導(dǎo)讀

新能源電動(dòng)汽車的發(fā)展促進(jìn)了高性能電池材料的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)需求。友思特采用低成本化的光學(xué)相干斷層掃描（OCT）技術(shù)，同時(shí)滿足2D/3D成像、分析內(nèi)部外部尺寸與缺陷、高精度無(wú)損檢測(cè)的需求，為極耳貼膠正反檢測(cè)等應(yīng)用開(kāi)發(fā)了新型高效的解決方案。

引言

近年來(lái)，世界各國(guó)政府推出多項(xiàng)政策與發(fā)展規(guī)劃，推動(dòng)了全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)的高速增長(zhǎng)。中國(guó)新能源企業(yè)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)和國(guó)際市場(chǎng)的表現(xiàn)十分亮眼，一方面得益于國(guó)家先后出臺(tái)的多項(xiàng)相關(guān)措施，進(jìn)一步推動(dòng)了新能源汽車的全產(chǎn)業(yè)鏈布局，助力動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的持續(xù)高增長(zhǎng)；另一方面得益于各項(xiàng)電池制造工藝、機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的不斷創(chuàng)新，其中就包括機(jī)器視覺(jué)等檢測(cè)技術(shù)。

而隨著新能源電動(dòng)汽車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，廠商對(duì)高性能、輕量、安全、耐用的電池材料的需求也在增加，越高端、要求越嚴(yán)格的新工藝也給檢測(cè)技術(shù)帶來(lái)了難題。汽車動(dòng)力電池的基本生產(chǎn)流程為從正負(fù)極材料制備到電池極片、電芯（cell）、到電池模組（module）、電池包（pack）、電池系統(tǒng)再總成到電車中，共需要二十多道工序。其中，眾多工序需要用到機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，以提高生產(chǎn)效率并保證生產(chǎn)質(zhì)量。

圖1. 動(dòng)力電池工序

為了適配產(chǎn)業(yè)需求，市場(chǎng)上不斷涌現(xiàn)新的光電檢測(cè)技術(shù)產(chǎn)品與方案，比如適用于極耳超聲焊接與電解液分布檢測(cè)的的高頻激光超聲方案、適用于電芯內(nèi)部極片精密對(duì)齊檢測(cè)的X射線CT方案、以及諸如依靠TOF、散斑、雙目乃至四目相機(jī)技術(shù)的3D檢測(cè)方法或者共聚焦顯微鏡等等。此外，由于缺陷種類多樣、檢測(cè)環(huán)境各不相同，通過(guò)深度學(xué)習(xí)的AI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的智能化檢測(cè)也在鋰電領(lǐng)域大放異彩。

圖2. 友思特技術(shù)案例：(a).激光超聲電解液檢測(cè)；(b).四目相機(jī)3D檢測(cè)；(c).AI圓柱電池頂蓋缺陷識(shí)別；(d).X射線CT極片對(duì)齊檢測(cè)

然而，這些新興技術(shù)往往價(jià)格昂貴，同時(shí)在某些方面的性能也可能不盡如人意，比如有輻射、3D成像速率低、分辨率低、視野小等，這些都限制了它們?cè)诠I(yè)多產(chǎn)線的推廣。因此，我們亟需一種能同時(shí)滿足2D/3D成像、可分析內(nèi)部外部尺寸與缺陷、高精度的無(wú)損檢測(cè)方法。低成本化的光學(xué)相干斷層掃描（OCT, Optical Coherence Tomography）技術(shù)為之提供了一種可行的路線。

OCT成像系統(tǒng)原理

我們知道，光學(xué)干涉現(xiàn)象可以反映兩束光的光程差，也就意味著干涉信號(hào)可以用來(lái)獲取相對(duì)位置信息。OCT便是一種基于紅外相干干涉的光學(xué)成像技術(shù)，系統(tǒng)光線以類似于超聲脈沖回波成像的方式，從外部輪廓或內(nèi)部微結(jié)構(gòu)返回光學(xué)散射信號(hào)，與內(nèi)部分光的另一條參考光路的光形成干涉，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后即可反映該點(diǎn)深度軸向各個(gè)反射面的位置信息，即 A-scan 信號(hào)，通過(guò)樣品臂振鏡或者機(jī)械移動(dòng)掃描點(diǎn)即可得到一組 A-scan 信號(hào)組成的截面2D圖像，稱為 B-scan 信號(hào)，同樣的，如果在x、y兩個(gè)方向進(jìn)行掃描即可得到體掃描3D圖像，也稱為 C-scan。

