無損可視化檢測 - 動力電池的CT應用
Waygate Technologies的電子器件檢測技術總監Tobias Neubrand博士解釋了如今的工業射線照相和計算機斷層掃描(CT)系統
如何改變著電池的無損檢測;為什么無損檢測是當今快速增長的電動汽車(EV)和電動交通制造行業以及未來二手電動汽車銷售商的
迫切需求。
顯示電池極卷整齊度結果的工業CT掃描(©VG/Waygate Technologies)
Q1您能先談談目前電池的情況,再從技術角度概述一下電動汽車電池的發展嗎?
Tobias: 從研發的角度來看,鋰離子電芯技術的應用已經成熟,并且或多或少處于發展的末期。
制造商面臨的下一個障礙是實現大規模生產中仍然保持這些電池的可靠性和高品質,并降低成本。
在實驗室里小批量試制時,一切正常。但當你將其投入大規模生產時,就會出現一些問題。
例如他們可能使用來自不同供應商的化學材料,這可能會導致電芯在自動化大規模生產過程中出現故障。
所有供應商之間沒有共同的標準,當電芯在某個測試點未通過測試并從生產線移除時,產生的廢料是一個大的成本問題。
比如二維X射線照相系統已經在車間中使用,可以測試出20%的電芯為壞電芯。我們可以使用三維CT技術進行更詳細的檢查,更準
確地評估電芯。這可以快速完成測試,并減少故障測試失敗率,減少廢料。
Tobias Neubrand博士
電子器件檢測技術總監
Waygate Technologies
Q2“廢料”怎么處理呢?
Tobias: 廢料不是廢棄物 - 它是未來的原材料。它能夠直接進入回收步驟。電芯生產中百分之幾的失效電芯都可以進入回收步驟成
為未來新電芯生產的原材料。如果你把它想象成一條餅干生產線,你就會發現問題。如果你每生產十塊餅干其中都有兩塊是壞的,
那么你就沒有足夠的好餅干去填滿一整盒。這就是這些電池制造商面臨的問題。每一個被測試為失效的電芯都會降低整體的生產效
率并增加了生產成本。
Q3為什么擁有成熟的技術,鋰離子電池電芯的故障率仍然很高?
Tobias: 這是由電動汽車市場驅動的 - 每個人都想要一輛動力更強大、續航里程更長的汽車,汽車制造商正在將其整個產品組合轉
向電動汽車。這使得正在生產的電池電芯種類繁多。五花八門的電芯對于一個仍然在收集各種問題數據的新興大規模生產領域,就
會是持續的學習過程。在未來,這些制造商將會有過程控制統計,但現在它處于初始階段,該過程控制正在改進,他們正在創建數
據庫,以便他們可以回溯哪里發生了問題。每次你改變一些東西,就會重新建立你的學習曲線。
你發現稍微好一點的化學工藝,這也許使你優于你的競爭對手,所以你會再次對此進行優化。接下來,你想要制造一個跑車電池,
現在需要做一個不同尺寸的設計。這是這個行業現在所處的一種循環。
缺陷軟包電芯的工業CT掃描(©Waygate Technologies)
Q4為什么CT電池檢查對電動汽車行業如此重要?
Tobias: 想想家用電器的小電池結構,對于大型汽車電池也是如此。電池完成制成時就被密封了,你再也看不到里面了 - 它就像一
個黑匣子。你可以測試電流,但你不知道它內部結構的真正完整性。汽車制造商使用檢測技術來檢查他們從電池制造商那里購買的
電池。如果出現問題,他們希望能夠確切地知道故障所在:是他們自己的問題,還是電池制造商的問題?
2016年三星Note 7手機起火爆炸事件使人們開始關注鋰離子電池的安全性,當時如果你持有的是Note 7手機,就無法乘坐飛機。
在這種情況下,CT檢查在故障分析中很重要 - 它會展示電池缺陷的根本原因,即包裝電極材料的幾何形狀。電極材料安裝在包裝
膜內再安裝到手機中,由于其安裝空間非常有限,在某些地方,角度如果太尖銳,電極材料就出現斷裂。一旦電極材料出現物理損
傷,他們可能會在電芯造成短路,導致起火。
用于電動汽車或儲能的電池包由多塊電池模組組成,每個模組由多個電芯組成。當在電芯層面上進行電池檢查時,工程師們會查看
常見的缺陷比如夾雜物、電極均勻性、內部連接(焊接)、電極在電芯中的位置。如果我們更仔細地觀察這種幾何結構的空間分
布,他們會分析電極之間的距離、它們彼此的大小和方向、它們與包裝膜壁的距離以及它們的角度。你可以用二維X射線照相系統
透視進行簡單的檢查,但無法得到完整的信息,通常只有一或兩個故障形式可見。有了CT,你可以看到密封的電芯關鍵部位的全
貌,為此,CT在檢查手機電池方面也非常有用。
Q5您和Waygate Technologies的團隊什么時候開始進行電動汽車電池無損檢測?
