锂电池热失控监测传感器知多少

锂电池热失控监测传感器

电池热失控（Thermal Runaway）是指电池在过热、短路、过充或其他异常情况下，内部温度迅速升高，导致电池内部化学反应失控，从而引发火灾或爆炸的现象。为了有效监测和预防电池热失控，压力传感器在电池管理系统（BMS）中扮演着重要的角色。

电池热失控和监控传感器：电池热失控是一个关键的安 全问题，特别是在锂离子电池中，锂离子电池广泛应用于电动汽车、消费电子产品和储能系统。了解热失控的机制以及在此现象中温度、压力、气体浓度和电压测量的重要性对于提高电池的安 全性和性能至关重要。

了解热失控：当电池单元经历不受控制的温度升高时，就会发生热失控，导致一系列放热反应，从而导致火灾或爆炸。该过程通常包括以下阶段：
初始发热：这可能是由环境温度高、内部短路或过度充电等外部因素引起的。随着温度的升高，电解质可能开始分解。
电解质分解：在高温下，电解质会分解，释放出乙烯、甲烷和氢气等易燃气体。这种气体的产生增加了电池单元内的内部压力。
电池排气：如果压力超过电池外壳的设计极限，电池可能会排气，释放气体，如果接触到火花或高温，可能会着火。
热传递：产生的热量会导致相邻电池进入热失控状态，导致级联故障，称为热失控事件。

电池热失控监测是确保电池**性的重要环节，尤其是在锂离子电池等高能量密度电池的应用中。为了有效监测电池的状态，防止热失控的发生，通常需要多种传感器的配合使用。以下是一些常用的气体传感器和压力传感器及其工作原理：

一、温度传感器

工作原理：温度传感器用于实时监测电池的温度变化。常见的温度传感器包括热电偶和热敏电阻（RTD）。  
热电偶温度传感器：由两种不同金属材料组成，当接点温度变化时，会产生电压信号，电压的变化与温度成正比。
热敏电阻：其电阻值随温度变化而变化，通常使用负温度系数（NTC）热敏电阻，温度升高时电阻降低。

二、压力传感器

压力传感器用于监测电池内部的气体压力变化。电池在热失控时，内部气体可能会膨胀，导致压力升高。压力测量的重要性：热失控期间的压力测量至关重要，原因有几个：

早期检测：监测压力可以提供热失控的早期预警。压力的快速增加可能表明电池正在排气或正在产生气体。
安 全协议：了解压力动力学可以帮助设计安 全协议和安 全壳系统，以减轻与热失控相关的风险。
电池设计：压力测量的见解可以为电池外壳和通风机制的设计提供信息，确保它们在热失控事件中能够承受或安 全释放压力。
研发：压力数据对于研究人员开发新的电池化学成分和安 全功能至关重要，使他们能够评估与不同设计相关的性能和风险。
电阻式压力传感器工作原理：利用压力变化引起的应变片电阻变化来测量压力；电容式压力传感器：通过压力变化引起的电容变化来测量压力，通常由两个电极组成，压力变化会导致电极间距变化，从而改变电容值。

三、气体传感器

在电池热失控的前期阶段，电池内部通常会产生一些气体。 这些气体的种类和数量会随着电池类型和失控的具体原因而有所不同。 一般来说，下面是一些可能产生的气体。

1、‌热导原理氢气传感器‌：

热导原理氢气传感器‌根据氢气热导率的不同来检测其浓度，其高灵敏度和快速响应的特点，使得电池内部在产生氢气达到一定水平之前及时发出警报，从而有效预防安 全事故。

• 优点：热导式传感器可在大范围内实现较为快速的氢气传感（约在10秒内）。它对于氢气的检测具有较宽的测量范围，且在某些情况下能提供相对稳定的性能‌，而且寿命较长，在10年以上。这种热导氢传感器还可以检测高浓度的残氢排放，而且达到很高的精度。
• 缺点：对高热导率气体（如氦、甲烷、一氧化碳等）会造成交叉敏感，难以实现对低浓度（2000ppm以下）氢气的准确检测。

2、非分散红外气体传感器（NDIR）

为了**测量气体浓度，需要一个红外光源和两个热电堆或热释电探测器和。一个探测器传感器作为参考，用于监测由于源老化、功率变化等引起的红外源输出的变化。另一个探测器传感器配备有特定气体的窄带滤光片。IR红外光源发射从光源传播到探测器传感器的所有波长的广谱红外光。在吸收池中，一些波长被感兴趣的气体分子吸收。在探测器器处，测量无吸收和气体比吸收之间的光强差，以确定实际气体浓度。