如果類比視覺(jué)相機(jī)，我們可以抽象地理解OCT技術(shù)為一種“自帶光源的點(diǎn)探測(cè)深度相機(jī)”，結(jié)合不同規(guī)格掃描振鏡實(shí)現(xiàn)不同的視野與掃描方式（線掃、面掃），而其內(nèi)部干涉光路（相干門）則定義了它的“焦距”，只有在滿足干涉條件的區(qū)域才能形成清晰的干涉信號(hào)。

圖3. OCT成像原理

因?yàn)镺CT基于光學(xué)信號(hào)，不像超聲需要介質(zhì)接觸測(cè)試物體，因此具有無(wú)損檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，且波長(zhǎng)一般在近紅外波段，因此也無(wú)輻射。OCT具有微米級(jí)的縱向和橫向空間分辨率，紅外光對(duì)透明、半透明、渾濁材料內(nèi)部可以有很好的細(xì)節(jié)檢測(cè)能力，對(duì)于不可穿透材質(zhì)也可輕松實(shí)現(xiàn)表面輪廓掃描與精細(xì)測(cè)量，針對(duì)表面以及內(nèi)部缺陷識(shí)別與測(cè)量應(yīng)用具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。

友思特OCT技術(shù)應(yīng)用于軟包電池極耳檢測(cè)

鋰離子動(dòng)力電池一般按封裝結(jié)構(gòu)分為三種類型：軟包（Pouch）電池、圓柱（Cylindrical）電池、方形（Prismatic）電池。它們的性能特點(diǎn)、工藝成熟度各有不同。

圖4. 電芯類別：軟包、圓柱、方形

其中軟包電池使用鋁塑膜封裝，不像方形電池和圓柱電池使用金屬殼體。因此尺寸變化靈活，電芯的重量能量比高，針對(duì)汽車底盤設(shè)計(jì)可以具有很好的靈活性，同時(shí)也非常適合制成各種形狀大小的電池在消費(fèi)電子等其他行業(yè)也具有廣泛應(yīng)用。

圖5. 軟包極耳

軟包電池的鋁塑膜封裝過(guò)程需要使用額外的極耳片（鋁、鎳、銅鍍鎳等），一個(gè)極耳由上下兩側(cè)的膠帶把金屬夾在中間。膠帶的作用是固定極耳同時(shí)在電池封裝時(shí)防止金屬部分與鋁塑膜之間發(fā)生短路，在封裝過(guò)程中，一般是通過(guò)加熱（140℃左右）與鋁塑膜熱熔密封粘合，防止漏液。

極耳膠分為多種類型，一般具有多層（三層、五層）結(jié)構(gòu)，有的新材料企業(yè)為了追求粘合層與金屬片的更高的粘合強(qiáng)度，兩側(cè)膠帶使用了不同材質(zhì)的改性PP，一面是親金屬性改性PP，另一面則是親塑性改性PP。

軟包電池極耳膠帶的一般尺寸如下：

圖6. 極耳膠帶結(jié)構(gòu)

在封裝過(guò)程中，兩側(cè)分別對(duì)應(yīng)與鋁塑膜和金屬極耳的貼合。這種類型的極耳膠，在貼膠封裝過(guò)程一旦兩面用貼反了，由于粘性大不相同，很容易導(dǎo)致電芯漏等事故，引發(fā)安全隱患。因?yàn)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)并不能通過(guò)常規(guī)視覺(jué)手段看到，因此如何檢測(cè)多層膠帶貼合情況與內(nèi)部信息是一個(gè)難題?，F(xiàn)有技術(shù)一般為裁切制樣，然后對(duì)裁剪截面通過(guò)顯微鏡觀測(cè)，其效果示意如下圖：

