鋰電池?zé)崾Э乇O(jiān)測(cè)傳感器

電池?zé)崾Э兀═hermal Runaway）是指電池在過(guò)熱、短路、過(guò)充或其他異常情況下，內(nèi)部溫度迅速升高，導(dǎo)致電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)失控，從而引發(fā)火災(zāi)或爆炸的現(xiàn)象。為了有效監(jiān)測(cè)和預(yù)防電池?zé)崾Э兀瑝毫鞲衅髟陔姵毓芾硐到y(tǒng)（BMS）中扮演著重要的角色。

電池?zé)崾Э睾捅O(jiān)控傳感器：電池?zé)崾Э厥且粋€(gè)關(guān)鍵的安 全問(wèn)題，特別是在鋰離子電池中，鋰離子電池廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、消費(fèi)電子產(chǎn)品和儲(chǔ)能系統(tǒng)。了解熱失控的機(jī)制以及在此現(xiàn)象中溫度、壓力、氣體濃度和電壓測(cè)量的重要性對(duì)于提高電池的安 全性和性能至關(guān)重要。

了解熱失控：當(dāng)電池單元經(jīng)歷不受控制的溫度升高時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱失控，導(dǎo)致一系列放熱反應(yīng)，從而導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。該過(guò)程通常包括以下階段：
初始發(fā)熱：這可能是由環(huán)境溫度高、內(nèi)部短路或過(guò)度充電等外部因素引起的。隨著溫度的升高，電解質(zhì)可能開(kāi)始分解。
電解質(zhì)分解：在高溫下，電解質(zhì)會(huì)分解，釋放出乙烯、甲烷和氫氣等易燃?xì)怏w。這種氣體的產(chǎn)生增加了電池單元內(nèi)的內(nèi)部壓力。
電池排氣：如果壓力超過(guò)電池外殼的設(shè)計(jì)極限，電池可能會(huì)排氣，釋放氣體，如果接觸到火花或高溫，可能會(huì)著火。
熱傳遞：產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致相鄰電池進(jìn)入熱失控狀態(tài)，導(dǎo)致級(jí)聯(lián)故障，稱(chēng)為熱失控事件。

電池?zé)崾Э乇O(jiān)測(cè)是確保電池**性的重要環(huán)節(jié)，尤其是在鋰離子電池等高能量密度電池的應(yīng)用中。為了有效監(jiān)測(cè)電池的狀態(tài)，防止熱失控的發(fā)生，通常需要多種傳感器的配合使用。以下是一些常用的氣體傳感器和壓力傳感器及其工作原理：

一、溫度傳感器

工作原理：溫度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的溫度變化。常見(jiàn)的溫度傳感器包括熱電偶和熱敏電阻（RTD）。  
熱電偶溫度傳感器：由兩種不同金屬材料組成，當(dāng)接點(diǎn)溫度變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓信號(hào)，電壓的變化與溫度成正比。
熱敏電阻：其電阻值隨溫度變化而變化，通常使用負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，溫度升高時(shí)電阻降低。

二、壓力傳感器

壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部的氣體壓力變化。電池在熱失控時(shí)，內(nèi)部氣體可能會(huì)膨脹，導(dǎo)致壓力升高。壓力測(cè)量的重要性：熱失控期間的壓力測(cè)量至關(guān)重要，原因有幾個(gè)：

早期檢測(cè)：監(jiān)測(cè)壓力可以提供熱失控的早期預(yù)警。壓力的快速增加可能表明電池正在排氣或正在產(chǎn)生氣體。
安 全協(xié)議：了解壓力動(dòng)力學(xué)可以幫助設(shè)計(jì)安 全協(xié)議和安 全殼系統(tǒng)，以減輕與熱失控相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。
電池設(shè)計(jì)：壓力測(cè)量的見(jiàn)解可以為電池外殼和通風(fēng)機(jī)制的設(shè)計(jì)提供信息，確保它們?cè)跓崾Э厥录心軌虺惺芑虬?全釋放壓力。
研發(fā)：壓力數(shù)據(jù)對(duì)于研究人員開(kāi)發(fā)新的電池化學(xué)成分和安 全功能至關(guān)重要，使他們能夠評(píng)估與不同設(shè)計(jì)相關(guān)的性能和風(fēng)險(xiǎn)。
電阻式壓力傳感器工作原理：利用壓力變化引起的應(yīng)變片電阻變化來(lái)測(cè)量壓力；電容式壓力傳感器：通過(guò)壓力變化引起的電容變化來(lái)測(cè)量壓力，通常由兩個(gè)電極組成，壓力變化會(huì)導(dǎo)致電極間距變化，從而改變電容值。

