[发明专利]多模式超声焊接控制和优化

说明书

政府合同

美国政府可具有本发明的已付许可以及在有限条件下的权利来要求专利所有人依照由美国能源部授予的、名为美国能源部Recovery and Reinvestment Act的合同号B511的条款所提供的合理条款许可他人。

技术领域

本发明总体涉及一种控制超声焊接过程的系统和方法，更具体地涉及一种用于多模式控制超声焊接过程的系统和方法，其中所述模式包括焊接能量、焊接时间以及部件压缩位移。

背景技术

电动车辆正变得越来越流行。这些车辆包括：混合动力车辆，诸如将电池和主功率源组合的增程式电动车辆（EREV），诸如内燃机、燃料电池系统等；和纯电动车辆，诸如电池电动车辆（BEV）。所有这些类型的电动车辆采用包括许多电池单元的高压电池。这些电池可为不同的电池类型，诸如锂离子、镍金属氢化物、铅酸等。不同车辆设计包括针对具体应用采用不同折中和优点的不同电池设计。

现代电动车辆电池组通常包括多个电池模块，其中每个模块包括多个电池单元，并且其中模块和单元的数目决定电池组电压。在一个具体的电池组设计中，三电池单元（三件组）的共极电子接头片被焊接在一起并且焊接至互联汇流条。电池单元的三件组中的若干在单个单元模块中被焊接到同一互联汇流条，从而电池单元的每个三电池单元被并联地电连接，并且电池单元的所述若干三电池单元在模块在被连续地电连接。模块组并联地或串联地电连接从而形成电池节段并且许多电池节段一起电连接在单个壳体中从而提供电池组。

使用超声频率的超声或者振动焊接为本领域所公知。振动焊机的电极臂或超声焊极抵靠待焊接的部件放置，而来自换能器的超声能量导致部件振动，这产生生成大量热将部件连接在一起的摩擦力。在一个具体的应用中，振动焊接用于将电池单元的三件组的共同正极和共同负极接头片连接到上述的互联汇流条。

用于对于至少该应用的振动焊接的焊接控制策略使用来自可得到的若干控制参数的单模式控制。例如，已知的用于这个过程的单模式控制通常仅仅监控和控制焊接能量、焊接时间或被焊接的接头片相对于互联汇流条的压缩位移距离中的一个。具体地，焊接过程的控制策略可仅仅基于在焊接中所提供的能量的量来控制或终止焊接过程，这基于输入到超声电极臂中的能量增加通过时间。替代地，焊接控制策略可仅仅通过焊接时间的持续时间来控制焊接过程。或者，焊接过程可仅仅通过待被焊接的部件在焊接过程中的压缩位移来控制。

这些单模式焊接策略中的每一种已证明是用于提供对于具体应用的所期望焊接完整性的可适用的技术。然而，使用单模式焊接控制显示出引起随机的低概率焊接完整性问题。

发明内容

根据本发明的教导，公开一种用于提供超声或振动焊接系统的多模式控制的系统和方法。在一个实施方式中，控制模式包括焊接过程的焊接能量、时间和在焊接过程中被焊接的部件的压缩位移。该方法包括提供全部模式的阈值，并且仅在达到每个模式的阈值后、达到多于一个模式的阈值后或者达到模式中一者的阈值后停止焊接过程。焊接控制可为开环的，也可为闭环的，其中闭环控制提供焊接能量和/或压缩位移的反馈，使得焊接功率、焊接幅值和/或焊接压力可被相应地增加或者减少。

本发明还提供如下方案：

1. 一种为用于将多个部件焊接在一起的振动焊接过程提供多模式控制的方法，所述方法包括：

确定用于将所述部件焊接在一起的期望焊接能量值；

确定用于将所述部件焊接在一起的焊接过程的持续时间的期望时间值；

确定当所述部件被焊接在一起时对于所述部件的期望压缩的期望压缩位移值；

开始用于焊接多个部件的焊接过程；以及

当达到所述焊接能量值、期望时间值和期望位移值中的一个或多个时，停止焊接过程。

2. 根据方案1所述的方法，其中，停止焊接过程包括：当达到所述焊接能量值、所述期望时间值和所述期望位移值中的全部时，停止所述焊接过程。

3. 根据方案1所述的方法，其中，停止焊接过程包括：当所述焊接能量值、所述期望时间值和所述期望位移值中的多于一者到达时，停止所述焊接过程。

4. 根据方案1所述的方法，其中，停止焊接过程包括：当达到所述焊接能量值、所述期望时间值和所述期望位移值中的其中一个时，停止所述焊接过程。

5. 根据方案1所述的方法，还包括：监控在所述焊接过程中所述焊接能量增加的速率，并且如果能量速率与期望的焊接能量速率不相同，则增加或者减少控制焊接功率和/或施加给所述部件的压力的焊接功率信号。