Characterization of aluminum-to-aluminum welds for EV battery packs

Abstract

The increasing number of electric vehicles (EV) introduces a need for advancements in battery technology, particularly in the welding of battery pack assemblies. The aim of this bachelor’s thesis is to characterize aluminium-to-aluminium (Al-to-Al) welds used predominantly in EV battery packs. Laser beam welding (LBW) is chosen as the primary welding method for these types of joints representing busbar-to-tab connections. LBW has many beneficial attributes like small heat input and fast welding speed that make it suitable for this type of application. The thesis determines how variations in LBW parameters, in this case the scanning amplitude and laser power, affect the mechanical strength and weld morphology in this type of connection.

Experiments were made using 1050-grade aluminum, chosen for its low impurity suitable for LBW applications. The welds were tested using a tensile testing machine and optical microscopy for the morphology of the welds. The results demonstrated that increased scanning amplitude improves tensile strength of the weld upon a certain value, while higher laser power can lead to excessive penetration especially with lower scanning amplitudes, leading to worse weld quality.

The findings of this thesis were in line with the literature regarding LBW of battery packs and contribute to finding suitable parameters for LBW of Al-to-Al connections ensuring quality welds that in the end enhance safety and performance of EV batteries.

Sähköajoneuvojen määrän lisääntyminen luo tarpeen akkukennoteknologian kehitykselle, erityisesti akkujen kokoonpanoon liittyvien hitsausmenetelmien osalta. Tämä kandidaatintyö keskittyy alumiinihitsien karakterisointiin, ja erityisesti laserhitsauksen käyttöön akun kokoojakisko- ja laippaliitoksissa näissä akkupaketeissa. Työssä selvitetään, kuinka laserhitsausparametrien, kuten skanneriamplitudin ja laserin tehon vaihtelu vaikuttaa tällaisen liitoksen mekaaniseen lujuuteen ja hitsin morfologiaan, ja miten nämä tulokset liittyvät toisiinsa.

Kokeet suoritettiin käyttämällä 1050-laatuluokan alumiinia, joka valittiin sen laserhitsaukseen soveltuvan puhtauden vuoksi. Hitseille suoritettiin vetolujuuskokeet sekä niiden morfologiaa tutkittiin optisella mikroskoopilla. Tulokset osoittivat, että skannausamplitudin lisääminen parantaa hitsin vetolujuutta tiettyyn arvoon asti, kun taas korkeampi laserin teho voi johtaa liialliseen läpäisyyn erityisesti pienemmillä skannausamplitudeilla, mikä heikentää hitsin laatua.

Kandidaatintyön tulokset olivat linjassa saatavilla olevan kirjallisuuden kanssa ja ne edistävät parametrien optimointia alumiiniliitoksissa, mikä varmistaa laadukkaat hitsit, jotka loppujen lopuksi parantavat sähköautojen akkujen turvallisuutta ja suorituskykyä.