三、氣體傳感器

在電池?zé)崾Э氐那捌陔A段，電池內(nèi)部通常會(huì)產(chǎn)生一些氣體。 這些氣體的種類(lèi)和數(shù)量會(huì)隨著電池類(lèi)型和失控的具體原因而有所不同。 一般來(lái)說(shuō)，下面是一些可能產(chǎn)生的氣體。

1、?熱導(dǎo)原理氫氣傳感器?：

熱導(dǎo)原理氫氣傳感器?根據(jù)氫氣熱導(dǎo)率的不同來(lái)檢測(cè)其濃度，其高靈敏度和快速響應(yīng)的特點(diǎn)，使得電池內(nèi)部在產(chǎn)生氫氣達(dá)到一定水平之前及時(shí)發(fā)出警報(bào)，從而有效預(yù)防安 全事故。

• 優(yōu)點(diǎn)：熱導(dǎo)式傳感器可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較為快速的氫氣傳感（約在10秒內(nèi)）。它對(duì)于氫氣的檢測(cè)具有較寬的測(cè)量范圍，且在某些情況下能提供相對(duì)穩(wěn)定的性能?，而且壽命較長(zhǎng)，在10年以上。這種熱導(dǎo)氫傳感器還可以檢測(cè)高濃度的殘氫排放，而且達(dá)到很高的精度。
• 缺點(diǎn)：對(duì)高熱導(dǎo)率氣體（如氦、甲烷、一氧化碳等）會(huì)造成交叉敏感，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度（2000ppm以下）氫氣的準(zhǔn)確檢測(cè)。

2、非分散紅外氣體傳感器（NDIR）

為了**測(cè)量氣體濃度，需要一個(gè)紅外光源和兩個(gè)熱電堆或熱釋電探測(cè)器和。一個(gè)探測(cè)器傳感器作為參考，用于監(jiān)測(cè)由于源老化、功率變化等引起的紅外源輸出的變化。另一個(gè)探測(cè)器傳感器配備有特定氣體的窄帶濾光片。IR紅外光源發(fā)射從光源傳播到探測(cè)器傳感器的所有波長(zhǎng)的廣譜紅外光。在吸收池中，一些波長(zhǎng)被感興趣的氣體分子吸收。在探測(cè)器器處，測(cè)量無(wú)吸收和氣體比吸收之間的光強(qiáng)差，以確定實(shí)際氣體濃度。

NDIR紅外氣體傳感器檢測(cè)測(cè)量原理：在右側(cè)，我們有一個(gè)紅外光源，可以發(fā)射所有波長(zhǎng)的輻射。反射器用于將盡可能多的光引導(dǎo)到左側(cè)的熱電堆探測(cè)器的方向。中間有一個(gè)帶有紅外反射壁的管子，用作測(cè)量通道。對(duì)于CO2檢測(cè)，有兩個(gè)感興趣的波長(zhǎng)，分別是3.91μm（此處為淺紅色）和4.26μm（這里為深紅色）。3.91μm的紅外輻射不會(huì)被大氣中的二氧化碳或其他常見(jiàn)氣體吸收，并且會(huì)無(wú)損地傳輸?shù)教綔y(cè)器。因此，它非常適合作為參考，沒(méi)有吸收。4.26μm波長(zhǎng)的紅外輻射僅被二氧化碳分子吸收，大氣中沒(méi)有其他氣體吸收。這意味著，該通道上的輻射減少程度僅取決于空氣中的二氧化碳分子，換句話(huà)說(shuō)，取決于二氧化碳濃度。 探測(cè)器由兩個(gè)獨(dú)立的通道組成，通道后面有窄帶濾波器和一個(gè)熱電堆，封裝在TO-39中。參考通道配備了一個(gè)中心波長(zhǎng)（CWL）為3.91μm的濾波器，CO2傳感通道配備了4.26μm CWL的濾波器。因此，后面的熱電堆將僅檢測(cè)其各自波長(zhǎng)的輻射。由于該原理使用非常窄帶的濾波器，因此不會(huì)有太多的輻射傳輸?shù)綗犭姸鸦驘後岆娞綔y(cè)器上。反過(guò)來(lái)，熱電堆產(chǎn)生的信號(hào)將相當(dāng)?shù)?。要獲得更高的信號(hào)，有兩種選擇。一種是采用具有更大吸收/活性面積的熱電堆，因?yàn)樾盘?hào)與吸收器的尺寸成正比。另一種選擇是用紅外輻射源產(chǎn)生更多的光。為了產(chǎn)生更多的紅外輻射，需要更多的功耗，這也會(huì)對(duì)紅外源的壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在大多數(shù)情況下，如果需要更多的信號(hào)，更大的熱電堆芯片或家和稍貴的熱釋電探測(cè)器。
也可以同時(shí)檢測(cè)不同的氣體。在這種情況下，您只需要兩個(gè)以上的獨(dú)立通道。需要一個(gè)參考通道和一個(gè)用于待檢測(cè)的每種所需氣體的通道。這是可能的，因?yàn)槊總€(gè)通道都為特定波長(zhǎng)配備了不同的濾光片。因此，所有通道都是相互獨(dú)立的。

