绝缘耐电压测试参数对测试结果的影响

  文章来源：万向一二三股份公司

电芯内部存在短路是引起锂离子电池安全问题的原因之一。针对电池内部短路风险，绝缘耐电压（Hi-pot）测试是一项重要的质量检测筛选手段，广泛应用于锂离子电池生产制造过程中，具有十分重要的作用。
锂离子电池生产制造过程中，通常采用叠片或卷绕方式将正、负极片和隔膜组装在一起，该过程制成的半成品通常被称为裸电芯。隔膜将正负极片间隔开，但隔膜中的孔隙可以允许Li+自由通过。Hi-pot测试主要是检测电芯内部是否存在颗粒异物、隔膜是否存在破损点或极片边缘是否存在严重毛刺等质量问题，一般采用绝缘电阻测量仪进行测试。
为了确保Hi-pot测试有效地检出裸电芯内部可能潜在的短路问题，本文作者重点探究了Hi-pot测试的测试时间、压力和测试电压等关键因素对结果的影响，以期指导生产时设定更有效的测试参数。

1实验

1.1实验设备及原理实验采用HIOKI5520绝缘电阻测试仪（日本产）。测试开始时，测试仪给裸电芯施加一个电压，该电压持续一段规定的时间后，检测器检测漏电流的电流值并转化为绝缘阻值，根据绝缘阻值是否在设定规定范围内，判断裸电芯正负极之间有无短路。一般测试过程中施加电压的流程见图1。

在一定时间t1内，对裸电芯从0开始加电压，至设定值U；电压U保持一段时间至t2；测试完成，切断测试电压，裸电芯正负极形成的杂散电容短接放电。
1.2实验样品实验样品采用本公司同一批次制作的常规叠片式裸电芯（308.5mm×102.5mm×9.9mm），标称电压3.2V，额定容量31Ah，正极活性物质为磷酸铁锂，负极活性物质为石墨，隔膜为聚乙烯（PE）基膜。
1.3实验方法重复测试：采用两种方式对同一批电芯进行Hi-pot测试,测试条件为延迟时间1.5s，测试时间4.0s，测试压力200N，测试电压250V。方式1：测试后，不进行正负极短接处理，连续测试，两次测试时间间隔3s以内；方式2：测试后将正负极进行短接处理，再进行重复测试。

不同延迟时间：当前所使用的测试设备升压到设置电压U的时间t1为0.5s，延迟时间设置的一般要求需要大于该升压时间，t2为测试时间。为避免测试时间过短对不同延迟时间测试结果的影响，测试时间采用相对充足的10.5s，然后采用1~10s的延迟时间进行测试。测试压力为200N，测试电压为250V。
不同测试时间：为避免延迟时间过短对不同测试时间测试结果的影响，采用1.5s和2.5s两种延迟时间进行测试，测试时间为3~10s。测试压力为200N，测试电压为250V。
不同测试压力：受限于设备所能提供的测试压力最大为600N，选取200N、450N和600N等3个压力参数进行对比测试。延迟时间为1.5s、测试时间为4.0s、测试电压为250V。不同测试电压：绝缘电阻测试设备的测试电压为0~1000V，在100V、250V、500V和1000V等4个电压参数下进行对比测试。延迟时间为1.5s、测试时间为4.0s、测试压力为200N。
测试压力和测试电压对Hi-pot测试不良（NG）品检出率影响的测试方法：实际生产中，Hi-pot测试NG电芯比例很低，为了避免大批量电芯实验，首先人为制造了10只含金属异物的缺陷裸电芯样件，异物为焊接工序负极铜金属焊渣，焊渣形貌不一，尺寸为50~200μm。异物引入方式为用镊子向裸电芯第5层正负极片的中放入3颗负极铜金属焊渣。针对10只人为NG异物电芯，对比了250V电压下，200N和600N不同压力下的NG电芯检出率；对比了450N压力下，250V、500V和1000V不同电压下的NG电芯检出率。最后，选取250V、450N，250V、600N，500V、450N等3种测试条件，在生产线进行了批量验证。
2结果与讨论
2.1重复测试采用两种方式对同一批电芯进行Hi-pot重复测试，两种方式的测试结果见图2。

从图2可知，方式1重复测试，随测试次数的增加，结果逐渐增大，8次连续测试后，结果趋于相对稳定；方式2重复测试，结果相对稳定。这是因为：正极/隔膜/负极构成的杂散电容在测试时进行了充电，测试后，若不进行正负极短接，仍会残留电量；重复测试时，因极化导致的极化电流减小，测得的结果绝缘阻值会变大；正负极短接后，可以放掉首次测试时充入的电量，因此测试结果相对稳定。将电芯放置更长时间让其缓慢放电，也可以使重复测试结果保持相对稳定。
2.2测试时间Hi-pot测试的时间设置，主要包括测试时间和延迟时间。分别验证两个时间的变化对结果的影响。首先，固定测试时间为10.5s，然后，调整延迟时间为1~10s，测试结果见图3。

