Batteriezellen-Isolationsprüfer Model 11210

Batteriezellen-Isolationsprüfer
Batteriezellen-Isolationsprüfer
Batteriezellen-Isolationsprüfer
Hauptmerkmale
  • Prüfspannung: Bis max. 1 KV(dc)
  • Ladestrom: Max. 50 mA
  • Breiter Messbereich für Verluststrom (LC) (10 pA - 20 mA)
  • Teilentladungs-/Überschlagserkennung für die Untersuchung von potenziellen Kurzschlüssen (Option von A112100):
    • Anzeige der Teilentladungsstufe und Häufigkeit des Auftretens
    • Überwachung der Teilentladungsereignisse und der V/I-Wellenform  
    • Einstellung der programmierbaren Teilentladungsstufengrenze  
    • Protokollierung von Teilentladungen und der V/I-Wellenform (Option von A112101)
  • Integrierte zuverlässige Kontaktprüfung
  • Automatischer Test in folgender Reihenfolge: Aufladen-Verweilen-Messen-Entladen
  • Prüfung in Hochgeschwindigkeit (20 ms/Gerät)
  • Vollfarbdisplay mit 480 x 272 Pixeln und Touchpanel für problemlose Bedienvorgänge
  • Standard-Handler, USB, RS-232, Ethernet-Schnittstellen

Der Chroma 11210 Batteriezellen-Isolationsprüfer ist ein Instrument für präzise Messungen des Verluststroms (LC) und des Isolationswiderstands (IR) der Batterie in Form einer Folienrolle/Trockenzelle sowie für verschiedenartige Isoliermaterialien. Neben der standardmäßigen LC/IR-Messung besitzt das 11210-Gerät eine einzigartige Funktion zur Erkennung von Teilentladungen (PD) oder Überschlägen, die im Inneren des Isoliermaterials während der Prüfung der Hochspannungsisolation auftreten könnten. Dank der Erkennung von Teilentladungen im Inneren der Batterie vor dem Auffüllen des Elektrolyts können fehlerhafte Produkte herausgefiltert werden, bevor sie in die nächste Produktionsphase gelangen, und dabei potenzielle Gefahren verhüten, die in diesem Bereich auftreten können. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Methoden einer Isolationsprüfung bietet Chroma 11210 ein vollkommen neues Konzept für die Untersuchung und Bewertung der Batteriequalität.

Aufgrund dessen, dass das 11210-Gerät einen hinreichenden Ladestrom erzeugen kann, kann es problemlos eine Prüfung in Hochgeschwindigkeit mit automatischem Durchlauf der Prüfreihenfolge durchführen. Die Reihenfolge einer regulären Isolationsprüfung in der Zielanwendung ist „Aufladen→Verweilen→Prüfen→Entladen“. Diese Reihenfolge kann bei einem einzelnen DUT (Prüfling) in 20 ms oder schneller automatisch ausgeführt werden; dies bedeutet für Prüfungen, die in der Fertigungsanlage durchgeführt werden, dass Verarbeitungsgeschwindigkeiten von 50 Stk/s oder mehr erzielt werden können.

Zur Verbesserung der Präzision misst Chroma 11210 den Verluststrom (LC) weitläufig von 10 pA bis 20 mA mit 7 Strommessbereichen. Die Funktion für den automatischen Bereich ist für schnelle und praktische Vorgänge auch bei einem neuen DUT verfügbar.

Da im Chroma 11210 spezielle Schaltkreise eingebaut wurden, benötigt die Funktion zur Erkennung von Teilentladungen keine zusätzliche Zeit. Sowohl die LC/IR-Messungen als auch die PD-Erkennungsprüfungen können bei automatischer Ausgabe der Testergebnisse gleichzeitig durchgeführt werden. Demzufolge ist eine Prüfung in Hochgeschwindigkeit bei < 20 ms pro DUT auch dann möglich, wenn sowohl LC/IR- als auch PD-Prüfungen durchgeführt werden.