3、催化燃燒原理氫氣傳感器?：

催化燃燒原理傳感器具有測(cè)量范圍廣、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠確保燃料電池車(chē)在各種工況下都能準(zhǔn)確檢測(cè)氫氣濃度，保障行車(chē)安 全。

催化燃燒催化珠氫氣傳感器由兩個(gè)珠狀物組成，珠狀物圍繞著一根在高溫（450°C）下工作的電線(xiàn)。一個(gè)珠子沒(méi)有添加催化劑被鈍化，這樣當(dāng)它與氫氣分子接觸時(shí)就不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，作為背景參考。另一個(gè)珠子被涂上催化劑以促進(jìn)與氣體的反應(yīng)。珠子通常放置在惠斯通電橋電路的獨(dú)立支腿上。當(dāng)氫氣存在時(shí)，催化珠上的電阻增加，而鈍化珠上的電阻沒(méi)有變化。這改變了電橋的平衡，改變了輸出電壓值Vout。

• 優(yōu)點(diǎn)：催化燃燒式傳感器計(jì)量準(zhǔn)確，響應(yīng)快速，能夠在較短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到氫氣的存在。它對(duì)于氫氣的檢測(cè)具有較高的靈敏度，在可燃?xì)怏w檢測(cè)領(lǐng)域是一類(lèi)主導(dǎo)傳感器?。
• 缺點(diǎn)：該傳感器在可燃性氣體范圍內(nèi)無(wú)選擇性，可能對(duì)其他可燃?xì)怏w也有響應(yīng)，同時(shí)壽命較短。此外，它存在暗火工作的風(fēng)險(xiǎn)，有引燃爆炸的危險(xiǎn)。同時(shí)，某些元素有機(jī)蒸汽可能對(duì)傳感器產(chǎn)生中毒作用，影響其性能?。

4、半導(dǎo)體原理氫氣傳感器?（通常指金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器）：

金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）氫氣傳感器由一個(gè)加熱電阻器和一個(gè)由沉積在加熱器上的金屬氧化物層制成的敏感電阻器組成，加熱電阻器將傳感器加熱至其工作溫度（200–500°C）。金屬氧化物層的電阻隨溫度和周?chē)諝庵械臍浜慷兓OS氫氣傳感器存在一些問(wèn)題，包括缺乏選擇性、穩(wěn)定性和靈敏度，以及響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。

• 優(yōu)點(diǎn)：半導(dǎo)體傳感器通常具有體積小、成本低、易于集成和在線(xiàn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。它們能夠在常溫下工作，且對(duì)某些氣體具有較高的靈敏度?。
• 缺點(diǎn)：半導(dǎo)體傳感器的選擇性相對(duì)較差，可能受到其他氣體的干擾。此外，其響應(yīng)速度可能不如熱導(dǎo)原理和催化燃燒式氫氣傳感器快，且在某些環(huán)境下可能存在穩(wěn)定性問(wèn)題?。

半導(dǎo)體氫氣傳感器是利用電化學(xué)反應(yīng)來(lái)檢測(cè)空氣中氫氣濃度的傳感器。在燃料電池車(chē)中，這類(lèi)傳感器被用來(lái)監(jiān)測(cè)汽車(chē)內(nèi)部氫氣的濃度。當(dāng)氫氣濃度過(guò)高時(shí)，傳感器會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，從而防止因氫氣泄漏導(dǎo)致的安 全隱患?。此外，半導(dǎo)體氫氣傳感器還具有體積小、成本低、在線(xiàn)測(cè)量和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，使得其在燃料電池車(chē)中的應(yīng)用更加廣泛。

四、電壓傳感器
工作原理：電壓傳感器用于監(jiān)測(cè)電池的電壓水平，過(guò)高或過(guò)低的電壓都可能導(dǎo)致熱失控。 
在電池?zé)崾Э乇O(jiān)測(cè)中，以上傳感器的組合使用能夠提供**的監(jiān)測(cè)能力，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的**隱患。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、壓力、濕度、電流、電壓和氣體濃度，電池管理系統(tǒng)（BMS）能夠有效地預(yù)防熱失控事件的發(fā)生，保障電池的**性和可靠性。