نویسنده: ژائو یولونگ - محقق مرکز تحقیقات برقرسانی، چین SAE
راهنمایی فنی: Cui Shaohua - کارشناس ساخت در Tianjin Lishen Battery Co., Ltd.
خلاصه اجرایی و پیشگفتار
یکپارچگی آببندی هرمتیک بستههای باتری خودروهای الکتریکی (EV) و سلولهای باتری جداگانه برای عملکرد، طول عمر و ایمنی عملیاتی آنها حیاتی است. برای از بین بردن خطرات مرتبط با نشت الکترولیت مایع و آلودگی محیطی (مانند نفوذ رطوبت)، بستههای باتری و سلولها در طول چرخه عمر تولید، تحت چندین روش آزمایش نشت قرار میگیرند.
در حالی که روشهای سنتی آزمایش آببندی بر کاهش فشار هوای فشرده متکی هستند، آزمایش گاز ردیاب هلیوم دقت بسیار بالایی را ارائه میدهد. هلیوم به عنوان یک گاز نجیب بیاثر، غیرسمی، غیر قابل اشتعال، بیرنگ و از نظر شیمیایی پایدار است. شعاع اتمی کوچک و چگالی مولکولی پایین آن امکان انتشار سریع از طریق منافذ میکروسکوپی را فراهم میکند. استفاده از طیفسنج جرمی هلیوم (MSLD) برای تشخیص نشت، حساسیت بالا، زمان پاسخ سریع و بازرسی غیرمخرب را فراهم میکند و رعایت دقیق کیفیت را در تولید باتری خودرو تضمین میکند.
بخش اول: سناریوهای کاربردی فناوری تشخیص نشت هلیوم
۱.۱ تشخیص نشتی باتری
تشخیص نشتی در سطح سلول شامل آزمایش نشتی خشک از پوششهای خالی قبل از پر کردن الکترولیت میشود (تشخیص نشتی قبل از هلیوم(معمولاً با استفاده از آزمایش محفظه خلاء فشار مثبت) و آزمایش نشت خشک سلولهای آببندی شده پس از پر کردن الکترولیت و جوشکاری کلاهک (تشخیص نشت پس از هلیم(معمولاً با استفاده از روشهای خلاء فشار منفی).
(1) تشخیص نشتی قبل از هلیوم
آزمایش پیش از هلیوم، یکپارچگی درز جوش را روی پوششهای خام برای سلولهای پوسته آلومینیومی منشوری و استوانهای بررسی میکند. پوشش سلول تخلیه شده، با گاز ردیاب هلیوم 100% دوباره پر شده و آببندی میشود. سپس سلول به یک محفظه خلاء آببندی شده منتقل میشود. پس از تخلیه محفظه، یک طیفسنج جرمی هلیوم، جریان دقیق هلیوم خارج شده از نقصهای ریز را در طول زمان توقف کالیبره شده اندازهگیری میکند.
آستانه رد استاندارد برای آزمایشهای پوشش سلولی صلب، در حد نرخ نشتی تعیین میشود. ۱۰⁻⁶ میلی بار · لیتر بر ثانیهبرای بهینهسازی مصرف گاز، هلیوم را میتوان با هوای خشک یا نیتروژن رقیق کرد. در حالتهای فشار مثبت، هلیوم در داخل سلول تحت فشار بالای ۱ اتمسفر قرار میگیرد؛ گاز خروجی از منافذ نقص از طریق یک پروب بوکش به طیفسنج جرمی برای تجزیه و تحلیل کمی نمونهبرداری میشود.
(2) تشخیص نشت پس از هلیم
آزمایش پس از هلیوم، یکپارچگی نهایی آببندی را پس از پر کردن الکترولیت و جوشکاری پلاگ آببندی تأیید میکند. برای کاهش هزینههای گاز، سیستمهای پس از هلیوم میتوانند هلیوم باقیمانده را که از قبل آببندی شده است، در داخل سلول اندازهگیری کنند. تحت آزمایش محفظه خلاء با فشار منفی، سلول نهایی در یک محفظه آزمایش متصل به سیستم پمپ خلاء بارگذاری میشود. پس از تخلیه محفظه، هرگونه گاز ردیاب داخلی که از طریق پلاگها یا جوشهای آببندی معیوب خارج میشود، به صورت کمی شناسایی میشود و میزان نشت دقیق را تا مقیاسهای زیر میکرون شناسایی میکند.
