Die Haltbarkeit von Drahtverbindungen in Batterien für Elektrofahrzeuge verbessern.

Elektronik Halbleiter Fügen und Verkapselung Automobilanwendungen

2024/07/09

HOW2POWER HEUTE, Januar 2024

Dodgie Calpito TANAKA Kikinzoku International (America), Inc.
Shuichi Mitoma, Shizu Matsunaga, Kosuke Ono, Tsukasa Ichikawa TANAKA ELECTRONICS Co., Ltd. (Japan, Tokio)

Die Haltbarkeit von Drahtverbindungen in Batterien für Elektrofahrzeuge verbessern.

Das Drahtbonding wurde entwickelt und wird seit langem in der Halbleiterverpackung eingesetzt, aufgrund der inhärenten Flexibilität und Programmierbarkeit des Drahtbondings. Diese Eigenschaften sind die größten Stärken des Drahtbondings im Vergleich zu anderen Verbindungsmethoden. Bei der Verwendung von Drahtbonding können Drähte aus Gold, Aluminium, Kupfer, Silber und deren Legierungen oder Kupferverbundmaterialien mit Palladiumbeschichtung verwendet werden, um elektrische Verbindungen und Drahtverbindungen zwischen Siliziumchips und ihren Substraten zu bilden.

Drahtverbindungen sind empfindlich und haben eine begrenzte Flexibilität. Sie sind in Halbleitergeräten normalerweise mit Dämpfungsmaterialien wie Harz oder Formmassen versiegelt. Diese Dämpfungsmaterialien bieten ein gewisses Maß an Haltbarkeit und Festigkeit, um Schäden durch Vibrationen zu widerstehen. In den meisten EV-Batteriepacks werden jedoch Drahtverbindungen ohne Materialien verwendet, die sie vor Vibrationen schützen, was zu einem Verlust dieses bestimmten Maßes an Haltbarkeit führt und Drahtverbindungen anfälliger für Schäden macht.

Dieser Artikel untersucht das Ultraschall-Drahtbonding, das zur Verbindung von zylindrischen Lithium-Ionen-Batterien in Batteriepacks für Elektrofahrzeuge verwendet wird. Insbesondere beschreibt er eine Reihe von Vibrationstests, die durchgeführt wurden, um zu messen, inwieweit verschiedene Aspekte des Drahtbond-Designs die Anfälligkeit für Schäden beeinflussen.

Dieses Papier beschreibt die Drahtbondstruktur in EV-Batteriepacks, identifiziert deren mechanische Schwächen und führt die in dieser Studie entwickelte Testausrüstung ein, um die Anfälligkeit der Drahtbonds gegenüber Vibrationen zu bewerten. Es werden auch fünf vergleichende Studien diskutiert, die die Auswirkungen der Vibrationsrichtung, der Materialien, der Drahtformen, der Schlaufenhöhen und der Verwendung von einzelnen versus mehreren Drähten auf diese Anfälligkeit untersuchen.

Ziel dieser Forschung ist es, Probleme der Drahttrennung in Batteriepacks von Elektrofahrzeugen (EV) zu analysieren und mehrere Maßnahmen zur Minderung oder Beseitigung solcher Fehler bereitzustellen. Nach der Präsentation der Testergebnisse werden wir die wichtigsten Erkenntnisse zusammenfassen, die den Packdesignern helfen werden, Drahtverbindungen mit hoher Haltbarkeit in EV-Batteriepacks zu erreichen.

Verwundbarkeit von Drahtverbindungen in Batteriepacks von Elektrofahrzeugen

Derzeit wird das Ultraschall-Drahtbonding zur Verbindung von zylindrischen Li-Ionen-Batterien in Batteriepacks für Elektrofahrzeuge verwendet. Der Draht des negativen Anschlusses ist am Rand der Batterie befestigt, während der Draht des positiven Anschlusses am Kathodenbereich in der Mitte der Batterie angebracht ist, was sie anfällig für Vibrationen macht. Das Batteriekapsel besteht aus nickelbeschichtetem Stahl, und der Rand hat eine gewellte Form und einen gebogenen Querschnitt.

Das Drahtbonden ist für flache Oberflächen konzipiert, was das Bonden an Batterien mit gekrümmten Kanten erschwert (obwohl neuere Designs flacher gestaltet wurden). Die Oberflächenrauheit der Kanten von Batterien ist ebenfalls inkonsistent aufgrund des Crimpens und anfällig für Korrosion und Elektrolytkontamination.

Drähte können Ermüdung erfahren und schließlich brechen, bedingt durch Vibrationen, die durch raue Straßenbedingungen, unsachgemäße Handhabung von Elektrofahrzeugen oder plötzliche Beschleunigung/Abbremsung verursacht werden. Infolgedessen kann der Fersenbereich zwischen der Verbindung und dem Drahtbondbereich beschädigt werden. Dies ist eine häufige Ursache für die Degradation der Energiekapazität in Batteriepacks von Elektrofahrzeugen. Abbildung 1 zeigt einen typischen Drahtbond, der zur Verbindung zylindrischer Batteriezellen verwendet wird.