Bei einer herkömmlichen Isolationsprüfung entscheidet die Kontaktprüfung über die Zuverlässigkeit eines gesamten Tests. Wird keine Kontaktstelle im DUT erkannt, wird dies während des Tests sehr wahrscheinlich mit „Bestanden“ bewertet, wobei jedoch die tatsächliche Isolationsprüfung am betreffenden DUT noch gar nicht stattgefunden hat. Daher könnte ein „falscher Gut“-Zustand herbeigeführt werden und ein fehlerhaftes DUT würde als einwandfreies Gerät angesehen. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn der Isolationswiderstand des DUT extrem hoch ist. Die Funktion der Kontaktprüfung im Chroma 11210 bedient sich fortschrittlicher Technologie, um sofort die Geräte ausfindig zu machen, die während der Tests keine zuverlässigen Kontakte aufweisen. Eine gründliche Kontaktprüfung vor und/oder nach der Messung dauert nur 5 ms.

 SICHERHEITSBELANGE BEI LITHIUM-IONEN-BATTERIEN

Die Folgen eines Brands oder einer Explosion von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) sind von zunehmender Besorgnis. In dem Maße, in dem die Technologie fortschreitet, in dem Maße stellt auch die Energiedichte einer LIB eine zunehmende Gefahr für die Verbraucher dar. Um die Gefahr eines Brands oder einer Explosion auszuschließen, muss die eigentliche Ursache behoben und die fehlerhaften Geräte müssen herausgefiltert werden, bevor sie auf den Markt gelangen. Neueste Forschungsergebnisse weisen darauf hin, dass interne Kurzschlüsse zwischen der positiven Elektrode (Aluminium) und der Materialbeschichtung an der negativen Elektrode (Anode) im Inneren der Zelle die eigentliche Ursache für einen Brand oder eine Explosion ist [Abbildung 1]. Grate an den metallenen Elektroden oder unreine Partikel in der Trennschicht können diese Art von internem Kurzschluss verursachen. [Abbildung 2].

Die Forschungsarbeiten zeigen, dass die Beschichtung einer negativen Elektrode (typischerweise Graphit) sich während der Ladephase und während wiederholter Lade-/Entladezyklen auf bis zu 24 % oder mehr ausdehnt. Die Ausdehnung kann soweit fortschreiten, dass die Grate an der Aluminiumplatte schließlich mit der Graphitbeschichtung der negativen Elektrode in Kontakt kommen und es zu einer Brandkatastrophe kommt [Abbildung 3]. In der Regel werden die Batteriezellen werksseitig mehreren Lade-/Entladezyklen unterzogen, bevor Sie ausgeliefert werden. Nehmen wir mal beispielsweise an, dass zwei fehlerhafte Zellen in der Fertigungsanlage vorhanden sind und dass jede ihrer Aluminiumplatten einen einzelnen Grat verschiedener Höhe oder Länge aufweist [Fall 1 & Fall 2 in Abbildung 4]. Fall 1 tritt beim zweiten Ladezyklus im Werk zu Tage, denn der Grat kommt dann mit der Anode in Berührung. In den meisten Fällen wird der zweite Fall jedoch erst nach vielen weiteren Ladezyklen erkannt, nämlich sehr wahrscheinlich tritt er ein, wenn die Batterie beim Verbraucher angelangt ist.

 ERKENNUNGS- UND -MESSFUNKTION FÜR TEILENTLADUNGEN

Die Funktion zur Erkennung von Teilentladungen (PD) im Chroma 11210 ist in der Lage, Fehler im Inneren der Batteriezellen während der Trockenzellenphase vor dem Einfüllen des Elektrolyts zu erkennen. Wenn Grate auf dem Metallblech der Elektrode oder Fehler (unreine Partikel) in der Isolationsschicht (die Trennschicht) in den Trockenzellen vorhanden sind, wird der Isolationsabstand zwischen ihnen verkürzt, aber nicht kurzgeschlossen. In den meisten Fällen werden diese Mängel während normalen LC/IR-Isolationsprüfungen nicht erkannt, denn der interne Kurzschluss existiert bei Durchführung der Prüfung nicht. Das 11210-Gerät ist das einzige Instrument, das Ihnen helfen kann, potenzielle Kurzschlüsse bereits sehr frühzeitig noch vor dem Auftreten von Störungen zu erkennen. Wird die geeignete Prüfspannung angelegt und der passende PD-Schwellenwert festgelegt, kann das 11210-Gerät Ihnen bei der „Messung“ des „effektiven Restabstands“ zwischen der negativen Elektrode und dem Graphitmaterial behilflich sein (siehe Gleichung und Erklärung hierzu auf der rechten Seite).

