鋰電池?zé)崾Э乇O(jiān)測傳感器

電池?zé)崾Э兀═hermal Runaway）是指電池在過熱、短路、過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€關(guān)鍵的安 全問題，特別是在鋰離子電池中，鋰離子電池廣泛應(yīng)用于電動汽車、消費(fèi)電子產(chǎn)品和儲能系統(tǒng)。了解熱失控的機(jī)制以及在此現(xiàn)象中溫度、壓力、氣體濃度和電壓測量的重要性對于提高電池的安 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，就會發(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)可能開始分解。
電解質(zhì)分解：在高溫下，電解質(zhì)會分解，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：如果壓力超過電池外殼的設(shè)計(jì)極限，電池可能會排氣，釋放氣體，如果接觸到火花或高溫，可能會著火。
熱傳遞：產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致相鄰電池進(jìn)入熱失控狀態(tài)，導(dǎo)致級聯(lián)故障，稱為熱失控事件。

電池?zé)崾Э乇O(jiān)測是確保電池**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)時監(jiān)測電池的溫度變化。常見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，會產(chǎn)生電壓信號，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，溫度升高時電阻降低。

二、壓力傳感器

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

早期檢測：監(jiān)測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。
電池設(shè)計(jì)：壓力測量的見解可以為電池外殼和通風(fēng)機(jī)制的設(shè)計(jì)提供信息，確保它們在熱失控事件中能夠承受或安 全釋放壓力。
研發(fā)：壓力數(shù)據(jù)對于研究人員開發(fā)新的電池化學(xué)成分和安 全功能至關(guān)重要，使他們能夠評估與不同設(shè)計(jì)相關(guān)的性能和風(fēng)險。
電阻式壓力傳感器工作原理：利用壓力變化引起的應(yīng)變片電阻變化來測量壓力；電容式壓力傳感器：通過壓力變化引起的電容變化來測量壓力，通常由兩個電極組成，壓力變化會導(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)部通常會產(chǎn)生一些氣體。 這些氣體的種類和數(shù)量會隨著電池類型和失控的具體原因而有所不同。 一般來說，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)率的不同來檢測其濃度，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)）。它對于氫氣的檢測具有較寬的測量范圍，且在某些情況下能提供相對穩(wěn)定的性能?，而且壽命較長，在10年以上。這種熱導(dǎo)氫傳感器還可以檢測高濃度的殘氫排放，而且達(dá)到很高的精度。
• 缺點(diǎn)：對高熱導(dǎo)率氣體（如氦、甲烷、一氧化碳等）會造成交叉敏感，難以實(shí)現(xiàn)對低濃度（2000ppm以下）氫氣的準(zhǔn)確檢測。

2、非分散紅外氣體傳感器（NDIR）

為了**測量氣體濃度，需要一個紅外光源和兩個熱電堆或熱釋電探測器和。一個探測器傳感器作為參考，用于監(jiān)測由于源老化、功率變化等引起的紅外源輸出的變化。另一個探測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器傳感器的所有波長的廣譜紅外光。在吸收池中，一些波長被感興趣的氣體分子吸收。在探測器器處，測量無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測量原理：在右側(cè)，我們有一個紅外光源，可以發(fā)射所有波長的輻射。反射器用于將盡可能多的光引導(dǎo)到左側(cè)的熱電堆探測器的方向。中間有一個帶有紅外反射壁的管子，用作測量通道。對于CO2檢測，有兩個感興趣的波長，分別是3.91μm（此處為淺紅色）和4.26μm（這里為深紅色）。3.91μm的紅外輻射不會被大氣中的二氧化碳或其他常見氣體吸收，并且會無損地傳輸?shù)教綔y器。因此，它非常適合作為參考，沒有吸收。4.26μm波長的紅外輻射僅被二氧化碳分子吸收，大氣中沒有其他氣體吸收。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，換句話說，取決于二氧化碳濃度。 探測器由兩個獨(dú)立的通道組成，通道后面有窄帶濾波器和一個熱電堆，封裝在TO-39中。參考通道配備了一個中心波長（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其各自波長的輻射。由于該原理使用非常窄帶的濾波器，因此不會有太多的輻射傳輸?shù)綗犭姸鸦驘後岆娞綔y器上。反過來，熱電堆產(chǎn)生的信號將相當(dāng)?shù)?。要獲得更高的信號，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)樾盘柵c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，這也會對紅外源的壽命產(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，更大的熱電堆芯片或家和稍貴的熱釋電探測器。
也可以同時檢測不同的氣體。在這種情況下，您只需要兩個以上的獨(dú)立通道。需要一個參考通道和一個用于待檢測的每種所需氣體的通道。這是可能的，因?yàn)槊總€通道都為特定波長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量范圍廣、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠確保燃料電池車在各種工況下都能準(zhǔn)確檢測氫氣濃度，保障行車安 全。

催化燃燒催化珠氫氣傳感器由兩個珠狀物組成，珠狀物圍繞著一根在高溫（450°C）下工作的電線。一個珠子沒有添加催化劑被鈍化，這樣當(dāng)它與氫氣分子接觸時就不會發(fā)生反應(yīng)，作為背景參考。另一個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，催化珠上的電阻增加，而鈍化珠上的電阻沒有變化。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，能夠在較短時間內(nèi)檢測到氫氣的存在。它對于氫氣的檢測具有較高的靈敏度，在可燃?xì)怏w檢測領(lǐng)域是一類主導(dǎo)傳感器?。
• 缺點(diǎn)：該傳感器在可燃性氣體范圍內(nèi)無選擇性，可能對其他可燃?xì)怏w也有響應(yīng)，同時壽命較短。此外，它存在暗火工作的風(fēng)險，有引燃爆炸的危險。同時，某些元素有機(jī)蒸汽可能對傳感器產(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）氫氣傳感器由一個加熱電阻器和一個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圍空氣中的氫含量而變化。MOS氫氣傳感器存在一些問題，包括缺乏選擇性、穩(wěn)定性和靈敏度，以及響應(yīng)時間較長。

• 優(yōu)點(diǎn)：半導(dǎo)體傳感器通常具有體積小、成本低、易于集成和在線測量等優(yōu)點(diǎn)。它們能夠在常溫下工作，且對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)定性問題?。

半導(dǎo)體氫氣傳感器是利用電化學(xué)反應(yīng)來檢測空氣中氫氣濃度的傳感器。在燃料電池車中，這類傳感器被用來監(jiān)測汽車內(nèi)部氫氣的濃度。當(dāng)氫氣濃度過高時，傳感器會立即發(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、在線測量和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，使得其在燃料電池車中的應(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)測電池的電壓水平，過高或過低的電壓都可能導(dǎo)致熱失控。 
在電池?zé)崾Э乇O(jiān)測中，以上傳感器的組合使用能夠提供**的監(jiān)測能力，確保及時發(fā)現(xiàn)潛在的**隱患。通過實(shí)時監(jiān)測溫度、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。