Chroma 11210 배터리 셀 절연 테스터는 리튬 이온 배터리(드라이 셀/젤리 롤)의 누설 전류(LC) 및 절연 저항(IR)을 측정하기 위해 특별히 설계되었습니다. 이 모델은 또한 솔리드 커패시터, 다층 세라믹 커패시터(MLCC), 고전압 전해질 커패시터 및 절연재를 테스트합니다. 표준 LC/IR 측정 외에도 11210의 PD 감지 기능은 고전압 측정 시 절연체에서 발생될 수 있는 강력한 부분 방전(PD) 및 플래시오버(Flashover)를 감지하고 분석하도록 설계되었습니다. 이 기능은 전해질 충진 전에 테스트 중인 리튬 이온 배터리(드라이 셀/젤리 롤)의 유효 절연 거리가 충분한지 탐지하여 결함 가능성이 있는 제품이 다음 생산 단계로 넘어가는 것을 방지합니다. Chroma 11210은 기존의 절연 테스트 솔루션과 비교하여 리튬 이온 배터리 구동 제품 및 전기차의 안전 및 절연재 품질 테스트를 새로운 수준으로 끌어올리고 있습니다.

11210은 특수 회로 설계를 사용하여 배터리 셀의 비정상적인 PD로 인한 플래시오버를 모니터링하며 데이터를 숫자 및 기록 가능한 파형으로 정량화합니다. 또한, 테스트 전압에 도달한 후 WV/IR 테스트기와 유사하게 테스트 시간 동안 LC 또는 IR을 측정하여 비정상 판정을 하게 됩니다.

플래시 기능은 2단계 간헐적 고전압과 저전압을 제공하고, 고전압 하의 DUT의 내력 전압(WV)과 저전압 하의 LC를 감지하고, LC와 PD를 독립적으로 판단하여 다양한 에너지 저장 부품에 대한 효과적인 테스트를 니다.

Chroma 11210의 높은 충전 전류 및 고속 측정 회로는 전체 테스트 속도를 크게 향상시킵니다. 정전식 DUT에 제공되는 절연 테스트 순서는 “충전→ 측정 대기→ 테스트→ 방전” 이며, 20ms 이내로 자동으로 수행할 수 있어 생산 라인의 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 11210은 정밀도를 높이기 위해 7개의 전류 측정 범위로 LC를 측정합니다 (1pA ~ 20mA). 또한 자동 범위 기능은 가장 적합한 측정 범위로 자동 전환되어 사용자의 시간을 절약하는 동시에 정확도를 보장할 수 있습니다.

접점검사(Contact check)는 절연 테스트의 신뢰성에 결정적인 영향을 미칩니다. 전체 측정 프로세스 중에 테스트 기기의 "접점 불량"을 감지하면 DUT가 양품으로 판단될 가능성이 높습니다. 이러한 잘못된 판단은 결함 있는 제품이 시장에 출시되는 결과를 초래합니다. DUT의 절연 저항이 매우 높으면 판단 착오가 더 분명하기 때문에 절연 테스트 중에 접점 검사를 수행해야 합니다. Chroma 11210은 하이레벨 회로 아키텍처를 사용하여 5ms 이내에 완전한 접점 검사를 실행하고 측정 전/후 혹은 전후로 철저한 접점 검사를 수행할 수 있는 옵션을 제공합니다

내부 단락의 가장 위험한 측면은 알루미늄 양극 전극과 음극 전극에 코팅된 물질 사이의 단락으로 인해 발생하는 셀 내부의 국소적 영역에서 발생하는 열입니다. 이러한 종류의 배터리 폭발은 지난 10년 동안 몇 가지 자동차 화재 사고의 주요 원인이었습니다. [그림 1]

▲ 배터리 폭발로 인한 차량 화재 사고(그림 참조)

리튬 이온 배터리(LIB)의 화재 또는 폭발로 인한 문제가 증가하고 있습니다. 기술이 발전함에 따라 LIB의 에너지 밀도 증가는 소비자에게 점점 더 많은 위험을 야기합니다. 화재나 폭발을 방지하기 위해서는 근본 원인을 해결하고 결함이 있는 제품을 선별한 후 시장에 출시해야 합니다. 연구 결과에 따르면 양극 전극(알루미늄)과 셀 내부의 음극 전극(양극)에 코팅된 물질 사이의 내부 단락이 이러한 화재와 폭발의 근본 원인인 것으로 나타났습니다[그림 2]. 금속 전극의 돌기 또는 분리막에 존재할 수 있는 오염된 입자는 내부 단락을 유발할 수 있는 것으로 알려져 있습니다[그림 3].