Der Chroma 11210 Batteriezellen-Isolationsprüfer erkennt jegliche Teilentladungen oder Überschläge, die im Inneren der Batteriezellen auftreten könnten. Dabei bedient sich das 11210-Gerät unterschiedlicher Schaltkreise für die zwei Erkennungsphasen. Die erste Phase findet im CC-Modus (CC steht für konstanten Strom) statt, wenn das 11210-Gerät den DUT mit einem vom Benutzer festgelegten konstanten Strom auflädt. In diesem Modus überwacht das 11210-Gerät den Pegel der Spannung und ihre Steilheit. Alle Störimpulse in der Steilheit der Spannung oder alle unerwarteten Änderungen in der Steilheit werden vom 11210-Gerät erkannt und als Auftreten einer Teilentladung gemeldet (als dargestellt  ). Die zweite Phase findet im CV-Modus (CV steht für konstante Spannung) statt. In diesem Modus sollte nur ein stabiler Verluststrom vorhanden sein. Demzufolge treten ungewöhnliche und überstehende Impulse in der Stromwellenform typischerweise bei einer anomalen Entladung (d.h. Teilentladung oder Überschlag) auf, die vom 11210-Gerät auch als Auftreten einer Teilentladung erkennt und gemeldet werden (als dargestellt  ). Chroma 11210 erkennt während dieser Modi nicht nur die Stärke der von den Teilentladungen verursachten Impulse, sondern misst diese auch im Groben (Hinweis *1). [Siehe Abbildung 5 zur Veranschaulichung].


▲ [Abbildung 5] Teilentladungs-/Überschlagserkennung in den Phasen CC (Aufladen) & CV (Messen)

▲ [Abbildung 6] Teilentladungserkennung im CC- & CV-Modus und Meldung vom 11210

Ob im CC-Modus oder im CV-Modus, das 11210-Gerät kann die Anzahl der auftretenden Teilentladungsereignisse bis maximal 99 heraufzählen [Abbildung 6]. Sowohl die Stärke als auch die Anzahl der auftretenden Ereignisse kann als Schwellenwert für die Kriterien Bestanden/Nicht bestanden eingestellt werden, was bei der Prüfung verschiedenartiger Geräte mit unterschiedlichen Merkmalen in der Fertigungsanlage sehr hilfreich ist.

Hinweis *1: Die Entladungsmenge in den Teilentladungsimpulsen wird dann am präzisesten gemessen, wenn die Impulsdauer kürzer als 100 us und das Zeitintervall zwischen aufeinander folgenden Impulse größer als 300 us ist.

Aufgrund der überlegenen Teilentladungserkennung und den Messmöglichkeiten kann das Chroma 11210 Aufgaben durchführen, die ein reguläres LC/IR-Messgerät oder ein HiPot-Prüfgerät nicht kann. Ein reguläres LC/IR-Messgerät oder ein HiPot-Prüfgerät kann nur den Durchschnittswert des Verluststroms innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls messen, aber nicht jedes Detail in der Spannungs- und Stromwellenform überwachen. Zudem verfügt das 11210-Gerät über eine äußerst stabile Prüfspannung, deren Welligkeit und Rauschen im Bereich von lediglich einigen Minivolt liegt, sodass es in der Lage ist, sehr geringfügige Störimpulse in der Spannungs- und Stromwellenform aufzuspüren. [Abbildung 8] veranschaulicht, dass geringfügige Teilentladungen oder Überschläge im Inneren eines DUT ohne genauen Einblick in die Spannungswellenform nicht erkannt werden können.


