Chroma 11210電池芯絕緣測試器是專為鋰電池干電芯之漏電流(LC)或絕緣電阻(IR)異常檢出而量身打造的絕緣測試器，亦可量測固態(tài)電容、積層陶瓷電容(MLCC)、高壓電解電容與絕緣材料。不僅具備標(biāo)準(zhǔn)的LC/IR量測外，更設(shè)計(jì)「于高壓量測過程中，可針對(duì)絕緣體內(nèi)強(qiáng)烈的局部放電(Partial Discharge, PD)或電氣閃絡(luò)(Flashover)進(jìn)行偵測與分析(以下簡稱"PD偵測功能")」，此功能可協(xié)助檢測出鋰離子電池干電芯在電解液填充前的有效絕緣距離是否足夠，避免潛在不良品進(jìn)入下一生產(chǎn)階段或流入終端市場。相對(duì)于傳統(tǒng)的絕緣測試，11210提升了鋰離子電池驅(qū)動(dòng)之電子電氣產(chǎn)品和電動(dòng)車的安全性及絕緣材料品質(zhì)檢測領(lǐng)域到新的境界。
Chroma 11210使用特殊電路設(shè)計(jì)提供PD偵測功能，全程監(jiān)測測試過程中電芯內(nèi)是否曾經(jīng)發(fā)生過因局部異常放電而產(chǎn)生的異常電氣閃絡(luò)并量化為可視程度并同時(shí)記錄波形。在達(dá)到測試電位后，測試時(shí)間內(nèi)也會(huì)與一般耐壓或絕緣測試器一樣進(jìn)行漏電流或絕緣電阻值測量判定異常。+瞬時(shí)高壓測試(+Flash)功能提供兩階段間斷式高低電壓，分別檢測待測物在高壓時(shí)耐壓特性以及低壓下漏電流表現(xiàn)，獨(dú)立的判定漏電流大小以及PD檢出功能，可以有效作用于各種儲(chǔ)能元件。
Chroma 11210的高水平充電電流和快速的量測電路，將整體測試速度大幅提升，對(duì)一般電容性待測物做的絕緣測試，均可細(xì)分為四個(gè)程序：充電→判定延遲→測量→放電，且最快能在20ms內(nèi)自動(dòng)的依序執(zhí)行一個(gè)完整的測試，明顯提升生產(chǎn)線的效率。在漏電流量測上，從最小1pA至最大20mA細(xì)分為7個(gè)檔位以達(dá)到精準(zhǔn)的LC/IR量測。此外，Auto-range功能可自動(dòng)切換至最佳檔位執(zhí)行量測，省卻使用者的時(shí)間并確保量測之精準(zhǔn)度。
接觸檢查對(duì)于絕緣測試的可靠性有決定性之影響，在整個(gè)量測過程中，“沒有接觸”也很有可能被判定為良品，此誤判會(huì)使不良品進(jìn)入市場，若待測物的絕緣電阻非常高，此誤判情形會(huì)更明顯；所以一般而言，絕緣測試的過程中必須進(jìn)行接觸檢查，Chroma 11210使用高階電路架構(gòu)，能在5ms內(nèi)執(zhí)行一次完整的接觸檢查，并可選擇量測前執(zhí)行、量測后執(zhí)行或量測前后皆執(zhí)行。
鋰電池安全課題
鋰電池內(nèi)短路有許多不同的情形，其中最嚴(yán)重的一種就是正極的鋁金屬短路到負(fù)極的涂布材料，這樣的短路發(fā)生時(shí)，會(huì)在極小的局部空間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱能，導(dǎo)致起火或爆炸! 類似這樣的電池起火爆炸，是導(dǎo)致過去十年中多起汽車燃燒事件的主因。 [圖1]
▲ [圖1] 因電池起火爆炸而造成汽車燃燒
