Best Practice Leitfaden Batterie bonden

F&S BONDTEC - Know-How - Best Practice Leitfaden Batterie bonden

Best Practice Leitfaden Batterie bonden

Die Ultraschall Drahtbonder von F&S BONDTEC bieten die flexibelste und vorteilhafteste Verbindungstechnik für Batteriezellen in der Batteriepackproduktion. In diesem Best-Practice-Leitfaden zeigen wir, was für die erfolgreiche Herstellung von Akkus mithilfe der Ultraschall-Drahtverbindungstechnologie wichtig ist.

In der Industrie besteht ein zunehmender Bedarf an einem zuverlässigen Verfahren zum sicheren Verbinden von Lithiumbatteriezellen anstelle des Punktschweißens. Aufgrund der unterschiedlichen geometrischen Formen der Zellen sowie des zusätzlich erforderlichen Batteriemanagementsystems (BMS) ist eine hohe Flexibilität bei der Zellverbindung erforderlich. Hohe Qualitätsanforderungen der Hersteller runden das Anforderungsprofil ab.

Durch unser Produktportfolio und Know-how beim Bonden und Testen bietet F&S BONDTEC alles, was für eine qualitative und dauerhafte Drahtverbindung zwischen den Zellen erforderlich ist. Um höchste Verbindungsqualität zu erzielen, haben wir verschiedene Parameter identifiziert, die bei der Herstellung eines Batteriepacks berücksichtigt werden müssen. Mit unserem Angebot an Bond-Testern können gleichzeitig Qualitätsstandards überprüft werden.

Vorbereitung

  • Befestigung

Abhängig von der Form des Batteriepacks oder der Anordnung der Zellen können verschiedene mechanische Befestigungsformen gewählt werden. Was für den Bondingprozess besonders wichtig ist, ist die feste Halterung der Zellen während des bondens. Beim Prototypenbau wird für das Gehäuse häufig 3D-Druck (vgl. Abbildung 1) verwendet, obwohl auch andere Halterungen möglich sind. Für die Serienproduktion werden gefräste Gehäuse oder Kunststoffspritzguss verwendet.

Abbildung 1: 3D gedrucktes Batteriepackgehäuse AGH Racing

Beim Drahtbonden werden derzeit zwei verschiedene Formen der Verbindung von zylindrischen Zellen verwendet. Beide Methoden haben unterschiedliche Eigenschaften.

Verbindung von Zelle zu ZelleVerbindung von Zelle zu Stromschiene
Mit Draht oder BändchenMit Draht oder Bändchen
Begrenzung der Stromkapazität des Drahtes oder BändchensStrom begrenzt durch Drahtgröße, mehrere Drähte möglich
Ströme bis zu 20 A pro Draht (genaue Spezifikation siehe Drahtdatenblätter)Schiene passend für Ströme gemacht
Anschlüsse auch an der Zellenendkante für Minuspol möglichAnschlüsse auch an der Zellenendkante für Minuspol möglich
Höhere Ströme durch mehrere Drähte möglich

Tabelle 1: Vergleich Drahtverbindung von Zelle zu Zelle und von Zelle zu Stromschiene

  • Qualitätsstandards

In Zusammenarbeit mit unserem Partner BOND IQ GmbH haben wir folgende Qualitätsstandards identifiziert:

  • DVS-2811
  • MIL-883
  • AEC-Q100/006
  • ASTM
  • JEDEC
  • IEC
  • IPC

Wie im DVS-2811 angegeben [DVS-2811 S. 2-15] wird dringend empfohlen, einen automatisierten Verbindungstest mit automatisierter Winkelkorrektur der Drahtverbindungen, direkt an den vollständig gebondeten Batteriepacks durch zu führen.

F&S BONDTEC wird in Kürze einen vollständigen Best-Practice-Leitfaden zum Testen von Batteriepacks veröffentlichen.

  • Sauberkeit

Es wurde festgestellt, dass die Batteriekontakte auch im Neuzustand verunreinigt sein können. Das Reinigen mit Aceton ist in einer industriellen Umgebung nicht praktikabel. In einer Reihe von Tests haben wir verschiedene Methoden getestet, die gute Ergebnisse hinsichtlich der Bondbarkeit liefern. Die besten Ergebnisse liefern die folgenden zwei Reinigungsmethoden:

  • CO2 Reinigung

Die CO2-Reinigung ist eine kostengünstige Methode zur Reinigung von Oberflächen. Die Intensität kann so gewählt werden, dass die Oberfläche gereinigt, aber nicht angegriffen wird. Im Vergleich zur Laserreinigung ist die Implementierung einfacher und kostengünstiger. In Abbildung 2 sehen Sie eine schematische Darstellung des Reinigungsvorganges.

Abbildung 2 - Schematische Darstellung CO2 Reinigung
Abbildung 2 - Schematische Darstellung CO2 Reinigung (Quelle: ACP Systems AG)
VorteileNachteile
+ Einfach zu bonden- Lärm
+ Keine Veränderung der Oberfläche- Statische Aufladung

Tabelle 2: Vor- und Nachteile CO2-Reinigung

Abbildung 3 - Bondpad vor CO2 Reinigung
Abbildung 3 - Bondpad vor CO2 Reinigung (Quelle: ACP Systems AG)
Abbildung 4 - Bondpad nach CO2 Reinigung
Abbildung 4 - Bondpad nach CO2 Reinigung (Quelle: ACP Systems AG)
  • Laser Reinigung

Vor dem Bonden wird die Oberfläche mit einem Laser abgetastet. Um einen vernünftigen Leistungsbereich zu finden, wird die Laserleistung schrittweise reduziert, beginnend mit 50%. Der Laserstrahl kann auch leicht defokussiert sein, was zu einer effektiven Vergrößerung der pro Impuls getroffenen Fläche und damit zu einer Verringerung der Energiedichte führt.

