Cовременное тестовое оборудование и технологии
Рус Eng

21-09
2020
Эволюция электрических энергоносителей. Производство, разновидности и тестирование

Широкое распространение электромобилей, привлекло интерес и ко всему жизненному циклу аккумуляторов: от химического производства до перерабатывающих технологий. Причем область применения не ограничивается только автомобильным (автобусным) транспортом. К примеру, авиационные дроны (Рис.1), способные нести груз или даже пассажиров, также используют аккумуляторы.


Рисунок 1. Дрон на электронной тяге

Разработчики Авиакосмической отрасли уже давно занимаются прототипированием экспериментальных самолетов на электрической тяге. Для полноценного коммерческого использования, осталось дождаться следующего поколения аккумуляторов с более длительным сроком службы.


Рисунок 2. Одноместный самолет на электрической тяге

По типу используемых материалов различают более 30 видов аккумуляторов (Рис.3) . Для автомобильной отрасли наиболее часто применяют следующие типы:

  • литий-никель-кобальт-алюминий (NCA);
  • литий-никель-марганец-кобальт (NMC);
  • литий-марганцевая шпинель (LMO);
  • литий-титановый (LTO);
  • литий-железо-фосфат (LFP).

Рисунок 3. Ячейки аккумуляторной батареи

Выбор конкретного типа зависит от области применения. Так, литий-кобальт-оксидные аккумуляторы чаще всего используются для потребительского рынка. Тем не менее, они были признаны непригодными для применения в автомобильной и транспортной сфере в связи с проблемами безопасности.

Помимо типа материала используемого для производства аккумулятора – он характеризуется следующими важными параметрами:

  • удельная энергия;
  • удельная мощность;
  • срок службы;
  • производительность;
  • стоимость;
  • безопасность.

Проанализировав упомянутую выше информацию, производители принимают решение в пользу той или иной технологии (типа аккумуляторов).

Большинство производителей электротранспорта используют готовые (серийные) батареи (Батарея - система параллельно или последовательно соединенных аккумуляторных ячеек) от известных производителей (Рис.4). Однако часть производителей используют только аккумуляторные ячейки, а дизайн и сборку батарей осуществляют собственными силами.


Рисунок 4. Слева – батарея электрокара в сборе, Справа - блок батареи

И те и другие существенно влияют на глобализацию энергоносителей. Но в зависимости от выбранного пути, соответственно, производство и тестирование может уходить на второстепенный план.


Рисунок 5. Стенд проверки батарей

Десять (или более) лет назад вы могли пройти по производственной площадке и увидеть специализированные стенды (Рис.5) - собственная разработка выпускающего предприятия.

Основные недостатки таких стендов, это низкая скорость тестирования (в силу применения устаревшей механической архитектуры) и сложность переналадки для тестирования другого типа аккумуляторной ячейки или батареи. Программное обеспечение также максимально усложняло задачу, поскольку на тот момент времени практически отсутствовали инструменты автоматической генерации тестов для контроля большой разновидности аккумуляторных элементов и батарей.

Материалы и химические составы обычно остаются неизменными в течение всего срока службы аккумуляторной ячейки. Поэтому проверять физические характеристики материалов или «энергию», аккумулированную в батарее, не так важно, как контролировать сам производственный процесс. Т.е. контролировать качество подключения отдельных элементов батарейного блока к определенной положительной или отрицательной клеммной колодке (Рис.6). Обращаем внимание на то, что именно качество данной коммутации имеет решающее значение для срока службы всей батареи и может быть причиной перегрева или быстрой поломки всего узла. Корректное и качественное объединение аккумуляторных ячеек в батарею обеспечивается правильной технологией сборки.

Суть электрического контроля аккумуляторной батареи заключается в измерении омического сопротивления соединительной перемычки, идущей от клеммы каждой аккумуляторной ячейки до общего вывода. Сопротивления всех таких перемычек в аккумуляторной батарее должны быть одинаковыми. Данная процедура является одной из самых ответственных. К примеру, в электромобиле происходит постоянный заряд и разряд аккумуляторных ячеек большими токами, поэтому даже незначительное увеличение сопротивления хотя бы одной перемычки (вследствие некачественной пайки, изменения длины, повреждения перемычки или изменения состава/характеристик применяемых материалов) приведет к неравномерному распределению заряда или разряда на все остальные ячейки. Это повышает вероятность деградации всей батареи и, в конечном итоге, приводит к её скорому выходу из строя. Измерение сопротивления перемычек выполняется по прецизионной 4-х проводной схеме (метод Кельвина). Сопротивление перемычки должно составлять 3 мОм.


