Автор: Чжао Юлун — научный сотрудник Центра исследований электрификации Китайской ассоциации инженеров-электротехников.
Технические рекомендации: Цуй Шаохуа — Эксперт по производству Tianjin Lishen Battery Co., Ltd.
Краткое содержание и предисловие
Герметичность батарейных блоков и отдельных элементов электромобилей имеет решающее значение для их производительности, долговечности и безопасности эксплуатации. Для устранения рисков, связанных с утечкой жидкого электролита и загрязнением окружающей среды (например, попаданием влаги), батарейные блоки и элементы проходят многократные проверки на герметичность на протяжении всего производственного цикла.
В то время как традиционные методы проверки герметичности основаны на снижении давления сжатого воздуха, тестирование с использованием гелиевого трассирующего газа обеспечивает превосходную точность. Будучи инертным благородным газом, гелий нетоксичен, негорюч, бесцветен и химически стабилен. Его малый атомный радиус и низкая молекулярная плотность позволяют ему быстро диффундировать через микроскопические поры. Использование гелиевого масс-спектрометра для обнаружения утечек (MSLD) обеспечивает высокую чувствительность, быстрое время отклика и неразрушающий контроль, гарантируя строгое соответствие стандартам качества в производстве автомобильных аккумуляторов.
Раздел I: Сценарии применения технологии обнаружения утечек гелия
1.1 Обнаружение утечек в элементах батареи
Обнаружение утечек на уровне ячеек включает в себя проверку герметичности пустых корпусов всухую перед заполнением электролитом.Предварительное обнаружение утечки гелия(обычно с использованием испытаний в вакуумной камере с избыточным давлением) и испытаний на герметичность герметичных ячеек после заполнения электролитом и сварки крышки (Обнаружение утечки гелия после её удаления(обычно с использованием методов создания отрицательного вакуума).
(1) Предварительное обнаружение утечки гелия
Предварительное гелиевое тестирование проверяет целостность сварного шва на необработанных корпусах как призматических алюминиевых, так и цилиндрических ячеек. Корпус ячейки вакуумируется, заполняется гелием-трассером 100% и герметизируется. Затем ячейка помещается в герметичную вакуумную камеру. После вакуумирования камеры гелиевый масс-спектрометр измеряет точный поток гелия, выходящего из микродефектов, в течение калиброванного времени выдержки.
Стандартный порог отбраковки при испытаниях жестких корпусов ячеек устанавливается на уровне предельной скорости утечки, равной 10⁻⁶ мбар·л/сДля оптимизации расхода газа гелий можно разбавлять сухим воздухом или азотом. В режимах с избыточным давлением гелий внутри ячейки находится под давлением выше 1 атмосферы; выходящий через дефектные поры газ отбирается с помощью газоанализатора и поступает в масс-спектрометр для количественного анализа.
(2) Обнаружение утечки гелия после завершения эксперимента
Контроль с использованием гелия после заливки электролитом и сварки уплотнительных пробок позволяет проверить целостность окончательной герметизации. Для снижения затрат на газ системы контроля с использованием гелия позволяют измерять остаточное количество гелия, предварительно загерметизированного внутри ячейки. При испытаниях в вакуумной камере с отрицательным давлением готовая ячейка помещается в испытательную камеру, подключенную к вакуумной насосной системе. После откачки воздуха из камеры количественно определяется количество внутреннего трассирующего газа, выходящего через дефектные уплотнительные пробки или сварные швы, что позволяет точно определить величину утечек вплоть до субмикронных размеров.
1.2 Проверка герметичности аккумуляторного блока и корпуса
Проверка герметичности аккумуляторных батарей включает в себя проверку лотков батарейного блока, верхних крышек, пластин жидкостного охлаждения и собранных корпусов батарей в сборе.Испытания на накопление гелия в атмосфере).
Корпуса аккумуляторных батарей, блоки управления питанием (PCU), корпуса электродвигателей и электронные модули управления спроектированы в соответствии с требованиями. Степень защиты IP67 (Выдерживает погружение в воду на глубину 1 метр в течение 30 минут без проникновения влаги).
Сравнение методик тестирования: спад давления и трассирующий газ.
- Метод снижения давления: Закачивает воздух в корпус и измеряет падение давления во времени. Несмотря на экономичность, его чувствительность ограничена, и он не подходит для обнаружения мелких микроутечек.
- Метод трассирующего газа: Заполняет исследуемый образец гелием и измеряет выходящий из него трассирующий газ с помощью масс-спектрометрии. Обеспечивает сверхвысокую чувствительность и быстрое время отклика.
Передовая отраслевая практика сочетает в себе глобальное онлайн-тестирование (Метод атмосферного накопления) с локализованной инспекцией в автономном режиме (Метод зонда-нюхача).
Метод атмосферного накопления (глобальное онлайн-тестирование)
Собранный аккумуляторный блок заряжается низкоконцентрированным трассирующим газом (например, 6% He в N₂) при низком внутреннем перепаде давления (~3 кПа) внутри атмосферной накопительной камеры. Вентиляторы равномерно распределяют выходящий гелий по всему объему камеры, а по пробоотборной линии газ подается в детектор утечки гелия для измерения общей суммарной утечки.
- Нулевое структурное напряжение: Низкий перепад давления (~3 кПа) защищает корпуса крупных аккумуляторных батарей от физической деформации.
