限制电动汽车(EV)使用率增长的因素之一是电池充电时间相对较长。在大多数情况下,电动汽车充满电需要数小时,而给油箱加满电只需几分钟。

为了使更大、更强大的电动汽车电池能够更快地充电,oem必须增加电动汽车充电电路中使用的电缆的直径。这是必要的,因为更大的电缆直径支持更高的电流牵引,同时消散由导电材料的电阻产生的热量。

今天,更大的电缆直径是使电池充电更快的唯一可行方法。它们必须支持高电流充电,达到目前电动汽车典型充电电流水平的四到五倍。就电缆尺寸而言,这意味着从直径约60平方毫米的充电电缆增加到直径约250平方毫米的充电电缆,面积增加了四倍多,而选择的材料是铜。

可靠地连接这些更大直径的电缆给汽车制造商带来了重大的技术挑战。此外,在不断发展的电动汽车设计中,对这些更大的充电电缆进行布线和封装,也带来了电缆长度的问题。理想情况下,充电电路应该尽可能短,但如果充电电缆长度增加,电缆直径可能也需要增加,以增加电阻和散热。随着越来越多的电池组移动到车辆下方,这意味着更大的载流导体将需要被安置在车辆乘客舱周围和下方。因此,周围的车辆结构不仅要绝缘导体,而且要安全地消散与快速充电相关的热负荷。

回到连接的挑战:大直径超声波焊接电缆逻辑上需要使用更大的功率,以及在交付时将部件牢固地固定在原位的能力。对于直径大于60平方毫米的导体,典型的超声金属焊接技术可能会有一个收益递减点。焊接较大导体所需的更高功率水平可能会超出目前超声波焊机的能力,因为用于施加夹紧力的典型悬臂式执行器往往会给出,从而失去对部件的有力抓手。为了补偿,振幅通常会增加,这往往会加剧问题。结果是与焊接相关的应力增加,对导体的损坏,无法提供可靠、高质量的焊缝。

原因如下:当焊缝振幅(水平振荡)和功率急剧增加时,会出现几个问题。首先,索股的弯曲和拉伸应力也急剧增加,导致疲劳增加和可能的机械故障的索股。

其次,工具和电缆股的运动大大增加,产生的摩擦和热量明显大于电缆之间焊接区域所需的热量。这些多余的热量从焊接区域扩散到电缆的其他区域,所以这些多余的热量和额外的电能需要提供额外的焊接振幅都被浪费了。

最后,焊接工具的可靠性和有效性会降低,因为更高的振幅和功率会导致通常应该压缩、夹紧和摩擦电缆股的焊接工具失去夹紧力,并开始滑动电缆股。这种刀具滑移导致刀具快速过度磨损,增加了刀具更换和翻新成本,对焊接设备造成不适当的应力,增加了能源消耗。

对于高振幅和功率引起的刀具打滑,一个合理的补救方法是大大增加焊接过程中使用的夹紧力。然而,测试表明,当焊接电缆直径大于60平方毫米时,目前许多超声波金属焊机中使用的悬臂式压机执行器的压力超过了它们的机械极限。

一个更好的选择

因此,需要一种新的方法来确保工具和焊接部件的安全,以满足高效提供更高功率的技术挑战,同时保持可控的振幅,以可靠地焊接明显较大的导体。

最优解决方案消除了悬臂式压机执行机构,有利于直接向下的力对要焊接的部件。在整个功率和振幅范围内,直接向下的力提供了对部件的强大把握,以保持对焊接过程的控制。这种解决方案是由艾默生开发的,在新一代布兰森“直压”超声波焊接设备中发现的,以布兰森GMX-20-DP焊机为代表。该设备具有两项基本功能。首先,这种重新设计的设备能够对高达6100牛顿的大型电缆施加高强度的夹紧力。其次,它可以有效地管理高功率水平的传输,而这些功率水平需要产生振动运动和摩擦热,这对在较高钳位压力下将大型导体焊接在一起至关重要。

同时,艾默生开始致力于改进刀具,以克服在较高夹紧力的压力下刀具快速磨损的问题。这种新型工具——适用于牛角和铁砧——结合了新的涂层,增加了工具的硬度和耐久性,并具有特殊的滚花,使焊接工具对电缆的抓地力增加。当这种改进的工具与新型“直接冲压”超声波金属焊机的功能相结合时,结果是比悬臂式冲压焊机提供的大电缆焊接过程更高效和可重复。

改进的效率不仅体现在焊缝质量上,而且体现在优化后的焊缝具有直接的、鲁棒的下压力和可控的、低振幅。再加上新工装的设计和组成,它本身就大大减少了滑移,从而减少了大部分工装的磨损,工装更换之间的间隔也大大增加了。