Quelles solutions de connexion de cellules batterie choisir pour sa production ?

Évolution et adaptation dans la connectique de batterie pour l’e-mobilité

Avec l’avancée rapide de l’e-mobilité, les exigences en matière de connectique de batterie évoluent constamment, créant un environnement propice à l’innovation. Cet article, tout en reconnaissant l’importance du câblage de masse dans les Giga factories, se concentre sur des solutions plus adaptées aux productions mixtes et de moyenne envergure.

Nous allons explorer trois méthodes pour connecter les cellules de batterie : le wire bonding ultrasonique, le soudage ultrasonique (Smart Welding) et le soudage laser. Chacune de ces techniques, bien que distincte dans son approche, vise à atteindre un contrôle précis du processus et une traçabilité fiable, des aspects indispensables dans le monde technologique actuel. Elles se démarquent par leur flexibilité et leur aptitude à répondre aux exigences diversifiées des productions modernes.

Cette analyse a pour but d’évaluer ces technologies en les plaçant dans un cadre de décision adapté à des situations spécifiques, comme celles rencontrées par les équipes de conception ou dans le cadre d’une stratégie d’entreprise. Cette approche offre une perspective éclairée pour déterminer la solution la plus adaptée, se détachant des contraintes habituelles des grandes productions uniformes.

Ce qu’il faut retenir :

1. Diversité des Techniques de Connexion – Explorez wire bonding ultrasonique, soudage ultrasonique et soudage laser pour des besoins de production variés.
2. Adaptabilité et Précision du Wire Bonding – Idéal pour les prototypes, petites et moyennes séries, offrant flexibilité et précision.
3. Efficacité du Soudage Ultrasonique – Sécurisé et efficace pour les connexions à haute capacité, avec un processus à froid réduisant les risques.
4. Avancées dans le Soudage Laser – Précision exceptionnelle pour les soudures fines, adapté aux productions en série, avec des innovations continues.

Le wire bonding par ultrason, la maîtrise du processus

Le câblage par fil est une technique fréquemment utilisée dans la fabrication de composants semi-conducteurs et de capteurs. Ce processus utilise habituellement des fils d’or, de cuivre ou d’aluminium, avec des diamètres variant de 17 à 25 µm. Pour les connexions nécessitant une forte capacité de courant, comme dans les modules et composants de puissance, des fils d’aluminium de 300 à 500 µm sont employés. Le processus peut également inclure l’utilisation de rubans d’aluminium de dimensions allant jusqu’à 2000 µm x 400 µm. La fiabilité et l’efficacité éprouvées de cette méthode en font une option privilégiée pour les connexions de cellules de batteries, où les exigences de fiabilité, d’efficacité et de répétabilité sont extrêmement élevées.

Pour le prototypage et les petites séries

Dans le cadre des prototypes et des petites productions, la flexibilité et la précision apportées par le wire bonding ultrasonique, qu’il soit manuel ou semi-automatique, sont fondamentales. Des équipements comme la série HB de TPT se démarquent grâce à leur polyvalence et leur précision, se révélant indispensables tant pour la recherche et le développement que pour les petites séries de production. Ces machines se caractérisent par une interface utilisateur simple à utiliser, avec une aptitude à manipuler une variété de matériaux conducteurs, assurant un assemblage précis adapté aux compétences de chaque opérateur.

Pour la production à échelle moyenne

À mesure que la production s’accroît, l’adoption de machines de câblage automatique devient essentielle. Des machines telles que la Bondjet BJ985 de Hesse Mechatronics sont idéales pour gérer des volumes importants, grâce à leurs zones de travail spacieuses qui facilitent la manipulation automatique. Ces équipements sont constamment améliorés, en particulier au niveau de l’interface utilisateur, avec des fonctionnalités destinées à rendre l’opération plus aisée. Ces améliorations incluent le calibrage automatique et des outils conçus pour minimiser les erreurs de manipulation. Conformes aux principes de l’industrie 4.0, ces machines automatisées offrent des capacités de programmation en ligne et de collecte de données de processus, contribuant à un contrôle qualité rigoureux. Elles sont aussi dotées de fonctionnalités réseau avancées, facilitant l’interaction avec les systèmes de gestion de production (MES) pour une vérification croisée efficace, le téléchargement et la traçabilité des données, ainsi que le dépannage à distance pour les erreurs.