- Экономически эффективная газовая смесь: Эффективно работает при низких концентрациях гелия (~6% He), что позволяет сократить расходы на газ.
- Высокая скорость цикла: Обеспечивает быстрое автоматизированное поточное производство, соответствующее требованиям высокопроизводительных линий автомобильной промышленности.
Метод обнаружения запахов (определение местоположения в автономном режиме)
При тестировании собранных аккумуляторных батарей, где высокий вакуум может повредить прокладки по периметру или электрические конденсаторы, применяется автономный метод анализа герметичности с помощью газоанализатора. Роботизированная рука или техник перемещают зонд газоанализатора вдоль сварных швов и стыков прокладок по периметру. В статическом или динамическом режимах слежения метод анализа герметичности быстро определяет точные места утечек.
Раздел II: Ключевые технологические достижения в области испытаний с использованием гелия
2.1 Инновации в области обнаружения и обеспечения качества и безопасности
Прямое обнаружение паров электролитного растворителя
Ведущие разработчики измерительного оборудования, такие как Даксин Была внедрена технология прямого обнаружения растворителей электролита без впрыскивания гелия. В условиях тонкого вакуума (~несколько миллибар) жидкие растворители электролита, вытекающие из микроутечек, мгновенно испаряются и обнаруживаются непосредственно специализированными масс-спектрометрами (например, ELT3000). К часто обнаруживаемым растворителям относятся диметилкарбонат (DMC), диэтилкарбонат (DEC), этилметилкарбонат (EMC) и пропилпропионат (PP). Для гибких пакетных ячеек запатентованные гибкие мембранные камеры поддерживают поверхности пакетов без структурных деформаций.
Устранение рисков, связанных с нанесением литиевого покрытия.
Традиционная вторичная подача гелия после заполнения электролитом сопряжена с риском захвата газа, что приводит к локальному неравномерному распределению тока и литиевое покрытие в процессе формирования ячейки. Усовершенствованное оборудование для проверки герметичности герметизирующей пробки и заполнения электролитом позволяет подтвердить целостность сварного шва герметизирующей пробки без впрыскивания газа, устраняя «слепые зоны» в контроле качества и снижая производственные затраты.
2.2 Рекуперация гелия в замкнутом цикле и снижение затрат
Поскольку чистый гелий является дефицитным инертным газом (зависимость от промышленного импорта в ключевых производственных регионах превышает 951 тыс. тонн), на гелий приходится более 501 тыс. тонн операционных расходов на проверку герметичности. Основные стратегии снижения затрат включают:
- Высокоэффективные системы рекуперации: Системы замкнутого цикла рекуперации (например, Hubei Ruicheng) позволяют извлекать до 851 тонны и более отработанного гелия.
- Точное смешивание гелия и контроль режима ожидания: Интеллектуальные газосберегающие модули (например, Shanghai Zundao) автоматически переключают подачу газа-носителя на азот в периоды простоя.
- Комплексные установки для регенерации и очистки: Системы очистки на месте (например, Oubi Electronic Tech) повторно очищают рециркулируемый газ для непрерывного использования.
- Протоколы тестирования низких концентраций: Использование методов получения смесей гелия низкой концентрации (например, метод Гуаншуньского тестирования) позволяет снизить затраты на закупку гелия до 901 ТТ.
2.3 Автоматизированная интеграция в рамках концепции «Индустрия 4.0»
Современное оборудование для обнаружения утечек гелия полностью автоматизировано для производства интеллектуальных батарей:
- Автоматизированный контроль давления: Сенсорные интерфейсы HMI обеспечивают диагностику давления в реальном времени, оценку соответствия/несоответствия требованиям и срабатывание сигналов тревоги.
- Роботизированная обработка материалов: Синхронизированные промышленные роботы выполняют автоматическую загрузку, регистрацию серийных номеров и автоматическую сортировку по принципу "пройдено/не пройдено".
- Многокамерная параллельная архитектура: Многоблочная система соединения позволяет создавать гибкие производственные линии с быстрой сменой оснастки.
- Промышленный интернет вещей и отслеживаемость: Интегрированные системы промышленного интернета вещей (IIoT) хранят параметры тестирования, обеспечивают удаленную диагностику и поддерживают полную цифровую прослеживаемость для обеспечения качества.
- Высокоскоростные цилиндрические трубопроводы: Усовершенствованные линейные архитектуры (например, цилиндрические линии обнаружения утечек в батареях 4680 от Wanyi Tech) объединяют первичное тестирование, вторичное тестирование, восстановление и очистку в непрерывный автоматизированный рабочий процесс.
Раздел III: Заключение и перспективы развития отрасли
Благодаря быстрому росту мировых рынков электромобилей и систем хранения энергии (ESS), технология обнаружения утечек гелия продолжает стремительно развиваться. Хотя отечественные производители оборудования значительно сократили разрыв в точности, стабильности и скорости измерений, текущие инженерные усилия сосредоточены на преодолении зависимости от импорта основных компонентов, повышении долговечности датчиков масс-спектрометров и расширении инфраструктуры замкнутого цикла рекуперации газа.
По мере того, как производство аккумуляторов приближается к глобальным мощностям в тераватт-часах (ТВт·ч), автоматизированное высокоточное обнаружение утечек остается важнейшим элементом обеспечения безопасных, надежных и долговечных решений для хранения энергии.