▲ [Abbildung 7] Ohne genauen Einblick in die Spannungswellenform (Bild links) sind keine Anomalien zu sehen. Während das Chroma 11210 Details herauskristallisiert, können wir zwei Teilentladungsereignisse beobachten, wobei einer im CC-Modus und der andere im benachbarten CV-Modus (Bild rechts) stattfindet.

Sollte das Technikerteam die tatsächliche Spannungs- und Stromwellenform bei einem durchgefallenen DUT (Fehler aufgrund einer Teilentladung) nach Abschluss der Prüfungen nochmals überprüfen müssen, bietet das Chroma 11210 eine erweiterte Option zur Abspeicherung der Spannungs- und auch der Stromwellenform, die während der Prüfung jedes einzelnen Geräts erfasst wurde. Mit Zoomfunktionen können Benutzer die Details einer Wellenform von Teilentladungsereignissen problemlos anzeigen. Da diese Wellenformen erfasst und aufgezeichnet wurden, können die F&E- und/oder QS-Abteilungen diese zusätzlich analysieren und erforschen.

 KONDENSATORPRÜFUNGEN MIT 11210

Das Chroma 11210 ist die nächste Generation und die weiter entwickelte Version seines Vorgängers, dem 11200 Kondensator-LC/IR-Messgerät. Das 11210-Gerät enthält vielseitigere und präzisere Funktionen, wobei jedoch alle Hauptfunktionen und Einsatzmöglichkeiten des 11200-Geräts beibehalten wurden. Aus diesem Grund ist das 11210-Gerät auch ein erweitertes LC/IR-Messgerät für alle Kondensatortypen [Abbildung 8].

In der Fertigungsanlage kann das 11210-Gerät die Kondensatoren auch mit sehr hoher Geschwindigkeit (~20 ms pro DUT) mit Hilfe von geeigneten Vorrichtungen prüfen. Zudem weist es einen sehr breiten und außerordentlich präzisen LC/IR-Messbereich auf. Chroma 11210 setzt einen neuen Standard bei der Isolationsprüfung und bei Testinstrumenten für alle Kondensator-Fertigungsanlagen.

Obwohl die Funktion zur Erkennung von Teilentladungen speziell für die Isolationsprüfung von Batterietrockenzellen vorgesehen ist, zeigt sie auch deutlich auf, was während der Prüfungen im Inneren eines Kondensators vor sich geht. Mit Hilfe der vom 11210-Gerät erfassten Daten können Benutzer auch die Isolationsqualität noch weiter steigern oder verbessern, sodass eine Isolierung höchster Qualität gewährleistet werden kann.

Wie bereits erwähnt, werden während einer typischen Isolationsprüfung 4 Phasen nacheinander ausgeführt, nämlich „Aufladen→Verweilen→Prüfen→Entladen“ [Abbildung 9]. Mit dem Chroma 11210 können Benutzer das Zeitintervall programmieren, das jeweils für die ersten 3 Phasen benötigt wird. Jedes Intervall kann zwischen 5 ms und 9,999 s eingestellt werden. Die „Verweilen“-Phase ist besonders wichtig. Für große und rein ohmsche Geräte oder Kondensatoren mit großer Kapazität aber geringem Isolationswiderstand muss der Benutzer eine hinreichende „Verweil“-Zeit zulassen, bevor die tatsächliche Messung stattfindet. Die lange „Verweil“-Zeit ist nötig, damit sich der Ladestrom einpendeln kann und er nicht die Messung des Verluststroms beeinträchtigt. Das 11210-Gerät ist extrem flexibel bei der Programmierung dieser Parameter und es kann diese 4 Phasen automatisch nacheinander ausführen. Für die Prüfung von Kondensatoren während der Produktion besitzt Chroma das Wissen und die Technologien, Kunden bei der Einrichtung einer zuverlässigen Inline-Prüfung behilflich sein oder ihnen eine komplett schlüsselfertige Prüflösung anzubieten.


▲ [Abbildung 8] Blockschaltbild der of LC/IR-Messprüfung vom 11210 für das Kondensatoren-DUT

▲ [Abbildung 9] Timing & Reihenfolge einer regulären Isolationsprüfung

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