Avantages techniques et innovations du Wire Bonding ultrasonique

Le soudage par ultrasons est une technique de haute précision, éprouvée et fiable, idéale pour l’assemblage de batteries. Ce procédé crée des connexions robustes et durables avec l’aide de machines industrielles éprouvées. Du point de vue de la conception, l’emploi de fils comme fusibles en cas de surintensité améliore la sécurité des systèmes de batteries. De plus, la possibilité de réparer ces fils est un atout majeur pour la gestion des batteries en fin de cycle, leur recyclage ou leur remplacement.

La navigation automatique et la précision élevée des machines apportent une flexibilité notable dans la création des connexions de cellules de batterie. Cette méthode réduit le temps nécessaire pour intégrer de nouveaux designs de produits et s’adapte facilement aux besoins de flexibilité de la production grâce à l’absence de nécessité d’outillage spécifique. Toutefois, il est important de souligner que ce processus peut être plus lent que d’autres techniques de soudage, particulièrement dans les situations où la gestion de courants élevés est nécessaire et l’utilisation de plusieurs fils ou rubans est requise.

Le soudage ultrasonique ou “Smart Welding” – Le soudage sans déchets

Le soudage ultrasonique est largement reconnu pour sa sécurité et son faible risque, le rendant ainsi une option séduisante. Ce type de soudage excelle dans la création de connexions à forte capacité de courant, notamment pour relier directement des cellules à des barres de cuivre ou d’aluminium. Comparé au soudage laser, le soudage ultrasonique offre plusieurs bénéfices notables. Il s’agit d’une méthode à froid, sans fusion ni mélange des matériaux, ce qui réduit le risque de création de phases intermétalliques susceptibles de fragiliser les joints. De plus, ce processus se déroule à l’interface des matériaux, évitant ainsi tout risque de compromettre l’étanchéité des cellules. En outre, cette technique assure un environnement de production plus sûr, sans pollution ni émissions de particules qui pourraient causer des courts-circuits dans le pack de batteries.

L’avancée significative des soudeuses ultrasoniques intelligentes réside dans leur capacité à délivrer une énergie et une force ultrasoniques élevées, nécessaires pour assembler des connexions robustes, tout en préservant la finesse et la précision essentielles pour les circuits de puissance. Leur haute précision, jusqu’à 10 µm, assure que l’équilibrage des cellules reste inchangé malgré les variations de résistance dues aux différences de positionnement des soudures. En phase de production, la précision des mouvements, contrôlée par caméra et axes, permet un ajustement optimal du positionnement des pièces. L’absence de nécessité d’outils spéciaux pour positionner ou maintenir les pièces facilite l’utilisation de ces machines, surtout lors de changements de conception. Enfin, la force ultrasonique garantit une répétabilité et une fiabilité élevées dans l’assemblage.

Surveillance et contrôle qualité

Un contrôle rigoureux du processus de soudage produit des données indispensables pour évaluer la qualité de chaque joint soudé. Pendant le processus, plusieurs paramètres physiques sont surveillés, y compris le profil de force, la déformation, la puissance ultrasonique et la fréquence. L’observation attentive de ces paramètres, surtout les oscillations, fournit une analyse approfondie de l’évolution du joint et des facteurs tels que le frottement et la vibration. Cette méthode ne se limite pas à assurer la qualité de chaque soudure ; elle permet aussi de comparer les soudures entre elles pour garantir une uniformité à travers toute la production. Les données collectées en continu et en temps réel permettent de constituer un historique complet pour la traçabilité du processus de soudage.

Les innovations techniques du Smart Welder SW1085

Le Smart Welder SW1085 illustre l’innovation dans le soudage ultrasonique. Cette machine se démarque avec sa vaste zone de travail de 374 mm x 883 mm, offrant une grande flexibilité pour l’automatisation et la manipulation de packs de batteries de grande taille. Dotée des technologies les plus récentes, elle dispose d’une large gamme de forces ultrasoniques allant jusqu’à 1000N et d’une puissance maximale de 1,5kW, ce qui la rend capable de souder efficacement des surfaces de connexion en cuivre jusqu’à 9 mm2. Le SW1085 est conçu pour une variété d’applications de soudage et se distingue par ses sonotrodes longues et fines, permettant un accès profond et un espacement serré entre les points de soudure.

Défis et limitations

Comme pour le soudage par fil, le soudage ultrasonique présente certaines contraintes liées au choix des matériaux et à la configuration de l’assemblage. Ces restrictions sont bien connues et documentées. La force importante requise pour le soudage ultrasonique peut limiter la taille des connexions, en particulier en ce qui concerne l’épaisseur du matériau et la surface de soudure. Dans un contexte de production, il est également essentiel de prendre en compte la vitesse de soudage : le temps nécessaire pour chaque soudure varie selon le type de matériau et est généralement limité à environ 1 seconde.