۱.۲ آزمایش هوابندی بسته باتری و محفظه
آزمایش نشتی باتری، سینیهای باتری، پوششهای بالایی، صفحات خنککننده مایع و محفظههای کامل باتری مونتاژ شده را پوشش میدهد (آزمایش تجمع هلیوم در جو).
محفظههای سلول باتری، واحدهای کنترل توان (PCU)، محفظههای موتور الکتریکی و ماژولهای کنترل الکترونیکی برای برآورده کردن این الزامات مهندسی شدهاند. رتبه حفاظتی IP67 (تحمل غوطهوری در عمق ۱ متری آب به مدت ۳۰ دقیقه بدون نفوذ رطوبت).
مقایسه روش آزمایش: افت فشار در مقابل گاز ردیاب
- روش کاهش فشار: هوا را به داخل محفظه وارد میکند و افت فشار را در طول زمان اندازهگیری میکند. اگرچه مقرون به صرفه است، اما حساسیت آن محدود است و برای نشتهای ریز مناسب نیست.
- روش گاز ردیاب: گاز هلیوم را دوباره به قطعه آزمایش اضافه میکند و گاز ردیاب فرار را با استفاده از طیفسنجی جرمی اندازهگیری میکند. حساسیت فوقالعاده بالا و زمان پاسخ سریع را فراهم میکند.
بهترین شیوههای صنعتی، آزمونهای جهانی آنلاین را با هم ترکیب میکنند (روش انباشت جوی) با بازرسی محلی آفلاین (روش پروب اسنیفر).
روش انباشت جوی (آزمایش جهانی آنلاین)
بسته باتری مونتاژ شده با گاز ردیاب با غلظت کم (مثلاً 6% He در N₂) در فشار دیفرانسیل داخلی کم (حدود ۳ کیلوپاسکال) درون یک محفظه انباشت اتمسفری شارژ میشود. فنهای دمنده، هلیوم فرار شده را در سراسر حجم محفظه همگن میکنند و یک خط نمونهبرداری، گاز را به یک آشکارساز نشت هلیوم تغذیه میکند تا نشتی کل یکپارچه را اندازهگیری کند.
- تنش سازهای صفر: اختلاف فشار کم (حدود ۳ کیلوپاسکال) از محفظههای بزرگ باتری در برابر تغییر شکل فیزیکی محافظت میکند.
- مخلوط گاز مقرون به صرفه: با غلظتهای پایین هلیوم (حدود 6% He) به طور مؤثر کار میکند و هزینههای گاز را کاهش میدهد.
- سرعت چرخه بالا: زمانهای چرخه درون خطی سریع و خودکار را مطابق با خطوط تولید خودرو با حجم بالا ارائه میدهد.
روش اسنیفر (مکانیابی آفلاین)
هنگام آزمایش بستههای باتری مونتاژ شده که در آنها خلاء بالا میتواند به واشرهای محیطی یا خازنهای الکتریکی آسیب برساند، از آزمایش بوکشی آفلاین استفاده میشود. یک بازوی رباتیک یا تکنسین، یک پروب بوکشی را در امتداد درزهای جوش محیطی و اتصالات واشر هدایت میکند. در حالتهای ردیابی استاتیک یا دینامیک، روش بوکشی به سرعت مکانهای دقیق نشت را مشخص میکند.
بخش دوم: پیشرفتهای کلیدی فناوری در آزمایش هلیوم
۲.۱ نوآوریها در تشخیص و ایمنی کیفیت
تشخیص مستقیم بخار حلال الکترولیت
توسعهدهندگان پیشرو در زمینه ابزار دقیق مانند داکسین تشخیص مستقیم حلال الکترولیت بدون تزریق هلیوم را معرفی کرد. در شرایط خلاء خوب (حدود چند میلی بار)، حلالهای الکترولیت مایع که از ریزنشتها خارج میشوند، فوراً تبخیر میشوند و مستقیماً توسط طیفسنجهای جرمی تخصصی (مثلاً ELT3000) شناسایی میشوند. حلالهای رایج شناسایی شده شامل دی متیل کربنات (DMC)، دی اتیل کربنات (DEC)، اتیل متیل کربنات (EMC) و پروپیل پروپیونات (PP) هستند. برای سلولهای کیسهای انعطافپذیر، محفظههای غشایی انعطافپذیر ثبت اختراع شده، سطوح کیسه را بدون اعوجاج ساختاری پشتیبانی میکنند.
