В недавно опубликованной статье д-р Тобиас Нойбранд, технический директор по контролю электроники компании Waygate Technologies, подразделения Baker Hughes и мирового лидера в области решений для промышленного контроля, объясняет, как передовые системы промышленной радиографии и компьютерной томографии (КТ) революционизируют неразрушающий контроль батарей, и почему это критически важно для сегодняшнего быстрорастущего сектора производства электромобилей (Electric Vehicles или EV) и eMobility, а также для завтрашних продавцов подержанных автомобилей.
В: Прежде всего, давайте рассмотрим сами батареи. Не могли бы вы дать нам обзор развития батарей для EV с технической точки зрения?
О: С точки зрения НИОКР, технология, используемая в литий-ионных элементах, является зрелой и более или менее находится в конце своего развития. Следующим препятствием для производителей является достижение надежного, высококачественного массового производства этих элементов для снижения стоимости. В лаборатории все работает хорошо, но когда вы доводите это до массового производства, возникает несколько проблем. Например, они, скорее всего, работают с химическими веществами от разных поставщиков, что может привести к сбоям во время автоматизированного массового производства клеток.
Нет единого стандарта между всеми поставщиками, и одной из серьезных проблем, связанных с затратами, является отбраковка, когда клетки выходят из строя на определенном этапе тестирования и снимаются с линии. В цехах уже стоят двухмерные рентгеновские установки, которые могут проверить, например, 20% ячеек как плохие. Мы можем использовать технологию 3D-КТ для более детальной проверки и более точной оценки ячейки. Это можно сделать быстрее, уменьшить количество ложных тестов на отказ и снизить количество брака.
В: Что происходит с "браком"?
О: Лом не является отходами - это сырье будущего. Он поступает непосредственно в процесс переработки. Вы теряете пару процентных пунктов, и это хороший источник для новых клеток. Но если вы подумаете об этом как о линии выпечки, вы увидите проблему. Если из каждых 10 печений, которые вы производите, два ломаются, у вас не хватает хороших печений, чтобы заполнить вашу коробку. Вот с чем сталкиваются эти производители. Каждая клетка, которая тестируется как плохая, снижает эффективность и увеличивает затраты.
В: Почему при зрелой технологии в литий-ионных батареях по-прежнему высок процент отказов?
О: Этому способствует рынок EV - все хотят иметь более мощный автомобиль с большим запасом хода, и автопроизводители меняют весь свой ассортимент на EV. Это приводит к большому разнообразию производимых аккумуляторных элементов. Когда вы добавляете это разнообразие к развивающемуся сектору массового производства, который все еще собирает данные о проблемах, происходит постоянное обучение. В будущем эти производители будут иметь статистический контроль процессов, но сейчас это так ново, процессы совершенствуются, и они создают озера данных, чтобы можно было вернуться назад и проверить, где возникли проблемы. Каждый раз, когда вы что-то меняете, вы снова начинаете кривую обучения.
Вы обнаруживаете, что у вас немного лучший химический состав, который, возможно, дает вам преимущество перед конкурентом, и тогда вы делаете это снова. Далее вам нужна батарея для спортивного автомобиля, и теперь она должна быть другого размера. Это своего рода круг, в котором сейчас находится промышленность.
В: Почему компьютерная томография батарей так важна для индустрии EV?
О: Подумайте о структуре ваших маленьких батарей для бытовой техники; то же самое можно сказать и о большой автомобильной батарее. Как только она построена, она запечатана, и вы больше не можете заглянуть в нее - это как черный ящик. Вы можете проверить ток, но вы не знаете истинной целостности его структуры внутри. Производители автомобилей используют технологию инспекции для проверки батарей, которые они покупают у производителей аккумуляторов. Если возникает проблема, они хотят иметь возможность точно знать, где лежит вина: у них или у производителя батарей?
Большое внимание безопасности литий-ионных аккумуляторов было уделено в 2016 году, когда загорелось мобильное устройство Samsung Note 7, и внезапно вы не смогли сесть в самолет, если у вас был Note 7. Компьютерная томография сыграла важную роль в анализе неисправностей в этом случае - она показала, что первопричиной была геометрия упакованных электродов. Электроды были помещены в рулон желе в очень маленьком чехле для телефона, и в определенных местах углы стали слишком острыми, и электроды сломались. Когда они были физически повреждены, в ячейке могло произойти короткое замыкание, что приводило к пожарам.
Батарейные блоки, используемые для EV или хранения энергии, состоят из модулей - каждый модуль состоит из нескольких ячеек. При осмотре батарей на уровне ячеек инженеры обращают внимание на механическое производство, включения, однородность электродов, внутренние соединения (сварка), расположение электродов в ячейках. Если посмотреть на эту пространственную проверку геометрии более пристально, то они анализируют расстояние электродов друг от друга, их размер и ориентацию относительно друг друга, расстояние от стены и углы. Вы можете сделать кое-что из этого с помощью двухмерных рентгеновских систем, но вы не получите полной информации, обычно видны только один или два вида отказа. С помощью компьютерной томографии вы получаете полную картину для критических частей клеток, поскольку они находятся внутри коробки, именно поэтому она была так полезна в ситуации с мобильными телефонами.