▲ [그림 2] 다양한 내부 단락 상황에서 온도 상승

▲ [그림 3] 양극 전극에서 돌출된 버는 음극 전극에 코팅된 물질에 닿아 결국 화재 사고를 일으킬 수 있습니다.

또한 연구 결과에 따르면 음극(일반적으로 흑연)에 코팅된 물질이 충전 단계 중에 팽창하며, 충전/방전 주기가 반복됨에 따라 최대 24% 이상 팽창하는 것으로 나타났습니다. 알루미늄 플레이트의 돌기가 흑연 코팅에 닿아 화재 사고를 일으킬 때까지 계속 팽창할 수 있습니다[그림 4]. 일반적으로 출하 전 공장 내 배터리 셀에서 충전/방전 사이클이 여러 번 수행됩니다. 예를 들어, 두개의 불량 셀이 생산라인에 존재하며, 각각의 알루미늄판에 높이 또는 길이가 다른 단일 돌기가 있습니다. [그림 5의 사례 1 및 사례 2]. 사례 1은 공장에서 두 번째 충전 사이클 중에 감지됩니다. 생산 프로세스 중에 돌기가 양극과 접촉하기 때문입니다. 그러나, 두 번째 경우와 같이 제품이 소비자에게 도달한 후 에야 단락이 발생할 가능성이 있는 경우도 있습니다.

▲ [그림 4] 실제 실험 결과, 흑연 물질(음극 전극 코팅)의 24% 팽창은 충전/방전 10사이클 후에 발생할 수 있습니다.

▲ [그림 5] 높이가 다른 두 개의 돌기(사례 1 및 사례 2)가 알루미늄 양극 전극에서 돌출되면 다른 시간에 내부 단락이 발생할 수 있습니다.

Chroma 11210 배터리 셀 절연 테스터는 고전압 테스트 중 전극 간 거리가 충분하지 않아 발생하는 리튬 이온 배터리 건식 셀(LIB) 내부의 전기 플래시오버를 감지하는 강력한 부분 방전 및 전기 플래시오버 감지 기능을 갖추고 있습니다. Chroma 11210은 일정한 전류로 충전하도록 설계되었으며, LIB 건식 셀의 절연층은 다공성 플라스틱으로 만들어져 충전 전압이 직선으로 상승해야 합니다. Chroma 11210 PD 옵션 카드는 2차 미분 방정식을 시뮬레이션하여 곡선에 양의 전이(V">0)가 있는지 분석하고 그 차수(V_PD)를 정량화합니다. 또한, 전압은 기본적으로 드웰 및 테스트 시간 동안 설정된 테스트 전압으로 고정되며, 누설 전류는 일반적으로 고정되거나 기하급수적으로 감소합니다. 그러나, 전기 플래시오버가 발생할 경우 전압 감소는 관찰되지 않을 수도 있지만, 누설 전류는 비정상적인 증가(CV 보조 전하)를 보여준 다음 감소하거나, 감소 속도가 눈에 띄게 느려지고 가속됩니다[그림 6]. 또한, Chroma 11210 PD 옵션 카드는 2차 미분 방정식을 시뮬레이션하여 곡선이 음의 전이(I”<0)를 가지는지 분석하고 그 정도(C_PD)를 정량화하여 사용자가 방전 상태를 확인할 수 있도록 합니다.