鋰電池(LIB)的起火或爆炸所造成的災(zāi)難已經(jīng)是近年來為使用者所嚴(yán)重關(guān)切的議題，隨著科技不斷的演進(jìn)，鋰電池的能量密度也不斷地提高，鋰電池安全性的問題更進(jìn)一步演變成使用者生活中的一個(gè)潛在危機(jī)!為徹底杜絕這樣的潛在危機(jī)，鋰電池起火爆炸的根因必須要被找到，有潛在危機(jī)的產(chǎn)品必須要在出廠前被篩出；研究報(bào)告顯示，正極的鋁金屬(AL)與負(fù)極的涂布材料(Anode) 之間的短路是起火爆炸的根因[圖2]，而正極鋁金屬上的毛刺或于絕緣層中的雜質(zhì)顆粒是此等內(nèi)部短路的主因[圖3]。
▲ [圖2] 四種不同的鋰電池內(nèi)部短路所造成的溫度爬升曲線
▲ [圖3] 鋰電池內(nèi)正極鋁金屬上突出的一個(gè)毛刺有可能觸碰到負(fù)極涂布的材料，并因此而造成起火或爆炸
研究報(bào)告中顯示，負(fù)極涂布的材料 (通常是石墨) 在每一次充電過程中都會(huì)稍微的膨脹，經(jīng)過多次充電后，膨脹導(dǎo)致厚度增加高達(dá)24%造成正負(fù)極之間極距縮短[圖4]，導(dǎo)致原本電極間因電極毛邊或金屬異物混入而使有效距離短于應(yīng)有設(shè)計(jì)，就容易演變?yōu)閮?nèi)部短路。通常鋰電池在生產(chǎn)線上都會(huì)經(jīng)歷過幾回的充放電循環(huán)。舉例來說，若有兩個(gè)瑕疵電池，都各自具有一個(gè)長度不同的毛刺在其鋁電極板上 [圖5中的case 1 & case 2]，case 1極可能在生產(chǎn)線上的第二回充電時(shí)，就爆發(fā)內(nèi)短路的問題，但case 2就會(huì)不幸地發(fā)生在消費(fèi)者身上。
▲ [圖4] 在實(shí)際的測試中發(fā)現(xiàn)，即便只經(jīng)過10次的充放電循環(huán)， 在負(fù)極的石墨材料就可能膨脹超過24%
▲ [圖5] 兩個(gè)瑕疵電池，都各自具有一個(gè)長度不同的毛刺在其鋁電極板上，一般而言，這兩個(gè)電池將會(huì)在不同的時(shí)間點(diǎn)爆發(fā)內(nèi)短路的問題
強(qiáng)烈局部放電(P.D.) /電氣閃絡(luò)(Flashover)偵測與量測功能
Chroma 11210電池芯絕緣測試器具有強(qiáng)烈局部放電 /電氣閃絡(luò)偵測功能，可檢測出高壓測試時(shí)鋰離子電池干電芯(LIB)內(nèi)部因極距不足發(fā)生的電氣閃絡(luò)。Chroma 11210設(shè)計(jì)以定電流充電，而LIB干電芯絕緣層為疏孔性塑膠，所以充電電壓上升應(yīng)為一直線。 Chroma 11210 PD選購卡以類比二階微分分析曲線是否發(fā)生正轉(zhuǎn)折(V">0)，并將其程度量化(V_PD)。另外，在判定延遲與測試時(shí)間里電壓基本上都固定在所設(shè)定測試電壓，漏電流一般呈指數(shù)下降或固定。但若發(fā)生電氣閃絡(luò)電壓雖未必會(huì)有可觀察下降，但漏電流會(huì)呈現(xiàn)異常上升(CV 補(bǔ)電荷)再下降，或者下降速度明顯減緩又加速現(xiàn)象[圖6] 。Chroma 11210 PD選購卡以類比二階微分分析曲線是否發(fā)生負(fù)轉(zhuǎn)折(I"<0)，并將其程度量化(C_PD)讓使用者可了解放電發(fā)生之狀態(tài)。
▲ [圖6] 完整的鋰離子電池絕緣異常偵測
▲ [圖7] Chroma 11210回報(bào)偵測出異常電氣放電
無論在充電或測試中，Chroma 11210都能夠偵測這些異常電氣放電的大小及次數(shù)，最高強(qiáng)度可達(dá)99。并且可以制定PD大小的上限制，作為pass/fail的判定標(biāo)準(zhǔn)，幫助電池芯廠商分辨出絕緣良品/不良品[圖7] 。