VorteileNachteile
+ Einfach zu bonden- Spannungsrisse in der Oberfläche
+ Reinigung kann punktuell durchgeführt werden

Tabelle 3: Vor- und Nachteile Laser-Reinigung

Abbildung 5 - Oberfläche vor Laser Reinigung
Abbildung 5 - Oberfläche vor Laser Reinigung
Abbildung 6 - Oberfläche nach Laser Reinigung
Abbildung 6 - Oberfläche nach Laser Reinigung

BONDEN

Eine Vorbereitung der Zellen ist für ein qualitativ hochwertiges Bondergebnis unerlässlich. Der eigentliche Bondprozess muss ebenfalls korrekt konfiguriert werden.

  • Bonddraht

Die Drahtlieferanten empfehlen weniger duktilen Draht. Man sollte keinen zu weichen Bonddraht im Vergleich auf die härtere elektrolytische Nickeloberfläche der Zelle verwenden.

  • Bondparameter

Da sich ein Batteriepad grundlegend von einer Leiterplatte unterscheidet, müssen die Bondparameter angepasst werden. Batteriepads verhalten sich sowohl beim Bonden als auch beim BAMFIT-Test anders als die Oberfläche aus vernickeltem Stahl. Die Generatorleistung und die US-Leistung müssen in der Regel deutlich erhöht werden.

Beispiel:

  • 18650-Zellen
  • Bonddraht: 400 µm Al-H11
  • BAMFIT

Die Bondparameter dieses Tests finden Sie in den entsprechenden Screenshots:

Abbildung 7: Software Screens
Abbildung 8: Software Screens
  • Loops

Nachdem der erste Bond hergestellt wurde, bewegt sich das Bondtool entlang eines definierten Musters, um eine Schleife (Loop) mit der gewünschten Höhe und Länge zu bilden. Die Flexibilität bei der Form des Loops ist ein zusätzlicher Vorteil, insbesondere wenn das Batteriegehäuse entsprechend ausgelegt ist, können so Vorteile in Bezug auf die Haltbarkeit des Batteriepacks entstehen.

Die Drähte sind auch in viele Richtungen flexibel und können daher Fehlanpassungen zwischen verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten besser verarbeiten als andere Verbindungstechnologien.

  • Mustererkennung

Für die Platzierung der Maschine ist eine moderne Mustererkennungseinheit (PRU) erforderlich. Eine solche PRU ermöglicht es den Verbindungsbereich genau zu identifizieren der erforderlich ist um ein optimales Ergebnis zu erzielen (vgl. Abbildung 9).

Abbildung 9: Bond Bereich
Abbildung 9: Bond Bereich
Abbildung 10: Flexibilität in der Drahtführung
Abbildung 10: Flexibilität in der Drahtführung
  • Batterie Management System

Eine weitere wichtige Komponente ist das Battery Management System (BMS). Es gibt verschiedene Möglichkeiten das BMS auf einem Batteriepack zu positionieren (eine Art der Platzierung ist direkt auf den Zellen). Durch die Flexibilität bei der Drahtführung (vgl. Abbildung 10) hat man noch mehr Möglichkeiten beim Ausbalancieren der Zellen. So kann der Ladevorgang der Zellen optimiert werden.

Maschinen

Die Drahtbonder von F&S BONTEC sind flexibel in ihren Anwendungen und bieten höchste Qualität. Dank jahrelanger Erfahrung und bewährter Technologien, können die Mitarbeiter von F&S BONDTEC stets die hohen Anforderungen ihrer Kunden erfüllen. Abhängig von der Größe des Batteriepacks benötigen Sie eine Maschine, die die erforderlichen Verfahrwege für das Batteriepack zurücklegt. In Abbildung 11 sehen Sie die unterschiedlichen Verfahrwege unserer Maschinen:

Abbildung 11: Verfahrwege von F&S BONDTEC Drahtbonder
Abbildung 11: Verfahrwege von F&S BONDTEC Drahtbonder

Zusammenfassung

Gegenwärtig gibt es verschiedene Verfahren zum Verbinden von zylindrischen Zellen mit einem Batteriepack. Punktschweißen, Laserschweißen und Drahtbonden sind die gängigsten Verbindungsmethoden auf dem Markt. Wir glauben jedoch, dass Ultraschall-Drahtbonden aufgrund seiner Flexibilität und hohen Verbindungsqualität die beste und zugleich günstigste Technologie ist.

Prozessunterstützung: Wir unterstützen Sie bei der Entwicklung und Implementierung Ihrer individuellen Prozessanforderungen bei der Herstellung Ihrer Batteriepacks.

Finden Sie bei uns den richtigen Drahtbonder für Ihre Batteriepacks! Rufen Sie uns an unter +43 (0) 7722 67052 8270 oder senden Sie uns Ihre Anfrage unter info@fsbondtec.at.

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