Tobias: 隨著電動汽車的大規模生產,使用CT檢查電動汽車電池變得非常重要。我們在筆記本電腦和手機鋰離子電池方面的檢測已
經有15年或更長的時間了,如今消費電子領域的一些頂級品牌都是我們的客戶。那些已經在生產手機電池方面有經驗的制造商也
開始為電動汽車生產更大的電池。這是一個巨大變化,也是事情變得有趣的地方。現在市場上有著各種不同的幾何結構、容量和封
裝的電池 - 這些電池形成的模組都需要電池管理系統。這是一個完全全新且多樣化的行業。
電池PHEV-1電芯的組裝(©ZSW/Waygate Technologies)
Q6現在誰在使用Waygate Technologies X射線照相和工業CT掃描解決方案套件?如何使用?
Tobias: 汽車制造商正在使用CT進行故障分析。當他們從故障車輛現場取回一塊電池時,他們做的第一件事就是對電池進行CT檢
查。正如我們所知,僅僅是打開電池的動作就可能損壞電池,而他們在不接觸任何東西的情況下就能獲得電池的全貌。CT檢查使
他們能夠證明故障在他們拆卸之前就存在。從安全角度來看,這也很重要。如果技術人員必須打開這樣的模塊,CT會向他們顯示
可以安全拆卸的位置。
Phoenix檢測系統讓電動汽車制造商和電池制造商對電池的使用更安心。這一點之所以如此重要,最著名的例子是2021年一個美
國汽車品牌與一家全球電池供應商之間的和解。其中某款車型制造的電池出現了嚴重問題,導致該車型被全部召回。發現是電池問
題后,雙方雖繼續保持合作,但達成了10億美元的賠償協議。由此,可以看到經濟價值和聲譽問題。該案例證明了清楚地了解電
動汽車電池的結構完整性是多么重要 - 賠償金額都能購買我們的大量的測試系統了!
電動汽車和電池制造商目前使用的主要解決方案是Phoenix V|tome|x系統,該系統根據不同客戶的需求提供不同版本。
有趣的是,我們一直看到電池生產線上出現新的電池故障。這是我們的CT系統真正能提供幫助的地方,可對整個電池進行分析。
其他測試設備側重于故障形式的一個個檢測。它會對一個錯誤進行測試檢查,當無錯誤時,會接著檢測一個新的故障形式。
而CT不會這樣檢測。在90%的情況下,我們的CT系統可以靈活、快速同時檢查這些新的故障形式。
在未來,我們希望更多地使用計算機輔助診斷?,F目前,我們需要的是圖像、體數據和訓練有素的操作員,但我們的目標是引入更
多人工智能(AI)。我們已經在做這方面的工作,但它很復雜,因為電池配置一直在變化。
電動汽車電池組(©Waygate Technologies)
Q7下面聊聊車主相關的話題,隨著電動汽車二手車市場的增長,您如何看待這種檢測技術在電動汽車維修中的應用?
Tobias: 大電池有點像資本投資:你想確保它今天是安全可靠的,并跟蹤它在未來如何影響你汽車的價值。目前,我們的技術還沒
有在這個“服務電動汽車”市場中使用,但它終將會出現,因為沒有其他方法可以看到這些黑匣子的內部。
對于電動汽車來說,沒有人能繞開電池,因為電池是最有價值的部分。您能為電池做什么樣的保養呢?這個行業正在發生變化,
但我們可以做一點預測,汽車經銷商將不會有做這種工作的設備。他們可以收集電氣數據,但拆卸電池組是另一回事。我認為會有
第二層的服務中心出現,在服務中心他們會把你的電池拆卸下來,利用CT系統等技術檢查電池內部。他們可以重新配置電池,也
可以檢查電池內部后對其進行評估。
假設你有一輛車,開了三年,已經過了保修期,但是你仍然想賣個好價錢,買家需要電池狀況的證明。這時候你可以去服務中心檢
測,并說,“這是我的電池掃描證明,我的車值這個價錢。”
服務中心還將能夠重新模擬模塊或重新組裝模塊,更換CT檢查發現的故障模塊,以使電池恢復滿容量。雖然購置設備的費用高
昂,但我相信那些配備了這些系統的人將成為電動汽車生態系統的一部分。
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