假設您新入手了一輛電動汽車,那麼您可能根本不會花時間去思考它的加熱器如何工作或是否正常工作。電動汽車的加熱器可確保舒適性和車窗視野清晰,還能防止車輛結冰。此外它還能將電池保持在合適的工作溫度,從而提高電池效率。
與內燃機不同的是,在車輛行駛過程中,電動馬達不會產生廢熱。這就意味著電動汽車總是需裝備一個功率適宜的獨立加熱器。 利用電池的電流,該加熱器可對熱載體、傳統冷卻水或電池油液進行加熱,從而為車輛提供舒適的溫度。與其他所有零部件一樣,針對加熱器的評判標準也是越緊湊越輕盈,就越好。德國廠商 Webasto 公司則在這一方面具有過人之處。
作為汽車加熱技術領域的優秀廠商,該公司憑藉新型的高電壓加熱器在市場上更進一步。該加熱器可適配各種汽車電源電壓且功率可無級調節,還有助於提升汽車電源的穩定性。正是得益於 TRUMPF 的三種雷射應用技術,該產品的創新設計和出色性能才能轉化為現實。
雷射技術 1:氣密焊接鋁材
Jörn Schmalenberg 負責新布蘭登堡工廠的電加熱器製造製程。該汽車零部件供應商產品組合中;95%;的加熱部件均由該工廠生產,且燃油車和電動車的加熱部件均有。 這些加熱部件均由 Webasto 公司採用可靠的高性能雷射器生產,且件數達到了數百萬並銷往全球。「電動汽車加熱器的基本原理其實是老生常談:換熱器加熱液體,然後由供熱管路對加熱後的液體進行分流。由於冷卻水不得接觸到高壓電。 所以我們加熱器的外殼必須絕對密封且不得有液體滲出。」
Webasto 採用了輕量化的壓鑄鋁外殼。如果採用傳統的真空電子束焊製程對該材料實施氣密焊接,則速度太慢且成本高昂。 所以這家精通雷射技術的公司更願意使用碟片雷射機,其在大氣壓力下就可運轉,且無需保護氣體。而且碟片雷射機的焊接速度極快且性能強勁,因為最重要的是要確保焊縫無氣孔。 如果雷射在功率微弱時斷斷續續,在正在熔化的基材中就會形成氣孔並聚集,從而導致外殼密封不良。「16 千瓦的 TruDisk 雷射器簡單好用,我們已有些依賴它,因為它讓氣孔根本沒有機會形成。」
其中的關鍵就是該雷射器能夠生成儘量大的鑰匙孔結構(Keyhole)。較高的雷射功率可確保穩定的鑰匙孔結構。這種結構多多益善」,Schmalenberg 說道。Webasto 目前對此十分滿意,但也已經開始測試這種新型的多焦點加工頭能為此應用帶來的附加值。這種雷射加工頭可將雷射光束分成四個單獨的光斑。這些光斑會構成一個正方形,然後透過排列使有效半徑重疊,從而形成一個非常大的鑰匙孔結構。雷射功率會在此均勻分佈到整個有效區域。鑰匙孔結構始終保持打開狀態,不會有任何萎縮,也沒有製程氣孔。
雷射技術 2:綠光雷射接觸銅材
外殼氣密焊接完成後,Webasto 公司還要焊接加熱元件。為了使電流正常流動,該公司需要用到銅材。「但所用焊接材料(例如銅)的反光性很強,導致雷射焊接頗為棘手。」與電池類似,Webasto 的加熱系統無法良好應對過深的焊縫,且其可能會損傷其他金屬層。「所以這就要求我們必須可以精確調控雷射的焊接深度。我們曾使用了傳統的紅外線雷射,但未能取得任何進展」,Schmalenberg 回憶說。
銅材對 TRUMPF 雷射器綠色波長的雷射吸收度更高。借助正確的脈衝序列可實現重複精度極高的焊接深度——無飛濺且無需任何保護氣體。TruDisk Pulse 421 憑藉四千瓦功率和毫秒級脈寬使之成為可能。他繼續補充道:「我們的數百萬個零部件毫無差錯,而且生產在整體上都運轉地更加輕鬆。 對於銅材焊接,我們無需再做其他多餘工作:我們始終都可信賴綠光脈衝系統。紅外線已成為過去。」
雷射技術 3:高精度蝕刻塗層
當 Webasto 公司圓滿完成焊接銅材焊接工作後,接下來就要為加熱元件賦予本來的形狀。該公司為此專門開發了薄層製程:Webasto 不會加裝導體軌道,而是直接將結構施加到金屬薄層之中。 這種製程令加熱器極致纖薄。「此時就需要材料紋理化過程具有極高精度,這樣雷射就不會作用太深並侵入下方的金屬層」,Schmalenberg 解釋道,對此他十分信賴 TruMicro 超短脈衝雷射機。「對於紋理化,我們需要整齊乾淨的燒灼和準確的邊緣。材料不允許熔化,以規避產品缺陷風險。超短脈衝雷射機可直接將材料從固態轉化為氣態,這就使得纖薄的產品設計能夠實現。」
如果加熱器極致纖薄,那麼它就可以緊靠冷卻水的輸送組件安裝。「由於加熱器在空間上靠近冷卻水的輸送部件,所以我們的產品只需極短的反應時間內就可將熱量導入冷卻水。由於採用了特殊結構,加熱功率幾乎可無級調節——無論電壓是 400 伏還是 800 伏。在我們之前還沒有人能夠做到」,Schmalenberg 頗為自豪地說道。另外,加熱器在電壓峰值期間還可發揮類似小型電容器的作用,因此也有助於穩定電動汽車的整車電源。
對於像 Webasto;這種在德國這一高薪酬國家進行生產的企業來說,使用大量雷射器提高自動化程度是十分必要的。 當然高水準的創新也必不可少,例如透過新型的雷射製程實現創新。這些優點使 Webasto 公司成為全球炙手可熱的生產商。「人們可以設想,如果沒有像我們這樣的歐洲製造商提供優質的電氣元件,那麼在全球範圍內幾乎沒有一輛電動汽車可以順利離開生產線。」
WEBASTO 公司數十年來一直為汽車行業生產和銷售各種零部件,與此同時在全球範圍內已有 50 多家分支機搆。在燃油車加熱系統和創新天窗系統的細分市場,該公司憑藉 70% 的全歐市場份額成為了行業佼佼者。與此同時從 2012 年開始,電動出行這一議題連同電加熱器、電池和充電解決方案就已被該公司提上了規劃議程。為了不斷創新並將其快速推向市場,Webasto 公司還與德國焊接技術與培訓研究所以及位於德國羅斯托克的弗勞恩霍夫大型結構生產技術研究所(Fraunhofer IGP)在國家資助專案中開展合作。