مؤلف: تشاو يولونغ - باحث في مركز أبحاث الكهرباء، الجمعية الصينية لمهندسي السيارات
إرشادات فنية: تسوي شاوهوا - خبير التصنيع في شركة Tianjin Lishen Battery Co., Ltd.
ملخص تنفيذي ومقدمة
يُعدّ ضمان إحكام إغلاق حزم بطاريات الطاقة في المركبات الكهربائية وخلاياها الفردية أمرًا بالغ الأهمية لأدائها وعمرها الافتراضي وسلامتها التشغيلية. وللقضاء على المخاطر المرتبطة بتسرب الإلكتروليت السائل والتلوث البيئي (مثل تسرب الرطوبة)، تخضع حزم البطاريات وخلاياها لاختبارات تسرب متعددة طوال دورة الإنتاج.
بينما تعتمد طرق اختبار منع التسرب التقليدية على انخفاض ضغط الهواء المضغوط، يوفر اختبار غاز الهيليوم المتتبع دقة فائقة. فالهيليوم، كونه غازًا نبيلًا خاملًا، غير سام، وغير قابل للاشتعال، وعديم اللون، ومستقر كيميائيًا. كما أن صغر نصف قطره الذري وانخفاض كثافته الجزيئية يسمحان له بالانتشار السريع عبر المسام المجهرية. يوفر استخدام مطياف كتلة الهيليوم للكشف عن التسرب حساسية عالية، وسرعة استجابة فائقة، وفحصًا غير متلف، مما يضمن الالتزام الصارم بمعايير الجودة في جميع مراحل تصنيع بطاريات السيارات.
القسم الأول: سيناريوهات تطبيق تقنية الكشف عن تسرب الهيليوم
1.1 الكشف عن تسرب خلايا البطارية
يشمل الكشف عن التسرب على مستوى الخلية اختبار التسرب الجاف للأغلفة الفارغة قبل ملئها بالإلكتروليت (الكشف عن تسرب الهيليوم قبل بدء التشغيل(عادةً ما تستخدم اختبارات غرفة التفريغ ذات الضغط الإيجابي) واختبار التسرب الجاف للخلايا المغلقة بعد ملء الإلكتروليت ولحام الغطاء (الكشف عن تسرب الهيليوم بعد الاستخدام(عادةً ما تستخدم طرق الفراغ ذات الضغط السلبي).
(1) الكشف عن تسرب الهيليوم قبل
يُجرى اختبار ما قبل حقن الهيليوم للتحقق من سلامة لحامات الأغلفة الخام للخلايا ذات الغلاف الألومنيومي المنشوري والأسطواني. يُفرغ غلاف الخلية من الهواء، ثم يُملأ بغاز الهيليوم 100% المستخدم كمتتبع، ويُغلق بإحكام. بعد ذلك، تُنقل الخلية إلى غرفة تفريغ محكمة الإغلاق. عند تفريغ الغرفة، يقيس مطياف كتلة الهيليوم تدفق الهيليوم بدقة من العيوب المجهرية خلال فترة زمنية مُعايرة.
تم تحديد عتبة رفض قياسية لاختبارات غلاف الخلية الصلبة عند حد معدل التسرب التالي: 10⁻⁶ ملي بار·لتر/ثانيةلتحسين استهلاك الغاز، يمكن تخفيف الهيليوم بالهواء الجاف أو النيتروجين. في أوضاع الضغط الموجب، يُضغط الهيليوم فوق ضغط جوي واحد داخل الخلية؛ ويُؤخذ الغاز المتسرب عبر المسام المعيبة بواسطة مسبار استشعار إلى مطياف الكتلة لإجراء التحليل الكمي.
(2) الكشف عن تسرب الهيليوم بعد
يُجرى اختبار ما بعد الهيليوم للتحقق من سلامة الإغلاق النهائي بعد ملء الإلكتروليت ولحام سدادات الإغلاق. ولتقليل تكاليف الغاز، يمكن لأنظمة ما بعد الهيليوم قياس كمية الهيليوم المتبقية داخل الخلية قبل إغلاقها. في اختبار غرفة التفريغ ذات الضغط السلبي، تُوضع الخلية الجاهزة في غرفة اختبار متصلة بنظام مضخة تفريغ. عند تفريغ الغرفة، يُكشف كميًا عن أي غاز متتبع داخلي يتسرب عبر سدادات الإغلاق أو اللحامات المعيبة، مما يُحدد بدقة حجم التسرب وصولًا إلى مقياس الميكرون الفرعي.
1.2 اختبار إحكام غلق حزمة البطارية والعلبة
يشمل اختبار تسرب حزمة البطارية صواني الحزم، والأغطية العلوية، وألواح التبريد السائل، وحاويات البطاريات المجمعة بالكامل (اختبار تراكم الهيليوم في الغلاف الجوي).
تم تصميم أغلفة خلايا البطاريات ووحدات التحكم في الطاقة (PCU) وأغلفة المحركات الكهربائية ووحدات التحكم الإلكترونية لتلبية المتطلبات التالية: تصنيف الحماية IP67 (تحمل الغمر في الماء بعمق متر واحد لمدة 30 دقيقة دون دخول أي رطوبة).
مقارنة منهجية الاختبار: انخفاض الضغط مقابل الغاز المتتبع
- طريقة انخفاض الضغط: يقوم الجهاز بضخ الهواء داخل الحاوية وقياس انخفاض الضغط بمرور الوقت. ورغم أنه اقتصادي، إلا أن حساسيته محدودة وغير مناسبة للكشف عن التسريبات الدقيقة.
- طريقة الغاز المتتبع: يقوم الجهاز بإعادة ملء عينة الاختبار بغاز الهيليوم، ثم يقيس الغاز المتسرب باستخدام مطياف الكتلة. يوفر الجهاز حساسية فائقة وسرعة استجابة عالية.
أفضل الممارسات في هذا المجال تجمع بين الاختبارات العالمية عبر الإنترنت (طريقة التراكم الجوي) مع فحص محلي غير متصل بالإنترنت (طريقة مسبار الاستنشاق).
طريقة التراكم الجوي (الاختبار العالمي عبر الإنترنت)
تُشحن حزمة البطارية المُجمّعة بغاز مُتتبّع منخفض التركيز (مثل 6% He في N₂) عند فرق ضغط داخلي منخفض (~3 كيلو باسكال) داخل حجرة تجميع جوية. تعمل مراوح النفخ على تجانس الهيليوم المُتسرب في جميع أنحاء حجم الحجرة، ويقوم خط أخذ العينات بتغذية الغاز إلى كاشف تسرب الهيليوم لقياس إجمالي التسرب المُتكامل.
- انعدام الإجهاد الهيكلي: يحمي فرق الضغط المنخفض (~3 كيلو باسكال) حاويات حزم البطاريات الكبيرة من التشوه المادي.
- مزيج الغاز الفعال من حيث التكلفة: يعمل بكفاءة مع تركيزات منخفضة من الهيليوم (~6% He)، مما يقلل من نفقات الغاز.
- سرعة دورة عالية: يوفر أوقات دورة سريعة وآلية ضمن خط الإنتاج، تتناسب مع خطوط إنتاج السيارات ذات الحجم الكبير.
طريقة الاستنشاق (تحديد موقع النقطة غير المتصلة بالإنترنت)
عند اختبار حزم البطاريات المُجمّعة، حيث قد يُؤدي الفراغ العالي إلى تلف الحشيات المحيطية أو المكثفات الكهربائية، يُستخدم اختبار الكشف عن التسرب خارج نطاق الاختبار. يقوم ذراع آلي أو فني بتوجيه مسبار الكشف على طول خطوط اللحام المحيطية ووصلات الحشيات. في وضعَي التتبع الثابت والديناميكي، تُحدد طريقة الكشف عن التسرب مواقع التسرب بدقة وسرعة.
القسم الثاني: التطورات التكنولوجية الرئيسية في اختبار الهيليوم
2.1 الابتكارات في مجال الكشف والسلامة النوعية
الكشف المباشر عن بخار المذيب الإلكتروليتي
كبار مطوري أجهزة القياس مثل داكسين تم استحداث تقنية الكشف المباشر عن مذيبات الإلكتروليت دون الحاجة إلى حقن الهيليوم. في ظل ظروف فراغ دقيقة (بضع مليبارات)، تتبخر مذيبات الإلكتروليت السائلة المتسربة من التسريبات الدقيقة فورًا، ويتم الكشف عنها مباشرةً بواسطة مطياف كتلة متخصص (مثل ELT3000). تشمل المذيبات الشائعة التي يتم الكشف عنها: ثنائي ميثيل كربونات (DMC)، وثنائي إيثيل كربونات (DEC)، وإيثيل ميثيل كربونات (EMC)، وبروبيل بروبيونات (PP). بالنسبة للخلايا المرنة ذات الأكياس، تدعم حجرات الغشاء المرن الحاصلة على براءة اختراع أسطح الأكياس دون أي تشوه هيكلي.
القضاء على مخاطر طلاء الليثيوم
ينطوي حقن الهيليوم الثانوي التقليدي بعد ملء الإلكتروليت على خطر انحباس الغاز، مما يتسبب في توزيع غير متساوٍ للتيار على المستوى الموضعي. طلاء الليثيوم أثناء تكوين الخلية. تعمل معدات اختبار تسرب سدادة التعبئة والإغلاق المتقدمة للإلكتروليت على التحقق من سلامة لحام سدادة الإغلاق دون حقن الغاز، مما يزيل نقاط الضعف في مراقبة الجودة ويقلل من تكاليف العملية.
2.2 استعادة الهيليوم في دائرة مغلقة وخفض التكاليف
نظراً لندرة غاز الهيليوم الخام (حيث تتجاوز نسبة الاعتماد الصناعي على استيراده 951 تريليون طن في المناطق الصناعية الرئيسية)، فإن تكلفة غاز الهيليوم تُشكّل أكثر من 501 تريليون طن من نفقات التشغيل لاختبارات التسرب. وتشمل استراتيجيات خفض التكاليف الرئيسية ما يلي:
- أنظمة استعادة عالية الكفاءة: تستعيد أنظمة الاسترداد ذات الحلقة المغلقة (مثل هوبي رويشنغ) ما يصل إلى 85%+ من الهيليوم المستهلك.
- خلط دقيق للهيليوم والتحكم في وضع الاستعداد: تقوم وحدات توفير الغاز الذكية (مثل Shanghai Zundao) بتحويل إمدادات الغاز الحامل إلى النيتروجين تلقائيًا خلال فترات الخمول.
- وحدات الاستخلاص والتنقية المتكاملة: تقوم أنظمة التنقية الموجودة في الموقع (مثل شركة Oubi Electronic Tech) بإعادة تنقية الغاز المعاد تدويره لإعادة استخدامه بشكل مستمر.
- بروتوكولات اختبار التركيز المنخفض: يؤدي استخدام طرق خليط الهيليوم منخفض التركيز 10% (مثل اختبار غوانغشون) إلى تقليل نفقات شراء الهيليوم بما يصل إلى 90%.
2.3 التكامل الآلي للصناعة 4.0
معدات الكشف الحديثة عن تسرب الهيليوم مؤتمتة بالكامل لتصنيع البطاريات الذكية:
- مراقبة الضغط الآلية: توفر واجهات HMI التي تعمل باللمس تشخيصًا فوريًا للضغط، وتقييمًا للنجاح/الفشل، ومحفزات الإنذار.
- مناولة المواد الروبوتية: تقوم الروبوتات الصناعية المتزامنة بتنفيذ عمليات التحميل الآلي، وتسجيل الأرقام التسلسلية، والفرز التلقائي للنجاح/الفشل.
- بنية متوازية متعددة الحجرات: تتيح وصلات الصناديق المتعددة خطوط إنتاج مرنة مع تغييرات سريعة في الأدوات.
- إنترنت الأشياء الصناعية وإمكانية التتبع: تقوم أنظمة إنترنت الأشياء الصناعية المتكاملة بتخزين معلمات الاختبار، وتمكين التشخيص عن بعد، والحفاظ على إمكانية التتبع الرقمي الكامل لضمان الجودة.
- خطوط أسطوانية عالية السرعة: تدمج بنى الخطوط المتقدمة (مثل خطوط الكشف عن تسرب البطاريات الأسطوانية 4680 من شركة Wanyi Tech) الاختبار الأولي والاختبار الثانوي والاسترداد والتنقية في سير عمل آلي مستمر.
القسم الثالث: خاتمة الصناعة وتوقعاتها
مدفوعةً بالنمو السريع في أسواق المركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة العالمية، تستمر تقنية الكشف عن تسرب الهيليوم في التطور بوتيرة متسارعة. وبينما نجح مصنّعو المعدات المحليون في تضييق فجوات الأداء بشكل ملحوظ في دقة القياس واستقراره وسرعته، تركز الجهود الهندسية المستمرة على التغلب على الاعتماد على استيراد المكونات الأساسية، وتعزيز متانة مستشعرات مطياف الكتلة، وتوسيع نطاق البنية التحتية لاستعادة الغاز في الدائرة المغلقة.
مع توسع نطاق تصنيع البطاريات نحو قدرات عالمية تصل إلى تيراواط ساعة (TWh)، يظل الكشف الآلي عالي الدقة عن التسرب ركيزة أساسية في تقديم حلول تخزين طاقة آمنة وموثوقة ودائمة.