Battery Innovation Center (BIC), zlokalizowane w Newberry, w stanie Indiana, jest organizacją non-profit, która koncentruje się na szybkim rozwoju, testowaniu, walidacji i komercjalizacji bezpiecznych, niezawodnych i lekkich akumulatorów dla klientów komercyjnych i przemysłu obronnego. Częścią procesu testowania są szeroko zakrojone testy wytrzymałościowe, podczas których akumulatory poddawane są najgorszym możliwym scenariuszom, aby określić i rozwiązać wynikające z nich problemy bezpieczeństwa. Aby zebrać jak najwięcej danych z tych testów, BIC używa szybkiej kamery termowizyjnej FLIR firmy Teledyne, która ujawnia szczegóły ciepła, których inne technologie nie są w stanie uchwycić.
„Kiedy przeprowadzamy test, chcemy zebrać jak najwięcej danych i chcemy mieć pewność, że nasze dane są dokładne” – wyjaśnia Ashley Gordon, dyrektor ds. programów w BIC. Obrazowanie termowizyjne z dużą prędkością zapewnia możliwość zebrania jak najbardziej wszechstronnych i dokładnych informacji.
Test baterii (Nail penetration battery test ) zarejestrowany szybką kamerą termowizyjną.
Ważna rola BIC w branży
Dzięki szerokiej wiedzy i współpracy z liderami branży, ośrodkami akademickimi i agencjami rządowymi, firma BIC zapewnia swoim klientom pewność i dane oparte na wynikach, niezbędne do zapewnienia maksymalnego bezpieczeństwa ich produktów. „Robimy wszystko, począwszy od produkcji akumulatorów, projektowania akumulatorów, testowania i oceny akumulatorów, aby pomóc w przygotowaniu przemysłu do następnej generacji zaawansowanego magazynowania energii” – mówi Ben Wrightsman, prezes i dyrektor generalny BIC.
„Testowanie jest absolutnie krytyczne” – kontynuuje, wyjaśniając, że w ostatnich latach wymagania stawiane akumulatorom gwałtownie wzrosły. W miarę jak modele akumulatorów ewoluują, aby sprostać temu zapotrzebowaniu, coraz ważniejsza staje się weryfikacja ich wydajności i bezpieczeństwa.
Ich klientami są zarówno początkujące firmy, jak i najwięksi globalni producenci OEMS i producenci, którzy są na czele rozwoju nowych technologii. „Mamy wielu klientów z branży pojazdów elektrycznych, którzy koncentrują się na bezpieczeństwie” – mówi Gordon. „Starają się wprowadzić następną generację, aby nasze urządzenia mogły dłużej służyć do magazynowania energii w sieci, ale także aby akumulatory były bezpieczniejsze, dzięki czemu istnieje mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia zagrożeń dla osób z nich korzystających”.
„Od produktów konsumenckich, poprzez pojazdy elektryczne, aż po magazynowanie energii w sieci, widzimy to wszystko… i obsługujemy wszystkie odpowiednie chemikalia, które są obecnie stosowane w akumulatorach”.
Rodney Kidd, technik laboratoryjny w BIC, ustawia szybką kamerę termowizyjną do monitorowania testów baterii.
Wypadki nieuchronnie się zdarzają, a kiedy już do nich dojdzie, ważne jest, aby wiedzieć, jak zareagują akumulatory – czy się zapalą, jak szybko i jak prawdopodobne jest, że zapalą się również otaczające je materiały. „Odtwarzamy najgorszy scenariusz, abyśmy mogli zebrać dane i wiedzieć, czego się spodziewać” – wyjaśnia Gordon.
Szybka kamera termowizyjna firmy BIC, zakupiona pod koniec roku 2020, stała się kluczem do sposobu gromadzenia danych.
Ograniczenia termopar
„Zanim pojawiła się kamera termowizyjna, korzystaliśmy głównie z termopar i bardziej ogólnych urządzeń na podczerwień” – mówi dr James Fleetwood, dyrektor ds. badań w BIC. Termopary, niedrogie czujniki temperatury składające się z dwóch różnych przewodów, są powszechnie stosowane w przemyśle do badania temperatury. Mają one jednak szereg ograniczeń, szczególnie w przypadku testów przeprowadzanych w BIC.
