绝缘耐电压测试参数对测试结果的影响

赵星星，饶绍建，张 富，郭 浪

（万向一二三股份公司，浙江 杭州 311215）

电芯内部存在短路是引起锂离子电池安全问题的主要原因之一。绝缘耐电压（Hi-pot）测试是一项重要的针对电池内部短路风险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[1-4]。

锂离子电池生产制造过程中，通常采用叠片或卷绕的方式将正、负极片和隔膜组装在一起，该过程制成的半成品一般被称为裸电芯。隔膜将正、负极片间隔开，但是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，或者极片边缘是否存在严重的毛刺等质量问题，一般采用绝缘电阻测量仪进行测试。

为了确保Hi-pot测试有效地检测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、测试压力和测试电压等关键因素对结果的影响，以期指导生产时更准确地设定测试参数。

1 实验

1.1 实验设备及原理

实验采用HIOKI 5520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，并转化为绝缘阻抗，根据绝缘阻抗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。

图1 Hi-pot测试过程示意图Fig.1 Diagram of high potential（Hi-pot）test process

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（308.5 mm×102.5 mm×9.9mm），标称电压3.2 V，额定容量31 Ah，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

当前所使用的测试设备升压到设置电压U的时间t1为0.5 s，延迟时间设置的一般要求是大于该升压时间，t2为测试时间。

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1.5 s，测试时间4.0 s，测试压力200 N，测试电压250 V。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3 s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: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10.5 s，然后采用1～10 s的延迟时间进行测试。测试压力为200 N，测试电压为250 V。

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1.5 s和2.5 s两种延迟时间进行测试，测试时间为3～10 s。测试压力为200 N，测试电压为250 V。

不同测试压力:受限于设备所能提供的测试压力最大为600 N，用 200 N、450 N和600 N等3个压力进行对比测试。延迟时间为1.5 s，测试时间为4.0 s，测试电压为250 V。

不同测试电压:绝缘电阻测试设备的测试电压为0～1 000 V，在 100 V、250 V、500 V和1 000 V等4个电压下进行对比测试。延迟时间为1.5 s，测试时间为4.0 s，测试压力为200 N。

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层正负极片的间隙放入3颗负极铜金属焊渣。针对10只人为NG异物电芯，对比了250 V电压下，200 N和600 N不同压力下的NG电芯检出率;对比了450 N压力下，250 V、500 V和1 000 V不同电压下的NG电芯检出率。最后，选取250 V、450 N，250 V、600 N，500 V、450 N等3种测试条件，在生产线上进行了批量验证。

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。

图2 重复测试方式的测试结果Fig.2 Test results of repeated test methods

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，测得的绝缘阻抗会变大;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以缓慢放电，也能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10.5 s，然后，调整延迟时间为1～10 s，测试结果见图3。

图3 延迟时间对测试结果的影响Fig.3 Effects of delay time on test results

从图3可知，在固定的10.5 s测试时间条件下，延迟时间从1 s增加到10 s，绝缘阻抗基本保持稳定，延迟时间对测试结果的影响较小。

为验证测试时间对Hi-pot测试结果的影响，分别固定延迟时间为1.5 s、2.5 s，调整测试时间，测试结果见图4。

图4 测试时间对测试结果的影响Fig.4 Effects of test time on test results

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。

表1 相同测试时间下不同延迟时间的绝缘阻抗Table 1 Insulation impedance of different delay time at the same test time

从表1可知，在相同的测试时间下，2.5 s和1.5 s延迟时间下的绝缘阻抗结果接近。该数据同样可以验证，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的异物。采用相同的测试电压（250 V）将裸电芯用不同的压力进行测试，结果见图5。

图5 不同测试压力下的测试结果Fig.5 Test results at different test pressures

从图5可知，在测试压力为200～600 N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，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0～1 000 V，而裸电芯Hi-pot测试所用常规测试电压为250 V。实验在相同的测试压力（450 N）下，分别测试100 V、250 V、500 V和1 000 V下的绝缘阻抗，结果见图6。

图6 不同测试电压下的绝缘阻抗结果Fig.6 Insulation resistance results at different test voltages

从图6可知，随着测试电压的升高，绝缘阻抗呈现逐渐减小的趋势，电压升高到1 000 V，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1 000 V。

2.5 测试压力和测试电压对Hi-pot测试检出率的影响

测试压力实验表明，压力在200～600 N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，漏电流可能增大到超过设定的警报值，从而更有效地识别异物;测试电压也是如此。异物挤压隔膜，增大测试电压，可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。

表2 不同Hi-pot测试条件下NG电芯检出结果Table 2 Not good（NG）cell detection results at different Hipot test conditions

从表2可知，当测试电压为250 V时，在200 N和600 N的测试压力下，NG电芯检出率无明显区别。当测试压力为450 N时，在250 V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500 V和1 000 V时，分别检测出6只和7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。

表3 不同测试条件下NG电芯检出率Table 3 NG cell detection rate at different test conditions

从表3可知，测试压力由450 N提高到600 N，NG 率变化不大;测试电压由250 V提高到500 V，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测试时间对绝缘阻抗大小有影响，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0.5 s，测试时间至少为1.0 s。

实验对比了压力为200～600 N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100～1 000 V时，测试绝缘阻抗随测试电压的增大而减小，电压升高，可提高NG电芯的检出率，需要设定合理的电压来保证测试的有效性，但不能无限制地增大电压，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。