В: Когда вы/команда Waygate Technologies начали работать над неразрушающим контролем батарей EV?
Промышленная компьютерная томография батареи, показывающая оценку анодного свеса (©VG/Waygate Technologies)
О: Использование компьютерной томографии для проверки батарей EV стало важным в связи с массовым производством EV. Мы используем литий-ионные батареи в ноутбуках и телефонах уже 15 лет или более, и некоторые из крупнейших брендов бытовой электроники сегодня входят в число наших клиентов. Те же производители, которые уже имеют опыт производства батарей для мобильных телефонов, начали создавать более крупные батареи для EV. Но это большая перемена в масштабах, и именно здесь все становится интересным. Теперь у нас другой набор геометрий, емкостей, корпусов - все модули в этих батареях требуют систем управления батареями. Это совершенно новая вселенная, хотя в ней много тех же производителей.
В: Кто и как сейчас использует набор решений Waygate Technologies для рентгеновского и промышленного компьютерного сканирования?
О: Производители автомобилей используют КТ для анализа отказов. Когда они возвращают батарею из эксплуатации, которая вышла из строя в автомобиле, первое, что они делают, это проверяют ее с помощью компьютерной томографии. Как мы знаем, простое вскрытие батареи может повредить ее, а они получают первый взгляд, ничего не трогая. Компьютерная томография позволяет им доказать, что ошибка была до того, как они открыли батарею. Это также важно с точки зрения безопасности. Если техническим специалистам придется открывать такой модуль, КТ покажет им, куда можно безопасно положить молоток.
Комплект Waygate Technologies Phoenix обеспечивает спокойствие как производителям EV, так и производителям батарей. Самым известным примером того, почему это так важно, является соглашение 2021 года между американским автомобильным брендом и глобальным поставщиком батарей. Возникли большие проблемы с батареей, которая была изготовлена для определенной модели автомобиля, что привело к всеобщему отзыву этого автомобиля. После того как выяснилось, что проблема заключается в батарее, партнерство продолжилось, но уже после согласования компенсации в размере $ миллиарда. Таким образом, вы можете видеть экономическую ценность и репутационные проблемы. Это показывает, насколько важна уверенность в целостности батарей EV - и за эту сумму вы могли бы купить много наших тестовых систем!
Основным решением, которое сейчас используют производители EV и батарей, является система Phoenix V|tome|x, которая доступна в различных версиях в соответствии с индивидуальными требованиями заказчика.
Интересно то, что мы постоянно наблюдаем новые отказы на линиях производства батарей. Именно здесь наша система CT действительно может помочь, потому что вы можете проанализировать всю батарею. Другое испытательное оборудование фокусируется на одном виде отказа. Оно проводит тестовую проверку на одну ошибку, и когда все проходит гладко, появляется новый вид отказа. CT так не поступает. В 90% случаев наши системы КТ могут помочь обнаружить отказ, они гибкие, и тогда мы можем быстро реагировать для проверки этих новых режимов отказа.
В будущем мы хотим перейти к более компьютерной диагностике. Сейчас это изображения, объемные данные и хорошо обученные операторы, но у нас есть цели по внедрению искусственного интеллекта (ИИ). Мы уже работаем над этим, но это сложно, поскольку конфигурации батарей постоянно меняются.
В: Переходя к владельцам автомобилей, как вы видите использование этой технологии проверки при обслуживании EV и по мере роста рынка подержанных автомобилей EV?
О: Большой аккумулятор сродни капиталовложению: вы хотите быть уверены, что он исправен и безопасен сегодня, и отслеживать, как он влияет на стоимость вашего автомобиля в будущем. Сейчас наши технологии не используются на этом рынке "обслуживания EV", но это произойдет, поскольку нет другого способа заглянуть внутрь этих черных ящиков.
В EV никто не отсоединяет электромотор, поэтому ценной деталью становится аккумулятор. Какое обслуживание вы можете предложить для батареи? Индустрия меняется, но если мы немного поразмыслим, то у автодилеров не будет оборудования для такой работы. Они могут собрать электрические данные, но разобрать аккумулятор - это совсем другое дело. Я думаю, что появится второй уровень сервисных центров, где они возьмут вашу батарею и заглянут внутрь, используя такие технологии, как компьютерная томография. Они могут либо изменить конфигурацию батареи, либо, заглянув внутрь, оценить ее стоимость.
Допустим, у вас есть автомобиль, которому три года, гарантия на него закончилась, но вы все равно хотите получить за него хорошую цену; покупатель захочет получить подтверждение состояния батареи. Вот тогда вы можете вложить деньги и сказать: "Вот скан моего аккумулятора, чтобы доказать, что он того стоит".
Сервисные центры также смогут либо рестимулировать модули, либо собирать их заново, заменяя дефектные модули, обнаруженные при КТ-обследовании, чтобы вернуть батарее полную емкость. Это дорогостоящее оборудование, но я верю, что те, кто оснащен такими системами, станут частью экосистемы EV".
#компьютернаятомография #computedtomography #volumegraphics #bakerhuges #waygatetechnologyes #электромобили
#технологии