Główną wadą termopar jest to, że mogą one mierzyć tylko jedno miejsce na raz. „Jeśli użyję termopary, będę miał odczyt temperatury w punkcie styku. Oznacza to, że odczyt będzie prawidłowy w tej jednej pozycji, w której się znajduje” – wyjaśnia Rodney Kidd, technik laboratoryjny w BIC.
Umieszczenie termopar jest również podatne na błędy. „Jest to samospełniające się sprzężenie zwrotne,” mówi dr Fleetwood. „W rzeczywistości nie wiesz, gdzie są gorące punkty. Masz tylko pomiary związane z tym, gdzie myślisz, że one są”.
Testy nadużyć symulujące zwarcie
Jednym z najcięższych testów, jakim poddawane są akumulatory, jest test penetracyjny (wbijanie gwoździ), co symuluje zwarcie i może spowodować przegrzanie akumulatora, zapalenie się lub nawet eksplozję. „Jeśli przeprowadzimy test wbijania gwoździ i ograniczymy się tylko do termopar, musielibyśmy umieścić – naprawdę – tysiąc termopar na całej powierzchni ogniwa, aby uzyskać dokładne zrozumienie profilu temperatury, która będzie przenikać przez całe ogniwo” – mówi Kidd.
Zbliżenie na gwóźdź użyty podczas testowania baterii.
Zrozumienie, w jaki sposób zwarcie i rozprzestrzeniające się ciepło spowoduje gromadzenie się gazów, a także gdzie te gazy i inne materiały z ogniw zostaną wydalone – i jak gorące są – jest ważna wiedza dla inżynierów podczas projektowania baterii. „Nie zawsze będziemy w stanie powstrzymać pożar baterii”, wyjaśnia Kidd, „ale możemy złagodzić szkody i zakres tego pożaru oraz skierować go na bezpieczną drogę”.
„To jest coś, czego nie byliśmy w stanie uchwycić wcześniej za pomocą termopar i zwykłych kamer na podczerwień” – mówi Kidd. Podczas gdy widzieli oni wylatujące odłamki, materiał stygł natychmiast po uderzeniu w atmosferę. „Dzięki szybkiej kamerze”, wyjaśnia, „mogę to spowolnić i uchwycić ten materiał, który wydostaje się na zewnątrz w temperaturze 5, 6, 700°C czasami, a potem w jeszcze wyższych temperaturach”.
Szybka kamera termowizyjna FLIR pokazuje szerszą perspektywę
W przeciwieństwie do termopar, które muszą być umieszczone bezpośrednio na miejscu, aby zebrać dane o temperaturze, obrazowanie termiczne zapewnia jednoczesne dane o każdym punkcie powierzchni akumulatora. „To daje większą perspektywę”, mówi Gordon, „i zbiera oczywiście o wiele więcej danych, które mogą pomóc w analizie i wymyśleniu następnego testu, który chcemy przeprowadzić”.
Dzięki obrazowaniu termicznemu inżynierowie mogą z łatwością zobaczyć nie tylko to, co dzieje się na zewnątrz akumulatora, gdy jest on wystawiony na szkodliwe działanie testu, ale także to, co dzieje się wewnątrz i jak postępuje wydzielanie ciepła. „Natychmiast widzimy, jak temperatura się rozprzestrzenia, i natychmiast widzimy, czy pojawiają się gorące punkty, nawet jeśli nie mamy termopary bezpośrednio w tym miejscu” – kontynuuje Gordon.
Obrazowanie termowizyjne o wysokiej prędkości pozwala uchwycić ciepło rozprzestrzeniające się w akumulatorze podczas testu zwarciowego.
W rezultacie obrazowanie termowizyjne dostarcza znacznie więcej informacji niż tylko certyfikat zaliczenia/niezaliczenia. „Ten profil termiczny mówi o wiele więcej o tym, jak działa system zarządzania termicznego, niż to, czy system się zapalił, czy nie” – mówi dr Fleetwood. Technologia termiczna nie tylko dostarcza dużej ilości danych w każdej klatce, ale także umożliwia wizualne zrozumienie tego, co dzieje się podczas testów. „Myślę, że każdy generalnie jest w stanie zrozumieć obraz – wideo – pokazujący swój własny profil, zamiast arkusza Excel z tysiącami i tysiącami liczb i ogólnych wykresów”.
Dowiedz się więcej o szybkich rozwiązaniach termowizyjnych firmy Teledyne FLIR: