Il rilevatore di isolamento per celle di batterie Chroma 11210 è progettato appositamente per la misurazione della corrente di dispersione (LC) e la resistenza dell’isolamento delle batterie agli ioni di litio (celle a secco/jelly roll). Questo modello misura anche condensatori solidi, condensatori di ceramica multistrato (MLCC), condensatori elettrolitici ad alta tensione e materiali isolanti. Oltre alla misurazione della corrente di dispersione/resistenza all’isolamento (LC/IR) standard, la funzione di rilevamento delle scariche parziali (PD) del rilevatore 11210 è progettata per rilevare e analizzare forti scariche parziali (PD) e scariche elettriche (Flashover) nell'isolatore durante la misurazione dell'alta tensione. Questa funzione consente di rilevare se la distanza di isolamento effettiva della batteria agli ioni di litio (cella a secco/jelly roll) sottoposta a test è sufficiente prima del riempimento dell'elettrolito, in modo da impedire che prodotti potenzialmente difettosi entrino nella fase di produzione successiva o nel mercato finale. Rispetto alle tradizionali soluzioni di test di isolamento, Chroma 11210 porta a un nuovo livello i test su sicurezza e qualità dei materiali isolanti dei prodotti alimentati da batterie agli ioni di litio e dei veicoli elettrici.
Il rilevatore 11210 utilizza uno speciale design del circuito per eseguire e monitorare l'intero processo di test per le scariche di corrente dovute a scariche parziali anomale nella cella della batteria e quantifica i dati in numeri e forme d'onda registrabili. Inoltre, una volta raggiunta la tensione di test, la perdita di corrente o la resistenza dell’isolamento verranno misurate e giudicate anomale durante il tempo di test come se si utilizzassero rilevatori WV/IR.
La funzione +Flash fornisce alta e bassa tensione intermittente a due stadi, rileva la tensione di tenuta (WV) del DUT ad alta tensione e la perdita di corrente (LC) a bassa tensione e giudica in modo indipendente LC e PD, rendendo l'applicazione di test efficace per vari componenti di accumulo di energia.
La corrente di carica di alto livello e il circuito di misurazione rapido di Chroma 11210 migliorano notevolmente la velocità complessiva del test. La sequenza regolare del test di isolamento prevista per i DUT capacitivi è "Carica -> Sosta -> Test -> Scarica" ed è in grado di eseguire automaticamente un test completo in una sequenza di 20 ms, migliorando significativamente l'efficienza della linea di produzione. Il rilevatore 11210 misura la corrente di dispersione da 1pA a 20mA, con 7 intervalli di misurazione della corrente per migliorare la precisione. Inoltre, la funzione di range automatico è in grado di passare automaticamente al range di misurazione più adatto, facendo risparmiare tempo e garantendo al tempo stesso la precisione.
La qualità del controllo dei contatti ha un'influenza decisiva sull'affidabilità del test di isolamento. Se lo strumento del test rileva "nessun contatto" durante l'intera procedura di misurazione, è probabile che il DUT venga valutato come un buon prodotto. Questo errore di valutazione porta all’immissione sul mercato di un prodotto difettoso. Dal momento che l'errore di valutazione sarà più evidente quando la resistenza di isolamento del DUT è molto elevata, durante il test di isolamento è necessario eseguire un controllo del contatto. Chroma 11210 utilizza un'architettura dei circuiti di alto livello per eseguire un controllo completo dei contatti entro 5 ms e offre la possibilità di eseguire un controllo approfondito dei contatti prima e/o dopo la misurazione.
Problemi di sicurezza della batteria agli ioni di litio
L'aspetto più pericoloso dei cortocircuiti interni è il CALORE generato in aree situate all'interno della cella, causato da un cortocircuito tra l'elettrodo positivo in alluminio e il materiale di rivestimento sull'elettrodo negativo. Questo tipo di esplosione della batteria è il principale colpevole di numerosi incendi automobilistici negli ultimi dieci anni. [Figura 1]
▲ [Figura 1] Incendio di un auto dovuto all'esplosione della batteria (disegno descrittivo)
Le conseguenze derivanti dall'incendio o dall'esplosione delle batterie agli ioni di litio (LIB) sono un problema crescente. Con il progresso tecnologico, la densità energetica aumentata delle LIB rappresenta un rischio crescente per i consumatori. Per eliminare il rischio di incendi o esplosioni, è necessario identificare il problema alla radice e filtrare le unità difettose prima che raggiungano il mercato. Le ricerche indicano che i cortocircuiti interni tra l'elettrodo positivo (alluminio) e il materiale di rivestimento sull'elettrodo negativo (anodo) all'interno della cella sono la causa principale di questi incendi o esplosioni [Figura 2]. È noto che le sbavature sugli elettrodi metallici o le particelle contaminate all'interno del separatore possono causare questo tipo di cortocircuito interno [Figura 3].
▲ [Figura 2] Aumento della temperatura in diversi scenari di cortocircuito interno
▲ [Figura 3] Una sbavatura che fuoriesce dall'elettrodo positivo può entrare in contatto con il materiale di rivestimento sull'elettrodo negativo e provocare infine un incendio.
La ricerca mostra anche che il materiale di rivestimento sull'elettrodo negativo (di solito grafite) si gonfia durante la fase di carica, aumentando fino al 24% al ripetersi del ciclo di carica/scarica. Potrebbe continuare a gonfiarsi fino a quando le sbavature sulla lastra di alluminio non entrano in contatto con la grafite di rivestimento provocando un incendio [Figura 4]. Prima della spedizione, di solito in fabbrica si eseguono diversi cicli di carica/scarica sulle celle della batteria. Ad esempio, si verificano due casi di celle difettose nella linea di produzione e ognuno ha una singola sbavatura con altezza diversa sulla sua piastra di alluminio [caso 1 e caso 2 in Figura 5]. Il caso 1 verrà rilevato al secondo ciclo di carica in fabbrica, dato che la sbavatura entrerà in contatto con l'anodo durante il processo di produzione. Tuttavia, nel caso 2, il secondo difetto non verrà rilevato fino a diversi cicli di ricarica successivi, il che è molto probabile che accada solo dopo l'acquisto del prodotto da parte del consumatore.
▲ [Figura 4] Esperimenti di laboratorio reali mostrano che un'espansione del 24% del materiale in grafite (rivestimento sull'elettrodo negativo) può verificarsi dopo soli 10 cicli di carica/scarica.
▲ [Figura 5] Due sbavature (caso 1 e caso 2) di diversa altezza che fuoriescono dall'elettrodo positivo di alluminio possono provocare cortocircuiti interni in momenti diversi.
Funzione di rilevamento e misurazione di scariche parziali e scariche elettriche
Il rilevatore di isolamento per celle di batterie Chroma 11210 è dotato di una potente funzione di rilevamento delle scariche parziali e delle scariche elettriche in grado di rilevare scariche elettriche all'interno della cella a secco della batteria agli ioni di litio (LIB) causate da una distanza insufficiente tra gli elettrodi durante i test ad alta tensione. Chroma 11210 è progettato per caricare a corrente costante e lo strato isolante della cella a secco LIB è realizzato in plastica perforata, quindi la tensione di carica dovrebbe aumentare in linea retta. La scheda opzionale Chroma 11210 PD analizza se la curva ha una transizione positiva (V" >0) simulando un'equazione differenziale del secondo ordine e quantificandone il grado (V_PD). Inoltre, la tensione è sostanzialmente fissata alla tensione di test impostata durante il tempo di pausa e di prova, e la corrente di dispersione è generalmente fissa o si riduce in modo esponenziale. Tuttavia, se si verifica una scarica elettrica, anche se potrebbe non esserci una riduzione osservabile della tensione, la corrente di dispersione mostrerà un aumento anomalo (carica supplementare CV) e in seguito diminuirà, oppure la velocità di riduzione rallenterà e accelererà notevolmente [Figura 6] . La scheda opzionale Chroma 11210 PD analizza inoltre se la curva ha una transizione negativa (I"<0) simulando un'equazione differenziale del secondo ordine e quantificandone il grado (VC_PD) in modo che sia possibile verificare lo stato della scarica.
▲ [Figura 6] Rilevamento dell'anomalia dell'isolamento della batteria agli ioni di litio completato
▲ [Figura 7] I rapporti di Chroma 11210 hanno rilevato una scarica elettrica anomala
In modalità di carica o durante i test, il rilevatore Chroma 11210 è in grado di rilevare fino a 99 occorrenze degli eventi PD descritti in precedenza [Figura 7]. La grandezza, il numero di visualizzazioni o entrambe possono essere impostate come livello di soglia per i criteri di successo/fallimento, il che è molto utile quando si testano vari dispositivi con caratteristiche diverse nella linea di produzione.