一般的絕緣電阻計(jì)或耐壓測試儀只能在特定的時(shí)間間隔內(nèi)量測漏電流的平均值，無法監(jiān)控電壓及電流波形中的異常變化，Chroma 11210除了具備優(yōu)越的異常放電檢出功能，亦提供可記錄每個(gè)不良品發(fā)生PD現(xiàn)象的電壓波形[圖8]，使用者可以縮放記錄內(nèi)的波形圖，并簡易地查看PD現(xiàn)象的波形細(xì)節(jié)，此功能對(duì)于品保及研發(fā)單位提供極大助益。
▲ [圖8] Chroma 11210可記錄每個(gè)不良品發(fā)生PD現(xiàn)象的電壓波形
+瞬時(shí)高壓測試(+Flash Test)功能
此功能提供兩個(gè)不同的測試條件(測試電壓、充電電流、量測檔位、取樣積分時(shí)間)與判定條件(絕緣漏電或PD限制值等)以滿足各種元件之實(shí)際絕緣耐壓檢測之需求。
對(duì)鋰離子電池其絕緣檢測實(shí)際需求有二：
(1) 有效的正負(fù)電極間距 (參考電池安全課題所述)
(2) 隔離膜內(nèi)的電子導(dǎo)電雜質(zhì)(漏電流)；
兩者之測試與判定條件即差異頗大。
對(duì)MLCC而言，標(biāo)稱額定使用電壓為考量MLCC介電材料的線性條件，與實(shí)際介電材料耐壓程度有相當(dāng)大的差異(常有約3~數(shù)十倍差異)，故在傳統(tǒng)生產(chǎn)絕緣檢測即涵蓋一瞬時(shí)過壓(超過額定使用電壓)測試(Flash Test)以及在標(biāo)稱電壓下的絕緣電阻值之檢測。除確保于標(biāo)稱電壓無異常漏電，同時(shí)確保正常耐壓余裕度以達(dá)到完整的絕緣材品質(zhì)檢驗(yàn)。以耐壓余裕度檢測需求而言，其他電容元件有類似需求，Chroma 11210 + Flash測試功能正是滿足此類儲(chǔ)能元件完整絕緣品質(zhì)檢測的絕佳設(shè)計(jì)。
以實(shí)際鋰離子電池建議測試為例 [圖9]，第一個(gè)Flash Test電壓以極距檢測為目的，設(shè)定高于欲檢出之有效極距之對(duì)照空氣崩潰電壓(>350V)以檢出未短路狀態(tài)之高風(fēng)險(xiǎn)品，重點(diǎn)在檢測此高壓測試時(shí)，是否因極距異常而產(chǎn)生絕緣崩潰或電氣閃絡(luò)，測試時(shí)間較短；后者IR Test則以電子漏電異常檢出為目的，以約5~10倍于鋰離子電池工作電壓 (約2.5V~ 4.3V) 檢測穩(wěn)定漏電流防止做成電芯成品時(shí)造成過高自放電，一般需較長測量延遲時(shí)間。
▲ [圖9 ] Chroma 11210 +瞬時(shí)高壓測試(+ Flash Test)功能在鋰離子電池絕緣品質(zhì)檢測的應(yīng)用
PD 功能日常檢驗(yàn)
Chroma A112102局部放電日常檢驗(yàn)器，可在使用11210電池芯絕緣測試器搭配局部放電偵測卡(A112100)或局部放電分析卡(A112101)時(shí)，藉由調(diào)整A112102相關(guān)設(shè)定，以模擬不同大小Level的異常放電。亦可搭配其他標(biāo)準(zhǔn)待測物，對(duì)所購買的Chroma 11210局部放電量測功能進(jìn)行定期檢查(routine check)。
▲ Chroma A112102 連接Chroma 11210 示意圖
① Voltage Trigger ：電流充電上升時(shí)之觸發(fā)電位設(shè)定
② PD Interval Time ：多次觸發(fā)模式時(shí)之間隔時(shí)間設(shè)定
③ PD Capacitance ：選擇PD等效電容(能量)