从图3可知，在固定的10.5s测试时间条件下，延迟时间从1s增加到10s，耐电压绝缘阻值基本保持稳定，延迟时间对测试结果影响较小。为验证测试时间对Hi-pot测试结果的影响，固定延迟时间为1.5s、2.5s，调整测试时间，测试结果见图4。

从图4可知，在固定的延迟时间下，随测试时间的延长，测试结果逐渐增大。这是因为：在Hi-pot测试过程中，设备检测到的电流主要包括电容电流、极化电流和漏电流等，电压达到最大值后，电容电流快速消失；剩余极化电流和漏电流，随着测试时间增加，极化电流逐渐减小，漏电流基本保持不变，绝缘阻抗结果也就随之逐渐增大。相同测试时间下不同延迟时间的绝缘阻抗见表1。

从表1可知，在相同的测试时间下，2.5s和1.5s延迟时间下的绝缘阻抗结果接近。该数据可以同样印证，延迟时间对测试结果的影响较小。
2.3测试压力Hi-pot测试时，对裸电芯施加一定的外部压力，能使正、负极和隔膜的接触更紧密，让内部可能存在的异物挤压隔膜，以便更容易地检测出存在异物。采用相同的测试电压（250V）将裸电芯放置于不同的测试压力下，测试结果见图5。

从图5可知，在测试压力为200~600N时，提升测试压力对测试结果的影响较小。
2.4测试电压裸电芯的耐电压击穿能力与隔膜本身的耐电压强度有关，隔膜越薄，耐电压强度越低。测试电压应根据隔膜的耐电压强度设定，测试电压最高不能高于隔膜本征击穿电压，否则会对正常电芯的隔膜造成损坏。绝缘电阻测试设备的测试电压为0~1000V，当前行业内裸电芯Hi-pot测试常规采用的测试电压为250V。实验在相同的测试压力（450N）下，分别测试100V、250V、500V和1000V下的绝缘阻值，结果见图6。

从图6可知，随着测试电压的升高，绝缘阻值呈现逐渐减小的趋势，电压升高到1000V，也未发生击穿。这说明，当前实验样品使用的隔膜耐击穿电压高于1000V。
2.5测试压力和测试电压对Hi-pot测试检出率的影响测试压力试验表明，测试压力在200~600N时对测试结果的影响较小，但根据理论分析，如果正负极之间存在一定尺寸的异物，增大测试压力，正负极之间的间距减小，隔膜被异物挤压，正负极之间的隔膜被击穿，电压会下降。如果加载相同的电压，漏电流可能增大超过设定的警报值，从而更有效识别出异物。测试电压也是如此。异物挤压隔膜，增大测试电压，可以使低电压下不足以击穿隔膜的异物，在高电压下发生击穿，表现出较大的漏电流，从而更有效地识别出异物。为了研究测试压力和测试电压对Hi-pot测试检出率的影响，人为向裸电芯内部添加少量金属异物，制作NG电芯，通过对比不同测试压力和测试电压下的测试结果（见表2），评估增大测试压力和测试电压对NG裸电芯检出情况的影响。

从表2可知，当测试电压为250V时，在200N和600N的测试压力下，NG电芯检出率无明显区别。当测试压力为450N时，在250V的测试电压下，10只人为异物NG电芯检测出5只；当测试电压升高到500V和1000V时，都检测出6只。这表明，增大测试电压可以提高NG裸电芯检出率。有一定数量的添加少量金属异物的电芯无法通过Hi-pot测试检测出来，原因是：添加金属异物的颗粒大小和形貌不同，若异物颗粒过小或形貌偏片状，测试时异物对隔膜的挤压或损伤较小，无法体现出较大的漏电流。
基于上述人为NG电芯的实验结果，为了进一步验证测试压力和测试电压的影响，分别进行放大批量测试实验，考察测试压力和测试电压对正常批量电芯检出率的影响，对相邻时间点生产的同一批次电芯进行测试对比，结果见表3。

 

从表3可知，测试压力由450N提高到600N，NG率变化不大；测试电压由250V提高到500V，NG率由0.13%提高到0.31%，明显增大。假设该时间段该批次电芯的异物控制水平相近，测试电压增大，NG电芯检出率明显提高，Hi-pot测试检出的NG裸电芯拆解后，在隔膜上可发现金属异物导致的击穿点。

3结论

综上所述，Hi-pot测试时间对绝缘阻值大小有影响，测试时间越长，检测出来的电流越小，测试结果越大；延迟时间对测试结果影响很小，根据实际生产来确定测试时间，建议延时时间至少为0.5s，测试时间至少为1.0s。实验对比了压力为200~600N时测试电压对结果的影响，结果显示，该压力范围内压力对测试结果的影响很小；测试电压是影响Hi-pot测试的关键因素。当电压为100~1000V时，测试绝缘阻值随测试电压的增大而减小，电压提高，可提高不良电芯的检出率，需要设定合理的电压来保证测试的有效性，但不能无限制的增大电压，否则会导致正常电芯被误判为不良品。建议测试电压以不超过隔膜本征击穿电压的50%为宜。