I misuratori della resistenza di isolamento generali o i tester della tensione di tenuta sono in grado di misurare solo la corrente di dispersione media entro un intervallo di tempo specifico e non sono in grado di monitorare cambiamenti anomali nelle forme d'onda di tensione e corrente. Oltre all'eccellente funzione di rilevamento delle scariche anomale, Chroma 11210 consente anche la registrazione delle forme d'onda della tensione degli eventi PD in ogni prodotto difettoso [Figura 8]. Con la funzione di zoom inclusa che consente di visualizzare facilmente i dettagli della forma d'onda delle scariche parziali, questa funzione è di grande aiuto ai reparti che si occupano di controllo della qualità e ricerca e sviluppo.
▲ [Figura 8] Chroma 11210 è in grado di registrare la forma d'onda della tensione delle scariche parziali per ogni prodotto difettoso
Funzione di test +Flash
La nuova funzione di test +Flash di Chroma 11210 consente una serie di condizioni di test (tensione di prova, corrente di carica, intervallo di misurazione, tempo di integrazione del campionamento) e condizioni di valutazione (livello di misurazione della corrente di dispersione o valore limite delle scariche elettriche) per soddisfare i requisiti dei test effettivi di tensione di resistenza all'isolamento di vari componenti.
Un adeguato test di isolamento delle batterie agli ioni di litio richiede due elementi di test:
(1) Distanza effettiva tra gli elettrodi positivi e negativi (fare riferimento all'argomento sulla sicurezza della batteria)
(2) Impurità conduttive elettroniche (corrente di dispersione) nel separatore.
Le condizioni di test e di valutazione per entrambi gli elementi differiscono in modo significativo.
Per i condensatori in ceramica multistrato (MLCC), considerando il materiale dielettrico del MLCC, la tensione nominale è in una condizione lineare, che è abbastanza diversa dalla tensione di tenuta del materiale dielettrico effettivo (spesso da 3 a 10 volte più alta). Pertanto, il tradizionale test di isolamento in produzione comprende un test di sovratensione istantanea (superiore alla tensione nominale) (Flash Test) e la misurazione del valore della resistenza di isolamento al di sotto della tensione nominale. Per eseguire un controllo completo della qualità del materiale isolante, garantisce che non siano presenti anomalie delle correnti di dispersione alla tensione nominale, garantendo al contempo un margine di tensione di tenuta normale. In termini di requisiti di test del margine di tensione di resistenza, altri componenti capacitivi hanno requisiti simili. La funzione di test +Flash di Chroma 11210 è stata perfettamente progettata per verificare la qualità dell'isolamento di tali componenti di accumulo di energia.
Prendendo come esempio il test della batteria agli ioni di litio [Figura 9], la prima tensione del Flash Test serve per il rilevamento della distanza tra gli elettrodi. La tensione di rottura dell'aria di riferimento (>350V) è impostata su un valore superiore rispetto alla distanza effettiva degli elettrodi da rilevare per testare prodotti ad alto rischio che non hanno subito cortocircuiti. Lo scopo è rilevare se si verifica una rottura dell'isolamento o una scarica elettrica a causa di una distanza anomala degli elettrodi durante questo test ad alta tensione di breve durata. Il successivo test di resistenza di isolamento serve a rilevare un’anomalia della corrente di dispersione elettronica. Impiega circa 5~10 volte la tensione di lavoro di una batteria agli ioni di litio (circa 2,5V~4,3V) per rilevare la corrente di dispersione stabile, onde prevenire un'eccessiva scarica automatica quando la batteria raggiunge la fine del processo di produzione. In genere è necessario un tempo di pausa più lungo.
▲ [Figura 9] Applicazione della funzione di test +Flash di Chroma 11210 durante il controllo della qualità dell'isolamento della batteria agli ioni di litio
Kit di controllo test PD
Quando si utilizza il tester di isolamento per celle di batterie Chroma 11210 con la scheda di rilevamento delle scariche parziali (A112100) o la scheda di analisi delle scariche parziali (A112101), le impostazioni pertinenti del kit di controllo del test PD di Chroma A112102 possono essere regolate per simulare scariche anomale di diversi livelli. Può essere utilizzato anche con altri DUT standard per eseguire controlli di routine con la funzione di rilevamento della scarica parziale del rilevatore 11210 acquistato.
▲ Chroma A112102 collegato allo schema Chroma 11210
① Trigger di tensione: Impostazione del livello di tensione di accensione delle scariche parziali in carica CC
② Intervallo PD: Attivo quando Single/Multi SW è impostato su "Multi"
③ Capacità PD: Selezionare "Energia” PD o "Capacità di carica"
