Chroma 11210電池芯絕緣測(cè)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(cè)試器，亦可量測(cè)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(cè)外，更設(shè)計(jì)「于高壓量測(cè)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(cè)與分析(以下簡(jiǎn)稱"PD偵測(cè)功能")」，此功能可協(xié)助檢測(cè)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(chǎng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的絕緣測(cè)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(cè)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(cè)功能，全程監(jiān)測(cè)測(cè)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(cè)試電位后，測(cè)試時(shí)間內(nèi)也會(huì)與一般耐壓或絕緣測(cè)試器一樣進(jìn)行漏電流或絕緣電阻值測(cè)量判定異常。+瞬時(shí)高壓測(cè)試(+Flash)功能提供兩階段間斷式高低電壓，分別檢測(cè)待測(cè)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(cè)電路，將整體測(cè)試速度大幅提升，對(duì)一般電容性待測(cè)物做的絕緣測(cè)試，均可細(xì)分為四個(gè)程序：充電→判定延遲→測(cè)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(cè)試，明顯提升生產(chǎn)線的效率。在漏電流量測(cè)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(cè)。此外，Auto-range功能可自動(dòng)切換至最佳檔位執(zhí)行量測(cè)，省卻使用者的時(shí)間并確保量測(cè)之精準(zhǔn)度。
接觸檢查對(duì)于絕緣測(cè)試的可靠性有決定性之影響，在整個(gè)量測(cè)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(chǎng)，若待測(cè)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(cè)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(cè)前執(zhí)行、量測(cè)后執(zhí)行或量測(cè)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(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)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(cè)與量測(cè)功能
Chroma 11210電池芯絕緣測(cè)試器具有強(qiáng)烈局部放電 /電氣閃絡(luò)偵測(cè)功能，可檢測(cè)出高壓測(cè)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(cè)試時(shí)間里電壓基本上都固定在所設(shè)定測(cè)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(cè)
▲ [圖7] Chroma 11210回報(bào)偵測(cè)出異常電氣放電
無論在充電或測(cè)試中，Chroma 11210都能夠偵測(cè)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(cè)試儀只能在特定的時(shí)間間隔內(nèi)量測(cè)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(jiǎn)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(cè)試(+Flash Test)功能
此功能提供兩個(gè)不同的測(cè)試條件(測(cè)試電壓、充電電流、量測(cè)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(cè)之需求。
對(duì)鋰離子電池其絕緣檢測(cè)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(cè)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(cè)即涵蓋一瞬時(shí)過壓(超過額定使用電壓)測(cè)試(Flash Test)以及在標(biāo)稱電壓下的絕緣電阻值之檢測(cè)。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(cè)需求而言，其他電容元件有類似需求，Chroma 11210 + Flash測(cè)試功能正是滿足此類儲(chǔ)能元件完整絕緣品質(zhì)檢測(cè)的絕佳設(shè)計(jì)。
以實(shí)際鋰離子電池建議測(cè)試為例 [圖9]，第一個(gè)Flash Test電壓以極距檢測(cè)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(cè)此高壓測(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)測(cè)量延遲時(shí)間。
▲ [圖9 ] Chroma 11210 +瞬時(shí)高壓測(cè)試(+ Flash Test)功能在鋰離子電池絕緣品質(zhì)檢測(cè)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(cè)試器搭配局部放電偵測(cè)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(cè)物，對(duì)所購買的Chroma 11210局部放電量測(cè)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)
