够制造具有较长生命周期、较少重量和较小尺寸但是与铅酸电池模块的功率输出相当的电池模块。此类电池模块可以减少xEV的重量并且提高燃料效率。说明书中的技术效果和技术问题仅为示例性的，但是并非限制性的。应注意，本说明书中所述的实施例可以具有其他技术效果，并且可以解决其他技术问题。
上文已经以示例方式描述上述具体实施例，但是应了解，这些实施例可以进行各种修改和替代。应进一步了解，权利要求书并非旨在限于所公开的特定形式，而是涵盖属于本发明的精神和范围内的所有修改、等效内容和替代内容。

Claims (29)

1.一种用于焊接电池模块中的两个部件的系统，所述系统包括：
激光源，所述激光源配置成向包括第一电池模块部件和第二电池模块部件的工件上发射激光束；
执行器，所述执行器联接到所述激光源并且配置成沿第一轴线和第二轴线移动所述激光束；以及
电联接到所述激光源和所述执行器的控制器，其中所述控制器配置成向所述激光源和所述执行器发送信号，以在所述工件的表面上形成正弦形搭接焊缝，以使所述第一电池模块部件电联接到所述第二电池模块部件。
2.根据权利要求1所述的系统，其包括所述第一电池模块部件和所述第二电池模块部件是铜部件。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器配置成在所述激光束沿所述第一轴线、所述第二轴线或者这两者移动时调整所述激光束的功率。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光执行器包括镜子，并且配置成通过调整所述镜子的角度来沿所述第一轴线和所述第二轴线移动所述激光束。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述执行器配置成通过围绕所述第一轴线和所述第二轴线以摆动运动的方式旋转所述激光来沿所述第一轴线和所述第二轴线移动所述激光束。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述执行器配置成通过沿所述第一轴线和所述第二轴线移动所述激光源来沿所述第一轴线和所述第二轴线移动所述激光束。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光源配置成发射作为连续波的所述激光束。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光源配置成发射作为脉冲发射的所述激光束。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光源包括0.1到30兆瓦/平方厘米(“MW/cm2”)的功率密度以及0.01到20毫米(“mm”)的斑点尺寸。
10.根据权利要求1所述的系统，其包括所述工件的所述表面是所述第一电池部件与所述第二电池部件之间的重叠区域。
11.根据权利要求1所述的系统，包括所述第一电池部件和所述第二电池部件配置成建立所述电池模块与负载之间的电气连接。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光束以50到150毫米/秒(mm/sec)的速度沿所述第一轴线移动。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述正弦形搭接焊缝的波长在所述正弦形搭接焊缝的振幅的0.95到1.05倍内。
14.根据权利要求1所述的系统，其包括所述正弦形搭接焊缝配置成承受3000牛顿(“N”)的力。
15.根据权利要求1所述的系统，其包括所述正弦形搭接焊缝具有1000到2000微米(“μm”)的厚度。
16.一种用于焊接电池模块中的两个部件的系统，所述系统包括：
激光源，所述激光源配置成发射激光束；
第一执行器，所述第一执行器联接到所述激光源并且配置成沿第一轴线、第二轴线，或者沿所述第一轴线和所述第二轴线二者移动所述激光束；
第二执行器，所述第二执行器配置成沿所述第一轴线、所述第二轴线或者沿所述第一轴线和所述第二轴线二者移动工件，其中所述工件包括第一电池模块部件和第二电池模块部件；以及
控制器，所述控制器电联接到所述激光源、所述第一执行器、所述第二执行器或者它们的任何组合，其中所述控制器配置成向所述激光源、所述第一执行器、所述第二执行器或者它们的任何组合发送信号，以在所述工件的表面上形成正弦形搭接焊缝，以使所述第一电池模块部件电联接所述第二电池模块部件。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述第二执行器包括传送装置或者机器人执行器。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述第一执行器配置成沿所述第一轴线来回移动所述激光，并且所述第二执行器配置成沿所述第二轴线移动所述工件。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述第一电池模块部件和所述第二电池模块部件包括铜。
20.一种用于焊接电池模块中的两个部件的方法，所述方法包括：
将来自激光源的激光束指向所述电池模块的第一导电部件的第一表面，所述第一表面与所述第一导电部件的第二表面相对设置，其中所述第二表面抵靠所述电池模块的第二导电部件的第三表面设置；以及
沿所述第一导电部件的所述第一表面以振动图案经由执行器移动所述激光束，以将所述第一导电部件焊接到所述第二导电部件。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一导电部件和所述第二导电部件包括铜。
22.根据权利要求20所述的系统，其中所述激光束以50到150毫米/秒(mm/sec)的速度沿所述第一表面移动。
23.根据权利要求20所述的系统，其中所述振动图案的波长在所述振动图案的振幅的0.95到1.05倍内。
24.根据权利要求20所述的方法，其中所述执行器包括镜子，并且所述执行器配置成通过调整所述镜子的角度来移动所述激光束。
25.一种电池模块，包括：
外壳；
设置在所述外壳内的锂离子电池单元；
电池模块端子，所述电池模块端子经由电气路径电连联到所述锂离子电池单元，其中所述电池模块端子配置成当联接到电气负载时，提供所述电池模块的电气输出，其中所述电气路径包括第一导电部件和第二导电部件；
搭接焊缝，所述搭接焊缝将所述第一导电部件和第二导电部件彼此电联接，其中所述搭接焊缝根据激光焊接工艺产生，其中所述激光焊接工艺包括：
将来自激光源的激光束指向所述第一导电部件的第一表面，所述第一表面与所述第一导电部件的第二表面相对设置，其中所述第二表面抵靠所述第二导电部件的第三表面设置；以及
沿所述第一导电部件的所述第一表面以振动图案移动所述激光束，以将所述第一导电部件焊接到所述第二导电部件。
26.根据权利要求25所述的电池模块，其中所述搭接焊缝配置成承受3000牛顿(“N”)的力。
27.根据权利要求25所述的电池模块，其中所述第一电池部件包括电池单元端子、电池单元母线、电缆、端子母线、中继母线、中继连接器、中继器或者模块端子。
28.根据权利要求25所述的电池模块，其中所述第一电池模块和所述第二电池模块包括铜。
29.根据权利要求25所述的电池模块，其中所述搭接焊缝包括1000到2000微米(“μm”)的厚度。
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