NDIR红外气体传感器检测测量原理：在右侧，我们有一个红外光源，可以发射所有波长的辐射。反射器用于将尽可能多的光引导到左侧的热电堆探测器的方向。中间有一个带有红外反射壁的管子，用作测量通道。对于CO2检测，有两个感兴趣的波长，分别是3.91µm（此处为浅红色）和4.26µm（这里为深红色）。3.91µm的红外辐射不会被大气中的二氧化碳或其他常见气体吸收，并且会无损地传输到探测器。因此，它非常适合作为参考，没有吸收。4.26µm波长的红外辐射仅被二氧化碳分子吸收，大气中没有其他气体吸收。这意味着，该通道上的辐射减少程度仅取决于空气中的二氧化碳分子，换句话说，取决于二氧化碳浓度。 探测器由两个独立的通道组成，通道后面有窄带滤波器和一个热电堆，封装在TO-39中。参考通道配备了一个中心波长（CWL）为3.91µm的滤波器，CO2传感通道配备了4.26µm CWL的滤波器。因此，后面的热电堆将仅检测其各自波长的辐射。由于该原理使用非常窄带的滤波器，因此不会有太多的辐射传输到热电堆或热释电探测器上。反过来，热电堆产生的信号将相当低。要获得更高的信号，有两种选择。一种是采用具有更大吸收/活性面积的热电堆，因为信号与吸收器的尺寸成正比。另一种选择是用红外辐射源产生更多的光。为了产生更多的红外辐射，需要更多的功耗，这也会对红外源的寿命产生负面影响。因此，在大多数情况下，如果需要更多的信号，更大的热电堆芯片或家和稍贵的热释电探测器。
也可以同时检测不同的气体。在这种情况下，您只需要两个以上的独立通道。需要一个参考通道和一个用于待检测的每种所需气体的通道。这是可能的，因为每个通道都为特定波长配备了不同的滤光片。因此，所有通道都是相互独立的。

3、催化燃烧原理氢气传感器‌：

催化燃烧原理传感器具有测量范围广、响应速度快等优点，能够确保燃料电池车在各种工况下都能准确检测氢气浓度，保障行车安 全。

催化燃烧催化珠氢气传感器由两个珠状物组成，珠状物围绕着一根在高温（450°C）下工作的电线。一个珠子没有添加催化剂被钝化，这样当它与氢气分子接触时就不会发生反应，作为背景参考。另一个珠子被涂上催化剂以促进与气体的反应。珠子通常放置在惠斯通电桥电路的独立支腿上。当氢气存在时，催化珠上的电阻增加，而钝化珠上的电阻没有变化。这改变了电桥的平衡，改变了输出电压值Vout。

• 优点：催化燃烧式传感器计量准确，响应快速，能够在较短时间内检测到氢气的存在。它对于氢气的检测具有较高的灵敏度，在可燃气体检测领域是一类主导传感器‌。
• 缺点：该传感器在可燃性气体范围内无选择性，可能对其他可燃气体也有响应，同时寿命较短。此外，它存在暗火工作的风险，有引燃爆炸的危险。同时，某些元素有机蒸汽可能对传感器产生中毒作用，影响其性能‌。

4、半导体原理氢气传感器‌（通常指金属氧化物半导体传感器）：

金属氧化物半导体（MOS）氢气传感器由一个加热电阻器和一个由沉积在加热器上的金属氧化物层制成的敏感电阻器组成，加热电阻器将传感器加热至其工作温度（200–500°C）。金属氧化物层的电阻随温度和周围空气中的氢含量而变化。MOS氢气传感器存在一些问题，包括缺乏选择性、稳定性和灵敏度，以及响应时间较长。

• 优点：半导体传感器通常具有体积小、成本低、易于集成和在线测量等优点。它们能够在常温下工作，且对某些气体具有较高的灵敏度‌。
• 缺点：半导体传感器的选择性相对较差，可能受到其他气体的干扰。此外，其响应速度可能不如热导原理和催化燃烧式氢气传感器快，且在某些环境下可能存在稳定性问题‌。

半导体氢气传感器是利用电化学反应来检测空气中氢气浓度的传感器。在燃料电池车中，这类传感器被用来监测汽车内部氢气的浓度。当氢气浓度过高时，传感器会立即发出警报，从而防止因氢气泄漏导致的安 全隐患‌。此外，半导体氢气传感器还具有体积小、成本低、在线测量和易于集成等优点，使得其在燃料电池车中的应用更加广泛。

四、电压传感器
工作原理：电压传感器用于监测电池的电压水平，过高或过低的电压都可能导致热失控。 
在电池热失控监测中，以上传感器的组合使用能够提供**的监测能力，确保及时发现潜在的**隐患。通过实时监测温度、压力、湿度、电流、电压和气体浓度，电池管理系统（BMS）能够有效地预防热失控事件的发生，保障电池的**性和可靠性。