Рисунок 6. Ячейки батареи Tesla

При выборе тестовой системы для контроля аккумуляторных батарей необходимо учитывать следующие три параметра: скорость тестирования, конфигурируемость (гибкость переналадки) и надежность.

В определенный момент времени индивидуальные стенды, перестали отвечать требованиям растущих объемов и современных технологий, и производителям пришлось искать другие решения.

Тестеры с летающими пробниками стали первым стандартным автоматизированным решением апробированным производителями электрокаров, причем отвечающим всем представленным выше требованиям. В настоящее время данные тестовые системы широко используются для контроля электрических соединений в аккумуляторных батареях. Изначально использовались модифицированные версии тестовых систем внутрисхемного тестирования с летающими пробниками (корректировали конструкцию пробников и укрепляли загрузочный конвейер). Затем, по крайней мере, один поставщик (Seicа) выбрал более инновационный подход - разработка новой специализированной системы, которая учитывает текущие и будущие требования к тестированию батарей.

Три критических элемента

Производительность

Новая аппаратная архитектура тестера Pilot BT (Seica) (Рис.7), позволяет выполнять параллельные, прецизионные измерения методом Кельвина для контроля до 16 аккумуляторных ячеек одновременно. При этом производительность тестовой системы достигает 2400 аккумуляторных элементов в минуту. Это вдвое быстрее того, что было доступно ранее.


Рисунок 7. Тестер батарей Pilot BT (Seica, Италия)

Гибкость (конфигурируемость)

Возможность тестировать разную номенклатуру батарей - имеет первостепенное значение, потому что не все батарейные элементы идентичны. Это означает, что конфигурация тестовой головы с фиксированным положением пробников (предыдущих поколений тестеров с летающими пробниками) ограничена с точки зрения гибкости.

Pilot BT (Seica) решает это проблему за счет «летающих матриц», которые можно расположить произвольно по оси X или Y. Это позволяет быстро переналадить тестовое поле для тестирования различной номенклатуры батарей. Расширенная рабочая область (1050 x 865 мм) и усиленный конвейер (до 100 кг) снимает дополнительные ограничения к размерам тестируемого объекта.

Надежность

Производство аккумуляторных батарей и их отдельных элементов и «блоков» можно считать почти автономной операцией. В идеале производитель хотел бы смешать в миске немного лития, щепотку железа, чашку «секретного соуса» и получить готовый аккумулятор (или батарею).

Единственный способ приблизиться к этому - это надежное автоматизированное оборудование, где требуется ограниченное вмешательство оператора.

В случае тестеров с летающими пробниками это сделать сложно. Так как тестируемые изделия (батареи) сильно отличаются, по габаритам и по архитектуре (расположение аккумуляторных ячеек, способ подключения и прочее). А для тестирования требуется стабильный контакт с аккумуляторными ячейками.

Для этого, тестовая система должна одновременно настраиваться на несколько реперных точек (обеспечение максимальной точности прицеливания), а также анализировать любые нестандартные отклонения батарей в реальном времени и корректировать параметры тестирования «на лету». Такие инструменты тестера Pilot BT как:

  • лазерные датчики триангуляции
  • камеры высокого разрешения
  • интеллектуальное программное обеспечение
позволяют исключить догадки и ручную настройку, и перейти к полноценному автоматизированному тестированию.

Стандартное (серийное) автоматизированное решение на платформе тестовой системы Seica - альтернатива специализированным стендам, которая повышает общую эффективность оборудования (OEE) на производстве, а также упрощает техническое обслуживание, за счет продвинутой самодиагностики и параллельной архитектуре аппаратных (электрических и механических) узлов. Такие тестовые системы, как Pilot BT (Рис.8), позволяют руководству сконцентрироваться на других аспектах своего бизнеса, будь то производство автомобилей или аккумуляторов.


Рисунок 8. Мультитестирование батарей на Pilot BT (Seica, Италия)

На сегодня, более 20 систем с летающими пробниками Pilot используются на производствах аккумуляторных батарей. Среди активных пользователей Tesla (Рис.9) и Prottera (Рис.10). Помимо многочисленных испытаний батарей, специалисты ОТК этих компаний четко выделяют необходимость контролировать сам процесс сборки батарей. И в этом плане однозначно идут по пути автоматизированных систем с летающими пробниками.


Рисунок 9. Электрокар CyberTrack производства Tesla


Рисунок 10. Электробус производства Prottera

Капитализация рынка аккумуляторов в 2020 году варьируется от 25 до 60 миллиардов долларов. Такие цифры заставляют задуматься о необходимости обеспечении этого рынка различными тестовыми решениями. Ни политический климат, ни стоимость барреля нефти не остановят прогресс аккумуляторов. Можно с уверенностью сказать, что электротранспорт был и есть. А будет его все больше и больше…

Отправить запрос