▲ [그림 6] 리튬 이온 배터리 절연 이상 감지 완료

일반 IR 미터 또는 WV 테스터는 특정 시간 간격 내에서만 평균 누설 전류를 측정할 수 있으며 전압 및 전류 파형의 비정상적인 변화를 모니터링할 수 없습니다. 우수한 비정상 방전 감지 기능 외에도 Chroma 11210은 모든 불량품에서 PD 발생의 전압 파형을 기록할 수 있습니다[그림 8]. 포함된 확대/축소 기능을 통해 PD 파형의 세부 정보를 쉽게 볼 수 있으므로 이 기능은 QA 및 R&D 부서에 매우 유용합니다.

▲ [그림 8] Chroma 11210은 결함 있는 모든 제품에 대해 PD의 전압 파형을 기록할 수 있습니다

Chroma 11210의 새로운 +플래시 테스트 기능은 다양한 부품의 실제 절연 내력 전압 테스트 사양을 충족하기 위해 다양한 테스트 조건(테스트 전압, 충전 전류, 측정 범위, 샘플링 통합 시간) 및 판단 조건(LC 측정 레벨 또는 PD 한계 값)을 제공합니다.

리튬 이온 배터리의 적절한 절연 테스트에는 두 가지 테스트 항목이 필요합니다:
(1) 양극 전극과 음극 전극 사이의 유효 거리(배터리 안전 항목 참조)
(2) 분리기의 전자 전도성 불순물(누설 전류).
두 항목에 대한 테스트 조건과 판단 조건은 크게 다릅니다.

MLCC의 경우, MLCC 유전체 재료의 고려, 공칭 전압은 실제 유전체 재료의 내력 전압과 상당히 다른 선형 조건(종종 약 3 ~ 10배 높음)에 있습니다. 따라서 기존의 생산 절연 테스트는 순간 과전압(정격 전압 초과) 테스트(플래시 테스트)와 공칭 전압 하의 절연 저항값 측정으로 구성됩니다. 종합적인 절연재 품질 검사를 수행하기 위해 공칭 전압에서 비정상적인 누설 전류가 발생하지 않도록 하는 동시에 정상적인 내력 전압 마진을 보장합니다. 내력 전압 마진 테스트 사양 측면에서 다른 정전식 부품도 비슷한 사양을 가지고 있습니다. Chroma 11210의 +플래시 테스트 기능은 이러한 에너지 저장 부품의 절연 품질을 검사하도록 완벽하게 설계되었습니다.

를 들어 리튬 이온 배터리 테스트를 보면[그림 9], 첫 번째 플래시 테스트 전압은 전극 갭 감지를 위한 것입니다. 레퍼런스 공기 파괴 전압( 350V)은 단락이 없는 고위험 제품을 테스트하기 위해 감지되는 유효 전극 거리보다 높게 설정됩니다. 이 단기간 고전압 테스트에서 비정상적인 전극 거리로 인해 절연 고장 또는 전기 플래시오버가 발생하는지 여부를 감지하는 것이 관건입니다. 이후의 IR 테스트는 비정상적인 전기 누설 전류를 감지하는 역할을 합니다. 배터리가 생산 과정의 끝에 도달할 때 과잉 자가 방전을 방지하고 안정적인 누설 전류를 감지하기 위해 리튬이온 배터리(약 2.5V~4.3V)의 작동 전압보다 약 510배가 사용됩니다. 일반적으로 더 긴 dwell 시간이 필요합니다.

▲ [그림 9] 리튬 이온 배터리 절연 품질 검사 중 Chroma 11210 + 플래시 테스트 기능 적용

Chroma 11210 배터리 셀 절연 테스터를 부분 방전 확인 카드(A112100) 또는 부분 방전 분석 카드(A112101)와 함께 사용할 경우, Chroma A112102 PD 테스트 확인 키트의 관련 설정을 조정하여 다양한 수준의 비정상적인 방전 상황을 시뮬레이션할 수 있습니다. 또한 다른 표준 DUT와 함께 사용하여 구매한 11210의 부분 방전 감지 기능을 통해 일상적인 점검 작업을 수행할 수 있습니다.