Optimisation du soudage par points par micro-résistance pour les languettes de batterie Li-ion 18650 dans les applications de véhicules électriques

Avec la popularité croissante des véhicules électriques (VE), la demande de batteries performantes et fiables ne cesse de croître. L'un des principaux défis de leur fabrication est d'assurer des connexions solides et durables entre les languettes en nickel et les cellules lithium-ion cylindriques 18650. Dans ce contexte, le soudage par points par micro-résistance (micro-RSW) s'est imposé comme une technique d'assemblage économique et évolutive, particulièrement adaptée aux applications de faible à moyenne série, telles que les vélos et scooters électriques.

Pourquoi le soudage par points par micro-résistance ?

- Faible coût d'investissement et de maintenance
- Le chauffage localisé réduit les dommages thermiques
- Fournit une liaison mécanique solide
- Faible résistance de contact électrique pour une conduction efficace du courant

Conception expérimentale

Les chercheurs ont soudé des languettes en nickel de 0,2 mm d'épaisseur à des bornes Hilumin de 0,3 et 0,4 mm d'épaisseur en utilisant une configuration d'électrodes en série. Une combinaison de plans de Taguchi et d'expériences factorielles complètes a été utilisée pour analyser systématiquement les effets de paramètres tels que le courant et le temps de soudage, ainsi que la force exercée sur l'électrode.

Principales conclusions

- Le courant de soudage et le temps de soudage ont été identifiés comme les paramètres les plus critiques affectant la résistance des joints.
- Paramètres de processus optimaux :
- Pour Hilumin 0,3 mm : 1 800 à 2 000 A, 8 à 12 ms
- Pour Hilumin 0,4 mm : 1 900 à 2 100 A, 8 à 12 ms
- Le soudage à quatre pépites améliore considérablement les performances mécaniques et électriques.
- Un apport d'énergie plus élevé améliore la résistance des joints, mais doit être soigneusement géré pour éviter les éclaboussures ou la dégradation du matériau.

Tableau de données : Charge maximale sous différents paramètres (0,3 mm Hilumin)

Données sur la résistance électrique et l'élévation de température

Optimisation des processus et pertinence industrielle

L'optimisation des paramètres de micro-soudage par points par résistance (micro-RSW) n'est pas un simple exercice théorique : elle a des conséquences pratiques pour les fabricants de batteries. Dans la production à grande échelle de batteries pour véhicules électriques, même de légères améliorations de la qualité de soudure peuvent se traduire par des gains substantiels en termes d'efficacité énergétique, de durée de vie et de sécurité. Un réglage précis du courant et du temps de soudure garantit une intégrité constante des joints sur des milliers de cellules, évitant ainsi l'accumulation de résistances internes ou les points chauds thermiques.

Comparaison avec d'autres techniques de soudage

Bien que le soudage laser et le soudage par ultrasons soient également utilisés pour la connexion des languettes de cellules, le micro-RSW se distingue par sa simplicité, sa rentabilité et son équipement minimal. Le soudage laser, par exemple, nécessite un investissement plus important et peut entraîner une pénétration thermique plus profonde, susceptible d'affecter les composants sensibles de la batterie. Le soudage par ultrasons est limité par l'épaisseur du matériau et la complexité du montage mécanique. En revanche, le micro-RSW offre un apport de chaleur localisé, un temps de cycle rapide et une mise en œuvre évolutive, idéal pour des applications telles que les scooters électriques, les outils électriques et les véhicules électriques légers.

Considérations matérielles

Le choix de matériaux adaptés est crucial pour un soudage efficace. Le nickel est privilégié en raison de sa conductivité électrique élevée, de son excellente résistance à la corrosion et de sa compatibilité avec les bornes en acier comme l'Hilumin. Cependant, les différences de conductivité thermique et de points de fusion entre métaux différents peuvent entraîner des problèmes tels qu'une formation irrégulière de pépites ou une propagation de fissures. L'utilisation, dans cette étude, de languettes en Ni de 0,2 mm avec des bornes en Hilumin de 0,3/0,4 mm offre un équilibre parfait entre résistance, conductivité et fabricabilité.

Gestion thermique des packs de batteries

L'une des principales préoccupations lors de la conception des batteries de véhicules électriques est la génération de chaleur lors du fonctionnement à courant élevé. Une soudure de mauvaise qualité peut entraîner une augmentation de la résistance électrique à l'interface languette-borne, provoquant un échauffement par effet Joule. Comme observé dans cette étude, la température des joints peut dépasser 60 °C sous un courant continu de 30 A, ce qui dépasse la limite de sécurité de fonctionnement (~45 °C) pour la plupart des batteries Li-ion. Par conséquent, la compréhension du comportement thermique des soudures est essentielle pour concevoir des systèmes de gestion thermique efficaces dans les modules de batterie.

Modes de défaillance et évaluation de la qualité

Des essais mécaniques tels que le cisaillement par recouvrement et le pelage à 90° permettent de mieux comprendre la résistance des assemblages et les mécanismes de rupture. La rupture interfaciale se produit généralement dans les assemblages sous-soudés, tandis que les soudures bien réalisées tendent à présenter une rupture par arrachement, signe d'une liaison métallurgique plus solide. La microscopie en coupe révèle également la formation de pépites et toute déformation des tôles terminales. Cette approche de contrôle non destructif et destructif garantit l'utilisation de soudures robustes et fiables en production.

Implications pour la recherche future

Avec l'évolution constante de la technologie des batteries, notamment avec l'émergence des batteries à semi-conducteurs, des conceptions sans table et des plateformes haute tension, les techniques d'assemblage devront s'adapter. Le micro-RSW reste une méthode viable, mais peut nécessiter l'intégration de systèmes de contrôle intelligents, une surveillance en temps réel, voire des algorithmes d'apprentissage automatique pour ajuster dynamiquement les paramètres de soudage. De plus, l'exploration d'alliages avancés, de pattes composites et de revêtements alternatifs peut optimiser davantage la fiabilité des soudures.

Considérations relatives à la durabilité et au cycle de vie

Un soudage fiable garantit non seulement la performance du produit, mais aussi sa durabilité à long terme. Les batteries dont les soudures sont toujours solides sont moins sujettes aux pannes prématurées, ce qui réduit la fréquence des remplacements et les déchets électroniques. De plus, une batterie bien assemblée est plus facile à recycler, car des systèmes de démontage automatisés peuvent être programmés pour cibler des zones de soudure uniformes. Le micro-RSW optimisé répond ainsi aux objectifs de performance et d'environnement des systèmes énergétiques modernes.

Conclusion réitérée

Cette étude approfondie réaffirme l'importance de l'optimisation des paramètres du micro-RSW pour les cellules Li-ion cylindriques. En se concentrant sur la conception des procédés, le choix des matériaux, l'intégrité mécanique et le comportement thermique, les fabricants peuvent améliorer considérablement la fiabilité des batteries des véhicules électriques. Face à la croissance du marché des véhicules électriques, l'adoption de solutions de soudage robustes et évolutives comme le micro-RSW sera essentielle pour maintenir la qualité à grande échelle.