圖7. 極耳截面

這種破壞性的方法不僅會(huì)直接對(duì)樣品造成損傷，效率低下，而且只能抽樣檢測(cè)，無(wú)法做到全檢。為了解決這些問(wèn)題，友思特工程師分析了材料的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)此類PP材料是一種十分適合OCT技術(shù)檢測(cè)的樣本，紅外光對(duì)這類聚合物有良好的穿透性，于是著手測(cè)試開(kāi)發(fā)并提供了基于OCT光學(xué)相干斷層掃描的快速截面圖像檢測(cè)/判別/計(jì)量一體的解決方案：

圖8. 友思特低成本OCT極耳檢測(cè)平臺(tái)

在傳統(tǒng)的譜域 SD-OCT 成像系統(tǒng)中，寬帶光源和光譜儀是最昂貴的元件，友思特提供的 OQ LabScope 系列便攜式小巧緊湊的OCT成像系統(tǒng)，采用了獨(dú)創(chuàng)的光路設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)路線，并通過(guò)算法克服了由非制冷 SLD 光源的強(qiáng)度波動(dòng)引起的成像偽影，使用高像素 CMOS 線陣列設(shè)計(jì)了一個(gè)特制環(huán)形光譜儀。并采用 3D 打印制造了小巧靈活的掃描探頭，整個(gè)系統(tǒng)安裝在一個(gè)藍(lán)色金屬板外殼中，外殼大小與鞋盒差不多，還在其中集成了微型PC計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn) 6mm 最大穿透深度、2μm 級(jí)軸向分辨率，50幀以上實(shí)時(shí) B-scan 圖像掃描，并能重建帶穿透深度信息的 3D 圖像 。

圖9. 友思特OCT軟件部分界面示意圖

友思特為極耳貼膠正反檢測(cè)應(yīng)用自研開(kāi)發(fā)了專用圖像算法與快速判別軟件，可以實(shí)現(xiàn)一目了然的判別與分揀，并能進(jìn)行寬度、各層厚度等多維度在線測(cè)量分析功能，同時(shí)包括定制數(shù)據(jù)追溯、統(tǒng)計(jì)分析功能等。我們與南京某新能源企業(yè)建立了深度合作，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該方案不僅可以對(duì)膠帶進(jìn)行多層切面2D/3D檢測(cè)，還能分析各層材料屬性與厚度，實(shí)時(shí)反映貼合情況，并發(fā)現(xiàn)可能的缺陷。友思特自研的圖像判別算法，大大提高了檢測(cè)靈敏度、精確性和效率，從而有助于確保產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)電池生產(chǎn)的可靠性和競(jìng)爭(zhēng)力。

總結(jié)

新能源動(dòng)力電池產(chǎn)線有許多流程需要用到機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)，比如電池外觀、焊接熔深、焊縫質(zhì)量、電池組裝配定位、功率IGBT器件的外觀精密檢測(cè)等，而且其對(duì)檢測(cè)能力的要求非常高，即使 1% 的錯(cuò)檢率也可能為整車帶來(lái)嚴(yán)重的安全事故。

因此，面對(duì)越來(lái)越多樣化且精細(xì)化的檢測(cè)需求，未來(lái)值得開(kāi)拓并將各種新興的高端光電檢測(cè)技術(shù)、以及AI技術(shù)等與傳統(tǒng)視覺(jué)方案融合、并不斷優(yōu)化針對(duì)性圖像檢測(cè)算法，確保檢測(cè)能力與生產(chǎn)需求匹配，同時(shí)也需要不斷創(chuàng)新技術(shù)優(yōu)化成本，才能推動(dòng)批量實(shí)際落地，實(shí)現(xiàn)真正互利共贏。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，清潔能源一定是未來(lái)趨勢(shì)，鈉電、固態(tài)電池等技術(shù)方興未艾，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的視覺(jué)檢測(cè)需求潛力很大，諸如OCT等新興光電檢測(cè)技術(shù)也一定能為越來(lái)越多的新能源工業(yè)應(yīng)用賦能，推動(dòng)綠色交通、儲(chǔ)能行業(yè)的進(jìn)步。

審核編輯 黃宇