无损可视化检测 - 动力电池的CT应用

Waygate Technologies的电子器件检测技术总监Tobias Neubrand博士解释了如今的工业射线照相和计算机断层扫描(CT)系统 如何改变着电池的无损检测；为什么无损检测是当今快速增长的电动汽车(EV)和电动交通制造行业以及未来二手电动汽车销售商的 迫切需求。 显示电池极卷整齐度结果的工业CT扫描（©VG/Waygate Technologies） Q1您能先谈谈目前电池的情况，再从技术角度概述一下电动汽车电池的发展吗？ Tobias:从研发的角度来看，锂离子电芯技术的应用已经成熟，并且或多或少处于发展的末期。 制造商面临的下一个障碍是实现大规模生产中仍然保持这些电池的可靠性和高品质，并降低成本。 在实验室里小批量试制时，一切正常。但当你将其投入大规模生产时，就会出现一些问题。 例如他们可能使用来自不同供应商的化学材料，这可能会导致电芯在自动化大规模生产过程中出现故障。 所有供应商之间没有共同的标准，当电芯在某个测试点未通过测试并从生产线移除时，产生的废料是一个大的成本问题。 比如二维X射线照相系统已经在车间中使用，可以测试出20%的电芯为坏电芯。我们可以使用三维CT技术进行更详细的检查，更准 确地评估电芯。这可以快速完成测试，并减少故障测试失败率，减少废料。 Tobias Neubrand博士 电子器件检测技术总监 Waygate Technologies Q2“废料”怎么处理呢？ Tobias:废料不是废弃物 - 它是未来的原材料。它能够直接进入回收步骤。电芯生产中百分之几的失效电芯都可以进入回收步骤成 为未来新电芯生产的原材料。如果你把它想象成一条饼干生产线，你就会发现问题。如果你每生产十块饼干其中都有两块是坏的， 那么你就没有足够的好饼干去填满一整盒。这就是这些电池制造商面临的问题。每一个被测试为失效的电芯都会降低整体的生产效 率并增加了生产成本。 Q3为什么拥有成熟的技术，锂离子电池电芯的故障率仍然很高？ Tobias:这是由电动汽车市场驱动的 - 每个人都想要一辆动力更强大、续航里程更长的汽车，汽车制造商正在将其整个产品组合转 向电动汽车。这使得正在生产的电池电芯种类繁多。五花八门的电芯对于一个仍然在收集各种问题数据的新兴大规模生产领域，就 会是持续的学习过程。在未来，这些制造商将会有过程控制统计，但现在它处于初始阶段，该过程控制正在改进，他们正在创建数 据库，以便他们可以回溯哪里发生了问题。每次你改变一些东西，就会重新建立你的学习曲线。 你发现稍微好一点的化学工艺，这也许使你优于你的竞争对手，所以你会再次对此进行优化。接下来，你想要制造一个跑车电池， 现在需要做一个不同尺寸的设计。这是这个行业现在所处的一种循环。 缺陷软包电芯的工业CT扫描（©Waygate Technologies） Q4为什么CT电池检查对电动汽车行业如此重要？ Tobias:想想家用电器的小电池结构，对于大型汽车电池也是如此。电池完成制成时就被密封了，你再也看不到里面了 - 它就像一 个黑匣子。你可以测试电流，但你不知道它内部结构的真正完整性。汽车制造商使用检测技术来检查他们从电池制造商那里购买的 电池。如果出现问题，他们希望能够确切地知道故障所在：是他们自己的问题，还是电池制造商的问题？ 2016年三星Note 7手机起火爆炸事件使人们开始关注锂离子电池的安全性，当时如果你持有的是Note 7手机，就无法乘坐飞机。 在这种情况下，CT检查在故障分析中很重要 - 它会展示电池缺陷的根本原因，即包装电极材料的几何形状。电极材料安装在包装 膜内再安装到手机中，由于其安装空间非常有限，在某些地方，角度如果太尖锐，电极材料就出现断裂。一旦电极材料出现物理损 伤，他们可能会在电芯造成短路，导致起火。 用于电动汽车或储能的电池包由多块电池模组组成，每个模组由多个电芯组成。当在电芯层面上进行电池检查时，工程师们会查看 常见的缺陷比如夹杂物、电极均匀性、内部连接（焊接）、电极在电芯中的位置。如果我们更仔细地观察这种几何结构的空间分 布，他们会分析电极之间的距离、它们彼此的大小和方向、它们与包装膜壁的距离以及它们的角度。你可以用二维X射线照相系统 透视进行简单的检查，但无法得到完整的信息，通常只有一或两个故障形式可见。有了CT，你可以看到密封的电芯关键部位的全 貌，为此，CT在检查手机电池方面也非常有用。 Q5您和Waygate Technologies的团队什么时候开始进行电动汽车电池无损检测？ Tobias:随着电动汽车的大规模生产，使用CT检查电动汽车电池变得非常重要。我们在笔记本电脑和手机锂离子电池方面的检测已 经有15年或更长的时间了，如今消费电子领域的一些顶级品牌都是我们的客户。那些已经在生产手机电池方面有经验的制造商也 开始为电动汽车生产更大的电池。这是一个巨大变化，也是事情变得有趣的地方。现在市场上有着各种不同的几何结构、容量和封 装的电池 - 这些电池形成的模组都需要电池管理系统。这是一个完全全新且多样化的行业。 电池PHEV-1电芯的组装（©ZSW/Waygate Technologies） Q6现在谁在使用Waygate Technologies X射线照相和工业CT扫描解决方案套件？如何使用？ Tobias:汽车制造商正在使用CT进行故障分析。当他们从故障车辆现场取回一块电池时，他们做的第一件事就是对电池进行CT检 查。正如我们所知，仅仅是打开电池的动作就可能损坏电池，而他们在不接触任何东西的情况下就能获得电池的全貌。CT检查使 他们能够证明故障在他们拆卸之前就存在。从安全角度来看，这也很重要。如果技术人员必须打开这样的模块，CT会向他们显示 可以安全拆卸的位置。 Phoenix检测系统让电动汽车制造商和电池制造商对电池的使用更安心。这一点之所以如此重要，最著名的例子是2021年一个美 国汽车品牌与一家全球电池供应商之间的和解。其中某款车型制造的电池出现了严重问题，导致该车型被全部召回。发现是电池问 题后，双方虽继续保持合作，但达成了10亿美元的赔偿协议。由此，可以看到经济价值和声誉问题。该案例证明了清楚地了解电 动汽车电池的结构完整性是多么重要 - 赔偿金额都能购买我们的大量的测试系统了！ 电动汽车和电池制造商目前使用的主要解决方案是Phoenix V|tome|x系统，该系统根据不同客户的需求提供不同版本。 有趣的是，我们一直看到电池生产线上出现新的电池故障。这是我们的CT系统真正能提供帮助的地方，可对整个电池进行分析。 其他测试设备侧重于故障形式的一个个检测。它会对一个错误进行测试检查，当无错误时，会接着检测一个新的故障形式。 而CT不会这样检测。在90%的情况下，我们的CT系统可以灵活、快速同时检查这些新的故障形式。 在未来，我们希望更多地使用计算机辅助诊断。现目前，我们需要的是图像、体数据和训练有素的操作员，但我们的目标是引入更 多人工智能(AI)。我们已经在做这方面的工作，但它很复杂，因为电池配置一直在变化。 电动汽车电池组（©Waygate Technologies） Q7下面聊聊车主相关的话题，随着电动汽车二手车市场的增长，您如何看待这种检测技术在电动汽车维修中的应用？ Tobias:大电池有点像资本投资：你想确保它今天是安全可靠的，并跟踪它在未来如何影响你汽车的价值。目前，我们的技术还没 有在这个“服务电动汽车”市场中使用，但它终将会出现，因为没有其他方法可以看到这些黑匣子的内部。 对于电动汽车来说，没有人能绕开电池，因为电池是最有价值的部分。您能为电池做什么样的保养呢？这个行业正在发生变化， 但我们可以做一点预测，汽车经销商将不会有做这种工作的设备。他们可以收集电气数据，但拆卸电池组是另一回事。我认为会有 第二层的服务中心出现，在服务中心他们会把你的电池拆卸下来，利用CT系统等技术检查电池内部。他们可以重新配置电池，也 可以检查电池内部后对其进行评估。 假设你有一辆车，开了三年，已经过了保修期，但是你仍然想卖个好价钱，买家需要电池状况的证明。这时候你可以去服务中心检 测，并说，“这是我的电池扫描证明，我的车值这个价钱。” 服务中心还将能够重新模拟模块或重新组装模块，更换CT检查发现的故障模块，以使电池恢复满容量。虽然购置设备的费用高 昂，但我相信那些配备了这些系统的人将成为电动汽车生态系统的一部分。