Le soudage laser – Défis et solutions innovantes

Le soudage laser se distingue par sa précision remarquable, capable de réaliser des soudures fines et complexes sans contact physique, évitant ainsi d’abîmer les composants sensibles. Rapide et efficace, il est parfaitement adapté à la production en série où la rapidité de soudage est primordiale. De plus, le soudage laser est polyvalent, capable d’assembler une grande variété de matériaux et de tailles. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse pour des applications nécessitant des courants très élevés, qui demanderaient une force excessive avec des méthodes ultrasoniques.

Enjeux et complexités du soudage laser

Même si la technologie laser est actuellement la préférée pour les productions à grande échelle, comme dans les gigafactories, elle n’est pas toujours la solution idéale, en particulier pour les productions de taille moyenne. Dans le domaine des batteries, le risque d’incendie dû à l’éjection de particules est une préoccupation majeure. La mise en place de mesures de sécurité pour réduire ces risques est coûteuse, mais nécessaire pour éviter des conséquences désastreuses. L’efficacité de l’absorption d’énergie du laser dépend de la réflectivité de la surface et peut varier pendant la fusion, où un contrôle inadéquat pourrait endommager la cellule de la batterie.

De plus, le soudage laser nécessite un contact parfait entre les pièces, impliquant l’usage d’outils de serrage en production. Bien que la vitesse de soudage soit optimisée par le balayage et l’orientation correcte du faisceau, il est important de noter que la forme du faisceau peut changer si l’angle d’incidence n’est pas vertical. S’adapter à ces variations est possible, mais cela nécessite du temps et des coûts supplémentaires pour la configuration.

Optimisation et innovation : la stratégie de Hesse

Hesse vise à simplifier l’utilisation du soudage laser, le rendant plus accessible, surtout pour les PME. Le modèle LW1089 de Hesse se caractérise par une tête de soudage mobile parcourant chaque point de soudure et appliquant une force contrôlée pour une soudure laser de haute qualité. Cette innovation supprime le besoin d’outils spécialisés, réduisant ainsi les coûts et la complexité liés aux méthodes traditionnelles de soudage laser. De plus, la machine est équipée d’un système de reconnaissance de formes et d’un capteur tactile pour ajuster les soudures selon les dimensions requises. Les soudures laser, effectuées dans une buse fermée, permettent une extraction efficace des fumées et la capture des particules, réduisant le temps de configuration pour de nouvelles applications. La programmation souple des formes de soudure augmente l’adaptabilité aux différents processus de soudage.

La surveillance en temps réel de l’intégrité du processus de soudage est assurée par la mesure du spectre d’émission pendant la soudure, fournissant des informations clés sur la température de fusion et la composition des matériaux. L’extraction des fumées améliore la précision de ces mesures, et les données collectées peuvent être utilisées pour la traçabilité en production.

Enfin, le 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 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 développements récents, l’accent a été mis sur la flexibilité, le contrôle et la sécurité, ce qui peut affecter la rapidité de transition entre les positions de soudage. Il est important de souligner que les risques ne doivent pas être négligés : malgré la présence de mesures de sécurité, une inspection visuelle des particules est toujours nécessaire. De plus, l’acquisition d’une soudeuse laser représente un investissement conséquent, dont le coût varie selon la puissance du laser.

Il est également nécessaire de considérer les matériaux et les alliages intermétalliques formés pendant le processus de fusion. La structure cristalline de ces matériaux peut être fragile, entraînant la création de joints susceptibles de se briser. Ainsi, la technologie du soudage laser, en particulier le choix des matériaux, est un domaine en évolution constante qui nécessite une attention dédiée.

Chaque méthode examinée ici – le wire bonding ultrasonique, le soudage ultrasonique (Smart Welding) et le soudage laser – offre des avantages spécifiques, se prêtant bien à diverses échelles de production, y compris les volumes moyens. Le choix de la technique de connexion dépend étroitement des besoins spécifiques de chaque projet, en tenant compte de facteurs tels que le budget, la taille de la production, la nécessité d’une répétabilité et la capacité à s’adapter aux exigences évolutives. Chacune de ces techniques joue un rôle important dans le domaine de la production de batteries. Pour réussir, une évaluation minutieuse et précise des besoins de chaque application est nécessaire afin de choisir la méthode la plus appropriée. Ainsi, le succès dépend d’une sélection judicieuse et flexible parmi ces technologies.