假设您新入手了一辆电动汽车,那么您可能根本不会花时间去思考它的加热器如何工作或是否正常工作。电动汽车的加热器可确保舒适性和车窗视野清晰,还能防止车辆结冰。此外它还能将电池保持在合适的工作温度,从而提高电池效率。
与内燃机不同的是,在车辆行驶过程中,电机不会产生废热。这就意味着电动汽车总是需装备一个功率适宜的独立加热器。 利用电池的电流,该加热器可对热载体、传统冷却水或电池油液进行加热,从而为车辆提供舒适的温度。与其他所有零部件一样,针对加热器的评判标准也是越紧凑越轻盈,就越好。德国厂商 Webasto 公司则在这一方面具有过人之处。
作为汽车加热技术领域的优秀厂商,该公司凭借新型的高电压加热器在市场上更进一步。该加热器可适配各种汽车电源电压且功率可无级调节,还有助于提升汽车电源的稳定性。正是得益于通快的三种激光应用技术,该产品的创新设计和出色性能才能转化为现实。
激光技术 1:气密焊接铝材
Jörn Schmalenberg 负责新勃兰登堡工厂的电加热器制造工艺。该汽车零部件供应商产品组合中 95% 的加热部件均由该工厂生产,且燃油车和电动车的加热部件均有。这些加热部件均由 Webasto 公司采用可靠的高性能激光器生产,且件数达到了数百万并销往全球。“电动汽车加热器的基本原理其实是老生常谈:热交换器加热液体,然后由供热管路对加热后的液体进行分流。由于冷却水不得接触到高压电。 所以我们加热器的外壳必须绝对密封且不得有液体渗出”。
Webasto 采用了轻量化的压铸铝外壳。如果采用传统的真空电子束焊工艺对该材料实施气密焊接,则速度太慢且成本高昂。 所以这家精通激光技术的公司更愿意使用碟片激光器,其在大气压力下就可运转,且无需保护气体。而且碟片激光器的焊接速度极快且性能强劲,因为最重要的是要确保焊缝无气孔。 如果激光在功率微弱时断断续续,在正在熔化的基材中就会形成气孔并聚集,从而导致外壳密封不良。“16 千瓦的 TruDisk 激光器简单好用,我们已有些依赖它,因为它让气孔根本没有机会形成”。
其中的关键就是该激光器能够生成尽量大的钥匙孔结构(Keyhole)。较高的激光功率可确保稳定的钥匙孔结构。这种结构多多益善“,Schmalenberg 说道。Webasto 目前对此十分满意,但也已经开始测试这种新型的多焦点加工头能为此应用带来的附加值。这种激光加工头可将激光束分成四个单独的光斑。这些光斑会构成一个正方形,然后通过排列使有效半径重叠,从而形成一个非常大的钥匙孔结构。激光功率会在此均匀分布到整个有效区域。钥匙孔结构始终保持打开状态,不会有任何萎缩,也没有工艺气孔。
激光技术 2:绿光激光接触铜材
外壳气密焊接完成后,Webasto 公司还要焊接加热元件。为了使电流正常流动,该公司需要用到铜材。“但所用焊接材料(例如铜)的反光性很强,导致激光焊接颇为棘手”。与电池类似,Webasto 的加热系统无法良好应对过深的焊缝,且其可能会损伤其他金属层。“所以这就要求我们必须可以精确调控激光的焊接深度。我们曾使用了传统的红外线激光,但未能取得任何进展”,Schmalenberg 回忆说。
铜材对通快激光器绿色波长的激光吸收度更高。借助正确的脉冲序列可实现重复精度极高的焊接深度——无飞溅且无需任何保护气体。TruDisk Pulse 421 凭借四千瓦功率和毫秒级脉宽使之成为可能。他继续补充道:“我们的数百万个零部件毫无差错,而且生产在整体上都运转地更加轻松。 对于铜材焊接,我们无需再做其他多余工作:我们始终都可信赖绿光脉冲系统。红外线已成为过去“。
激光技术 3:高精度蚀刻涂层
当 Webasto 公司圆满完成焊接铜材焊接工作后,接下来就要为加热元件赋予本来的形状。该公司为此专门开发了薄层工艺:Webasto 不会加装导体轨道,而是直接将结构施加到金属薄层之中。 这种工艺令加热器极致纤薄。“此时就需要材料纹理化过程具有极高精度,这样激光就不会作用太深并侵入下方的金属层“,Schmalenberg 解释道,对此他十分信赖 TruMicro 超短脉冲激光器。“对于纹理化,我们需要整齐干净的烧灼和准确的边缘。材料不允许熔化,以规避产品缺陷风险。超短脉冲激光器可直接将材料从固态转化为气态,这就使得纤薄的产品设计能够实现“。
如果加热器极致纤薄,那么它就可以紧靠冷却水的输送部件安装。“由于加热器在空间上靠近冷却水的输送部件,所以我们的产品只需极短的反应时间内就可将热量导入冷却水。由于采用了特殊结构,加热功率几乎可无级调节——无论电压是 400 伏还是 800 伏。在我们之前还没有人能够做到”,Schmalenberg 颇为自豪地说道。另外,加热器在电压峰值期间还可发挥类似小型电容器的作用,因此也有助于稳定电动汽车的整车电源。
对于像 Webasto 这种在德国这一高薪酬国家进行生产的企业来说,使用大量激光器提高自动化程度是十分必要的。当然高水平的创新也必不可少,例如通过新型的激光工艺实现创新。这些优点使 Webasto 公司成为全球炙手可热的生产商。“人们可以设想,如果没有像我们这样的欧洲制造商提供优质的电气组件,那么在全球范围内几乎没有一辆电动汽车可以顺利离开生产线“。
WEBASTO 公司数十年来一直为汽车行业生产和销售各种零部件,与此同时在全球范围内已有 50 多家分支机构。在燃油车加热系统和创新天窗系统的细分市场,该公司凭借 70% 的全欧市场份额成为了行业佼佼者。与此同时从 2012 年开始,电动出行这一议题连同电加热器、电池和充电解决方案就已被该公司提上了规划议程。为了不断创新并将其快速推向市场,Webasto 公司还与德国焊接技术与培训研究所以及位于德国罗斯托克的弗劳恩霍夫大型结构生产技术研究所(Fraunhofer IGP)在国家资助项目中开展合作。