基于双MCU控制的变极性晶体管点焊电源研制与应用

作     者：李浩东 

作者单位：贵州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈家兑;杨凯

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：电阻点焊 焊接电源 锂电池 负载持续率 极性效应 

摘      要：电阻焊具有高效率、低成本、易于集成自动化等优点,是动力锂电池组焊接常用的焊接方法。随着新能源汽车产业的快速发展,锂电池电阻焊接需求巨大,也对电池组焊接质量与一致性提出了更高要求。传统锂电池电阻焊工艺存在效率低、电源控制模式单一和输出稳定性不足等问题。因此,有必要设计一款有较高负载持续率、具备多种控制模式且具有高稳定性的新型晶体管点焊电源。本文以提高焊接效率、改善焊接接头质量为目标,围绕电源主电路设计、控制系统开发及电源负载特性分析等内容开展了深入研究。首先,设计了基于逆变变流和双相斩波技术的电容储能式电源主电路拓扑,开发了基于双MCU控制器的高性能数字化控制系统,完成样机试制和性能测试。样机可实现电容组的快速充电和放电控制,工作频率100 k Hz,额定输出电流4 k A,负载持续率大于5%,具有恒流、恒压、恒功率和混合控制等多种控制模式,可实现双脉冲单极性和变极性输出,电流上升速度高,极性切换时间短。然后,基于研制的电源样机搭建焊接试验平台,采用正交试验研究工艺参数对接头拉伸强度的影响规律,获得恒压、恒流和恒功率控制模式下的最优工艺参数,研究单极性输出模式下电源控制模式对焊接接头性能和熔核生长过程的影响规律。恒流、恒压和恒功率模式下均可获得拉伸强度、表面形貌和熔核尺寸相近的焊接接头,接头形成过程物理特征也相似;然而,恒压控制模式下焊接过程能耗远小于恒流和恒功率模式的过程能耗。最后,以铜镍异种金属薄片单面双点焊接为对象,对比研究单极性输出与变极性输出对焊点成形一致性的影响,进一步研究变极性模式工艺参数对焊接质量的影响规律。单极性模式下,材料的极性效应使得焊点一致性差,正电极焊点熔核尺寸明显大于负电极焊点;变极性模式通过脉冲交替输出,使两焊点热量得到平衡,能较好地克服极性效应问题,获得一致性较好的焊接熔核;变极性模式下冷却时间对焊点质量影响较大,合理的冷却时间对提升焊点质量有着重要作用。