Как лазеры TRUMPF согревают салоны электромобилей

Если вы покупаете новый электромобиль, то вы, скорее всего, не задумываетесь о том, как работает его отопитель и функционирует ли он вообще — вы воспринимаете это как должное. В электромобиле отопитель обеспечивает комфорт и чистые от льда окна. Он также повышает КПД работы батареи, для которой важны определенные температуры. 

Электродвигатели не производят отработанного тепла при движении, как двигатели внутреннего сгорания. Это означает, что автомобиль всегда нуждается в независимом дополнительном отопителе с соответствующей мощностью. Он использует ток от батареи для нагрева теплоносителя, классической охлаждающей воды или масла для батарей, и таким образом обеспечивает уютное тепло. Как и в случае с другими компонентами, чем компактнее и легче система отопления, тем лучше. Немецкий производитель  Webasto лидирует по этим критериям. 

А с новой высоковольтной системой отопления лидер рынка в области автомобильных отопительных технологий сделал еще один шаг вперед. Адаптируясь к различным напряжениям бортовой сети и бесступенчато регулируя мощность, он также способствует стабилизации ее работы. Три лазерных устройства сделали возможным создание этой инновационной конструкции изделия и его выдающихся характеристик. 

Йорн Шмаленберг отвечает за проектирование производства электронагревателей на месте размещения производства в Нойбранденбурге. Именно здесь производится 95 процентов компонентов системы отопления, входящих  в ассортимент продукции поставщика автомобильных комплектующих как для машин с ДВС,  так и для электромобилей. Это миллионы изделий, которые Webasto производит с помощью надежных высокомощных лазеров и затем поставляет по всему миру. «Основной принцип работы отопителей электромобилей, прежде всего, хорошо известен: теплообменник нагревает жидкость, которая распределяется по линиям отопления. Охлаждающая вода и высокое напряжение несовместимы. Поэтому крайне важно, чтобы корпус нашего отопителя был абсолютно герметичным и не допускал утечки жидкости».  

Webasto использует легкий литой алюминиевый корпус. Для непроницаемой сварки этого материала обычная электронно-лучевая сварка в вакууме высокого разрежения была бы слишком медленной и  дорогой. Поэтому предприятие, специализирующееся на лазерных технологиях, предпочитает использовать дисковый лазер, который также работает при атмосферном давлении без защитного газа. И при этом как можно быстрее и эффективнее,  потому что главное — это непористый сварной шов. Если лазер работает на малой мощности, в плавящемся основном материале могут образовываться поры, которые скапливаются в корпусе, и он становится негерметичным. «При работе с 16-киловаттным TruDisk мы немного полагаемся на метод киянки и не оставляем пузырькам газа времени, чтобы образоваться».

Решающим фактором здесь является то, что лазер создает максимально возможный паровой канал. «Высокая мощность лазера обеспечивает стабильность парового канала. Это принцип: количество переходит в качество», — говорит Шмаленберг. В настоящее время компания Webasto очень довольна этим результатом, но уже изучает дополнительные преимущества новой мультифокусной оптики для этих операций. Она разделяет луч лазера на четыре отдельных пятна. Они образуют прямоугольник и расположены таким образом, что их рабочие радиусы перекрывают друг друга, создавая действительно большой паровой канал. Мощность лазера равномерно распределяется по всей рабочей площади. Паровой канал остается постоянно открытым, ничего не разрушается, нет технологических пор. 

После газонепроницаемой сварки корпуса изделие Webasto вступает в контакт с нагревательными элементами. Медь необходима для правильного прохождения тока. «Однако соединяемые детали, такие как используемая медь, обладают высокой отражающей способностью, что делает лазерную сварку чрезвычайно сложной». Как и в случае с элементами аккумуляторных батарей, система отопления Webasto плохо реагирует на слишком глубокие сварные швы, которые могут повредить другие слои. «Поэтому мы должны иметь возможность точно регулировать глубину сварки лазером. С помощью классического инфракрасного лазера нам в данном случае не удалось продвинуться дальше», — рассказывает Шмаленберг.

Длина волны зеленых лазеров TRUMPF имеет большую степень поглощения в меди. При правильной последовательности импульсов глубина сварки может достигаться с высокой точностью повторения — без брызг и абсолютно без защитного газа. TruDisk Pulse 421 достигает этого с мощностью четыре киловатта при длительности импульсов в миллисекундном диапазоне. Шмаленберг добавляет: «У нас не было ни одного сбоя при работе с несколькими миллионами заготовок, и в целом все работает гораздо более гладко. Когда речь идет о сварке меди, нам не приходится делать ничего другого: мы неизменно полагаемся на зеленые импульсные системы. Инфракрасное излучение в прошлом».

Когда на Webasto остались довольны работой с медью, наступает черед изготовления собственно нагревательных элементов. Именно здесь на помощь приходит  собственная специально разработанная тонкопленочная технология: персонал Webasto не создает токопроводящие дорожки, а просто наносит структуру непосредственно на тонкий слой металла. Это позволяет сделать систему отопления максимально плоской. «Все дело в максимальной точности лазерного структурирования материала, чтобы лазер не работал слишком глубоко и не проникал в слои под собой», — объясняет Шмаленберг, который использует для этих целей ультракороткоимпульсный лазер TruMicro. «При лазерном структурировании мы хотим получить чистый съем материала и точную гибку. Нельзя допускать расплавления материала, чтобы избежать риска возникновения дефектов продукции. Ультракороткоимпульсные лазеры преобразуют материал непосредственно из твердого в газообразное состояние, что в первую очередь позволяет получить желаемый плоский дизайн изделия». 

Если система отопления очень плоская, ее можно установить в непосредственной близости от компонентов, проводящих охлаждающую воду. «У нас очень короткое время реакции, чтобы передать тепло в воду, из-за близкого расположения компонентов. Благодаря специальной конструкции мощность нагрева регулируется практически непрерывно как при напряжении 400 В, так и при 800 В. Никому до нас это не удавалось», — с гордостью говорит Шмаленберг. Кроме того, отопитель работает как небольшой конденсатор во время пиков напряжения и поэтому также помогает стабилизировать бортовую сеть электромобиля. 

Для такого предприятия, как Webasto, которое занимается производством в Германии — стране с высокой заработной платой, необходима высокая степень автоматизации с использованием большого количества лазеров. А также высокий уровень инновационности, в том числе благодаря новым лазерным технологиям. Это делает Webasto востребованным игроком во всем мире. «Вы можете быть уверены, что почти ни один электромобиль, выпускаемый где-либо в мире, не сходит с конвейера без первоклассных электротехнических компонентов от таких европейских производителей, как мы».