特斯拉所採用的高成本打線接合(Wire-bonding)的電池組串並聯與匯流排設計，具有焊接品質好、易組裝、抗振能力及過載保險絲之幾項關鍵優勢，但最大的缺點就是打線接合的機台成本高，且不同規格的耐電流需求，也必須採用不同材質與粗細的金屬連接線來達成。本文中介紹的電池串並聯匯流排設計，是將鎳片以塑型與鏤空的方式，搭配生產治具的配合，以低成本鎳片點焊的製程即可實現特斯拉公司的高成本電芯串並聯打線接合方式的所有優點，且無增加額外成本，對於以點焊製程為主的電池組生產製造商，本鎳片設計可大幅提高現有產品的安全性與可靠度。
本文將從以下大綱，介紹一種可以用低成本傳統鎳片之電池點焊技術，實現類似特斯拉公司採用的高成本打線接合電池串並聯製程技術。
‧技術簡介
‧改善電池組匯流排與電芯串並聯之連接技術現況
‧類似打線接合製程的電芯串並聯新型鎳片匯流排設計簡介
‧類打線接合法的鎳片匯流排設計對提升焊點品質之說明
‧鎳片狹窄通道耐流與保險絲功能說明與實測結果
‧鎳片設計的延伸應用
【內文精選】
技術簡介
現有電池組若是在處理18650此類的電芯串並聯時，大多採用鎳片點焊技術，一般鎳片點焊方式如圖一所示。圖一(a)是一般低成本的薄型鎳片（厚度<0.1 mm）的電池點焊匯流排(Busbar)連結方式。圖一(b)在鎳片的中心部分會開一條細縫，其目的是希望點焊電流儘量穿過鎳片與電池殼體後才回流，細縫設計可避免點焊電流直接從鎳片回流，造成焊點的熔接品質不佳；但一般來說，因擔心焊點品質不佳，每個接面大多會打4~6點確保焊點品質。而圖一(c)則針對功率型電池組，一般會採用較厚的鎳片以耐受較大的充放電電流。為了確保點焊品質，通常會將鎳片上的細縫寬度進一步的擴增，以增加電流在鎳片的阻抗，迫使更多的點焊電流穿透鎳片與電池罐體，以提升焊點熔接品質。
類似打線接合製程的電芯串並聯新型鎳片匯流排設計簡介
本文所介紹的電芯串並聯匯流排設計，主要特色在於利用鎳片塑型設計進行開模，即可套用現有點焊製程技術實現類似特斯拉公司的電芯串並聯打線接合的所有優點；更重要的是對電芯串並聯的模組廠來說，不同產品的電芯配置方式不同，都需要針對電芯配置調整機構設計與鎳片塑型開模，因此在點焊鎳片的匯流排設計引入這項技術幾乎是零成本增加，但卻可以大幅提高電池組的安全性與可靠度。因此，本技術亮點在於一次滿足所有電芯串並聯的各種需求，包含焊點品質提升、模組安全性提升、焊點抗振品質提升、過大電流保護熔斷等，並相容於現有低成本的點焊製程技術與幾乎零製造成本的增加。接下來將以18650電芯為例，說明鎳片匯流排的設計構想與驗證結果。
圖六為本文介紹之新型鎳片匯流排的設計。圖六(a)中每個大圓孔的中間有兩片錯位的半圓形鎳片，並藉由兩個狹窄通道與整個鎳片連結，此兩個狹窄通道即類似特斯拉的打線接合製程中跨接匯流排與電芯電極的金屬連接線，可達到抗振與保險絲的用途。
圖六、類打線接合製程之鎳片匯流排設計
針對此鎳片進行小電池包的測試，因此另外設計一組簡單的電池固定支架並以3D印表機製作。將上述之塑型鎳片完成一個1S10P的並聯電池組，如圖八(a)所示，而圖八(b)則為目前現有電池與鎳片點焊方式進行對照。特別強調的是，鎳片的匯流排與電池電極之間已經被固定的支撐座隔開，因此匯流排的兩片半圓形鎳片需透過折彎電流通道下沉一段距離才能接觸電極表面，而此折彎的狹窄電流通道正是作為抗振的緩衝空間。本設計在鎳片與電極之間的鏤空空間，也能夠保持鎳片匯流排不會遮蔽洩壓閥噴出的電解液，並保留電解液噴出的洩壓空間。接下來針對點焊品質作進一步的說明...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖八、類打線接合電池組與傳統電池組的設計比較
作者：孫建中、陳致廷／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」387期，更多資料請見下方附檔。