バッテリー・イノベーション・センターでは、高速サーモグラフィを使用してバッテリーの試験を行っています

インディアナ州ニューベリーに所在するバッテリー・イノベーション・センター(BIC)は、商業用および防衛分野の顧客向けに、安全で信頼性の高い軽量バッテリーの迅速な開発、試験、検証、および商業化に焦点を当てた共同非営利組織です。検証プロセスの一環として、最悪の事態を想定したバッテリーの試験も含まれており、それによって生じる安全上の問題を判断し、対処します。これらの試験から可能な限り多くのデータを収集するために、BICはTeledyne FLIR高速サーモグラフィカメラを使用し、他の技術では撮影できない熱の詳細を明らかにします。

BICのプログラム・ディレクター、Ashley Gordon氏は、「テストを実施する際には、できるだけ多くのデータを収集し、当社のデータが正確であるという信頼を得たいと考えています」と説明しています。高速サーモグラフィにより、可能な限り最も包括的で正確なデータを収集できます。

ネイル貫通バッテリー試験は、高速サーモグラフィで記録されました。

業界におけるBICの重要な役割

BIC は、幅広い知識と業界のリーダー、学界、政府機関との協力により、製品の安全性を確保するために必要な保証と結果ベースのデータを顧客に提供しています。　　　 BICの社長兼CEOであるBen Wrightsman氏は、「次世代の高度なエネルギー貯蔵に向けて、バッテリーの製造から、設計、テスト、評価、業界の訓練に至るまで、あらゆることを行っています」と述べています。

「近年、バッテリーへの需要が急激に高まっていることを考えると、テストは非常に重要です。その要求に応えるためにバッテリーのモデルが進化するにつれ、その性能と安全性の両方を検証することがますます重要になります。

その顧客は、新興企業から、新興技術の開発の最先端を行く世界最大のグローバルOEMやメーカーまで多岐にわたります。「私たちは、電気自動車の分野やEVの分野に多くの顧客を抱えており、彼らは安全性を非常に重視しています」Gordon氏は述べています。「次世代デバイスを導入して、グリッドストレージ用のデバイスをより長持ちさせるだけでなく、より安全なバッテリーも作ろうとしています。これにより、使用する人々が危険にさらされる可能性を低減させることを意図しています。

「消費者向け製品からEVやグリッドストレージに至るまで、現在バッテリーに導入されているすべての化学製品をすべて把握し、取り扱っています。」

BIC のラボ技術者であるRodney Kidd氏は、バッテリーテストを監視するために高速サーモグラフィカメラを設置しました。

事故は必然的に起こることになります。事故が起こった場合、バッテリーが発火した場合どのように反応するか、どの程度の速さで周囲の物質を発火させるのかについて、その可能性を知ることが重要です。「私たちは最悪のシナリオを再現して、そのデータを収集し、何が予期されるかを把握できるようにします」とGordon氏は説明します。

BICの高速サーモグラフィカメラは、データ収集の鍵を握っています。

熱電対の限界

BICの研究ディレクターであるJames Fleetwood 博士は「サーモグラフィカメラを製作する前は、ほとんどの場合バルク熱電対やより一般的なIRデバイスの両方を使用していました」と述べています。熱電対は、2つの異なるワイヤーで構成される安価な温度センサーで、温度を試験するために業界で一般的に使用されています。しかし、特にBICで実施される試験の種類については、多くの制限があります。

熱電対の主な欠点は、一度に1つのスポットしか測定できないことです。「熱電対だけを使用する場合、接点温度の読み取り値を得ることになります。BICのラボ技術者であるRodney Kidd氏は、「つまり、ちょうどその位置の温度のみ把握できるということです」と説明しています。

熱電対の配置にもバイアスの影響を受けます。Fleetwood博士は、「これは自己実現型のフィードバックです」と述べています。「ホットスポットがどこにあるのか、実際にはわかりません。測定値は、現在の位置に関連するものです。」

短絡をシミュレートするための試験

バッテリーに実施される試験の1つは、短絡をシミュレートするネイル貫通であり、バッテリーが過熱して発火したり、爆発したりすることがあります。「ネイルピンテスト’を行い、熱電対のみに限定する場合、セルの表面に1,000個の熱電対を実際に配置—し、セル全体に漏れ出る温度プロファイル’についてしっかりと理解する必要があります」と”Kidd氏は言います。

バッテリーの試験の最中に使用されるネイルのクローズアップ。

短絡と拡散熱によってガスがどのように蓄積され、ガスやその他のセル材料がどこで排出されるか、—またこれらの熱がどれほど高温であるかを—エンジニアがバッテリーを設計する時に把握することが重要です。Kidd氏は、「バッテリーによる火災をいつでも阻止できるわけではありません。しかし、それによる損害と範囲を緩和し、安全な経路に導くことはできます」と説明しています。

「これは、熱電対と通常のサーモグラフィカメラだけでは、以前は撮影できなかったことです」とKidd氏は言います。デブリが発生するのが見えるかもしれませんが、物質は大気に触れるとすぐに冷めてしまいます。また彼は、「高速サーモグラフィカメラを使えば、その速度を遅くして、時には5、6、700℃以上の高温になる物質を捕らえることができるのです。」と、説明しています。

FLIR高速サーモグラフィは、全体像を表示します

熱電対は、温度データを収集するためにスポットに直接配置する必要がありますが、熱画像はバッテリー上のすべての点に関する同時データを提供します。「全体像を把握し分析し、私たちが実施したい次のテストを考え出すのに役立つ、明らかに多くのデータポイントを収集しています」とGordon氏は述べています。

熱画像処理により、エンジニアは、バッテリーの外部で何が起こっているか、あるいはバッテリーが、試験を実施されているかを簡単に確認できます。また、内部で何が起こっているか、熱がどのように進行しているかも確認できます。「すぐに温度がどのように伝播しているかがわかります。また、熱電対が付いていなくても、ホットスポットになっているかどうかをすぐに確認できます」とGordon氏は述べています。

高速サーモグラフィは、ネイル貫通のテスト中にバッテリー内の熱を拡散します。

その結果、サーモグラフィは単なる合否判定だけでなく、より多くの情報を提供することができるようになりました。「この熱プロファイルは、システムが火に点火したかどうかよりも、熱管理システムがどのように機能しているかについて、多くの情報を与えてくれます」と、Fleetwood博士は述べています。サーモグラフィは、すべてのフレームで大量のデータを提供するだけでなく、テスト中に何が起こっているかを視覚的に把握する方法も提供します。「誰もが、何千もの数字と一般的なグラフが入ったExcelシートで、自分のプロファイルを示すイメージ—ビデオ—を理解できると思います。」

Teledyne FLIR高速サーモグラフィ・ソリューションの詳細については、www.flir.com/instruments/science/high-speed-ir/をご覧ください。