حذف خطرات آبکاری لیتیوم
تزریق هلیوم ثانویه مرسوم پس از پر کردن الکترولیت، خطر به دام افتادن گاز را به همراه دارد که باعث توزیع جریان ناهموار موضعی و آبکاری لیتیوم در طول تشکیل سلول. تجهیزات پیشرفته تست نشتی پر کردن و آببندی الکترولیت، یکپارچگی جوش آببندی را بدون تزریق گاز تأیید میکند و نقاط کور کنترل کیفیت را از بین میبرد و هزینههای فرآیند را کاهش میدهد.
۲.۲ بازیابی هلیوم حلقه بسته و کاهش هزینه
از آنجا که هلیوم خام یک گاز نجیب کمیاب است (با وابستگی صنعتی به واردات بیش از 95% در مناطق تولیدی کلیدی)، گاز هلیوم بیش از 50% از هزینههای عملیاتی تست نشتی را به خود اختصاص میدهد. استراتژیهای اصلی کاهش هزینه عبارتند از:
- سیستمهای بازیابی با راندمان بالا: سیستمهای بازیابی حلقه بسته (مثلاً Hubei Ruicheng) تا 85%+ هلیوم مصرف شده را بازیابی میکنند.
- کنترل دقیق مخلوط کردن و آماده به کار هلیوم: ماژولهای هوشمند صرفهجویی در مصرف گاز (مثلاً شانگهای زوندائو) در دورههای بیکاری به طور خودکار گاز حامل را به نیتروژن تغییر میدهند.
- واحدهای بازیابی و تصفیه یکپارچه: سیستمهای تصفیه در محل (مثلاً Oubi Electronic Tech) گاز بازیافتی را برای استفاده مجدد و مداوم، دوباره تصفیه میکنند.
- پروتکلهای آزمایش با غلظت کم: استفاده از روشهای مخلوط هلیوم با غلظت کم 10% (مثلاً آزمایش گوانگشون) هزینههای تهیه هلیوم را تا 90% کاهش میدهد.
۲.۳ ادغام صنعت خودکار ۴.۰
تجهیزات مدرن تشخیص نشت هلیوم برای تولید باتری هوشمند کاملاً خودکار هستند:
- نظارت خودکار بر فشار: رابطهای HMI صفحه لمسی، تشخیص فشار در لحظه، ارزیابی موفقیت/شکست و فعالسازی آلارم را فراهم میکنند.
- جابجایی مواد توسط ربات: رباتهای صنعتی هماهنگشده، بارگیری خودکار، ثبت شماره سریال و مرتبسازی خودکار PASS/FAIL را انجام میدهند.
- معماری موازی چند محفظهای: اتصال چند جعبهای، خطوط تولید انعطافپذیر را با تغییر سریع ابزار امکانپذیر میکند.
- اینترنت اشیا صنعتی و قابلیت ردیابی: سیستمهای یکپارچه IIoT پارامترهای آزمایش را ذخیره میکنند، امکان تشخیص از راه دور را فراهم میکنند و قابلیت ردیابی کامل دیجیتال را برای تضمین کیفیت حفظ میکنند.
- خطوط استوانهای پرسرعت: معماریهای پیشرفته خطوط تولید (مانند خطوط تشخیص نشت باتری استوانهای ۴۶۸۰ ساخت شرکت Wanyi Tech) آزمایش اولیه، آزمایش ثانویه، بازیابی و خالصسازی را در یک گردش کار خودکار پیوسته ادغام میکنند.
بخش سوم: نتیجهگیری و چشمانداز صنعت
با رشد سریع بازارهای جهانی خودروهای برقی و سیستمهای ذخیره انرژی (ESS)، فناوری تشخیص نشت هلیوم همچنان به سرعت در حال پیشرفت است. در حالی که تولیدکنندگان تجهیزات داخلی شکافهای عملکردی در دقت، پایداری و سرعت اندازهگیری را به طور قابل توجهی پر کردهاند، تلاشهای مهندسی مداوم بر غلبه بر وابستگی به واردات قطعات اصلی، افزایش دوام حسگر طیفسنج جرمی و گسترش زیرساختهای بازیابی گاز حلقه بسته متمرکز است.
با افزایش ظرفیت جهانی تولید باتری به تراوات ساعت (TWh)، تشخیص خودکار نشتی با دقت بالا همچنان یک رکن اساسی در ارائه راهحلهای ذخیرهسازی انرژی ایمن، قابل اعتماد و بادوام است.