如何缓解电动汽车早期热失控问题从而增强的电动汽车性能和安全性？

时间： 2023-11-01 来源：AMPHENOL SENSORS安费诺传感器学堂公众号

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在过去的30年中，锂离子（Li-ion）电池已成为主要的可充电电池技术，具有出色的功率密度和较长的使用寿命。看看每个主要的汽车制造商——仅在过去两年中，大多数已经开始向锂离子电池技术驱动的电动汽车（EV）进行重大转变，并逐步淘汰配备内燃机的汽车和卡车。

虽然这种转变确实是现代交通的一场革命，但这种新交通方式的采用受到实用性和安全性的担忧的困扰——这主要源于热失控的发生时锂电池中的能量不受控制（通常会剧烈反应式的）转化为热量。

为了满足电动汽车的使用需求，需要在引入新的系统监控设备时调整现有的传感器技术。在热失控的情况下 - 这对所有由锂离子电池供电的车辆都很重要——可靠，准确和快速响应的传感器技术是车辆设计的必要条件。

锂离子技术的案例

当第一批锂离子电池于1991年推向市场时，它们代表了对其他商用电池的重大改进。依靠锂离子通过非水电解质的运输，可充电锂离子电池提供了极高的能量密度和较长的使用寿命 - 与当时常见的其他新兴可充电电池技术明显不同。

随着气候变化成为一个越来越紧迫的问题，在接下来的几年里，对储能解决方案的需求激增，这种解决方案可以取代车辆中的化石燃料，并为分布式可再生能源电网提供长期的储能手段。

锂离子电池是显而易见的候选者，在过去的三十年中，为提高其性能并降低成本，它们一直是大量研究和开发工作的主题。如今的锂离子电池几乎无一例外地成为便携式电子产品和电动汽车的首选储能介质。它们还服务于其他应用，例如大型固定式储能系统和移动发电机组。

电动汽车锂离子电池安全问题和热失控

除了出色的性能特征外，锂离子电池过去和现在都被认为是安全的。然而，锂离子电池的成功历史也在经历着称之为热失控的灾难性的电动汽车电池组故障问题。由于采用新技术这一看似仍然未知的领域，电池热失控事件给后面电动汽车车主带来了担忧。

热失控是化学家认为不受控制的放热链式反应的一个例子。在几毫秒内，电池单元温度的升高会导致材料发生放热分解。一旦发生这种情况，电池组中的其他电池就会被加热并开始分解。最终，电池开始以非常快的速率加热自己，而这会远超电动汽车本身可控下的向周围环境散热的速度，从而开始失控。

电池的温度呈指数级上升，稳定性丧失，导致所有剩余的热能、化学能和电化学能释放到周围环境中。测试表明，热失控是由许多不同的机制触发的，包括：

机械故障
过充
高温
泄漏
内部短路

最终，热失控会导致车辆起火，从而带来严重的安全问题。电池热事件不仅会使驾驶员和乘客处于危险之中，而且由于电池火灾难以扑灭，急救人员也处于危险之中。

可以肯定的是，热失控事件并不常见 - 但由于它们的严重性，它们被认为是一个严重的且需要解决的问题。大量热失控事故中没有明显的原因，这凸显了将强大的监测和检测技术集成到电动汽车设计中的必要性。

缓解电动汽车热失控事件

研究经常表明热失控事件是由电池的“滥用”引起的。事实上，实验室测试通常依赖于一些标准程序来故意诱导热失控，例如，通过刺穿或过热诱引热失控的方式。虽然这些测试方法在诱导热失控方面肯定是有效的，但它们并不能代表现实世界电池故障的原因。事实上，在实验室之外，大量的热失控事件与任何类型的系统“滥用”或明显的应力因素都没有明显的联系。

与所有类型的车辆的系统或机械故障一样，阻碍热失控影响的最佳方法是早期干预。通过气体传感器对热失控进行可靠的早期检测是电动汽车设计中的必要手段。

锂离子电池热失控气体检测传感器技术

锂离子电池的热失控并不常见，但其影响可能很严重，包括固定式储能系统的爆炸和电动汽车的自燃。令人震惊的是，研究表明，锂离子电池系统中的许多热失控实例在电池没有任何已知损坏的情况下发生。因此，只有通过使用强大的早期检测系统才能有效缓解此类事件。气体传感器技术是其中的关键。

由于热失控是一种不受控制的连锁反应，因此尽快检测到它至关重要。当这种多相过程开始时，电池通常在高温下排出蒸发的电解质。电压和温度通常对这种初始通风反应缓慢;气体、烟雾和压力是这种正在故障发生的可靠快速指标。

在提供快速检测电池排气的同时，压力传感器存在的缺点限制了其在电动汽车电池组系统中应用。压力传感器体积小、耐用且价格低廉，但它们通常表现出较差的信噪比，并且对用于热失控检测系统的体积/排气效应过于敏感。

另一方面，虽然不同的电池化学成分在热失控之前的初始排气过程中导致不同的化学特征，但氢气和二氧化碳气体已被证明是此类故障发生的可靠指标。集成二氧化碳时和 H2传感器提供：

快速响应时间（CO 为 5 - 8 秒）2H 为 <1 - 3 秒2)
长期应用的稳定性
出色的信噪比
传感器对不同气体高差异性（二氧化碳传感器没有已知的交叉灵敏度，H2传感器仅对氦气交叉敏感，但氦气在电池组中不存在）
降低1 型和 2 型故障风险

将气体传感器集成到电动汽车电池热管理系统允许在几秒钟内检测到电池故障 - 足够早地部署对策并使乘员能够安全离开车辆。在停放的车辆中，这样的系统将使附近的人能够撤退到安全距离。

增强的电动汽车性能和安全性

新技术=新法规

与大众使用的任何新技术一样，通常会有新的法规。就车辆锂离子电池而言，新的法律和标准开始出现。我们中国的法规对电动汽车内热失控检测系统的包含和功能进行了严格的指导。这些规定要求任何电动汽车系统都必须能够在乘客舱发生危险前五分钟发出热失控事件的警告。

联合国已经发布了电动汽车类似安全措施的指导方针 - 但这些仍然只是指导方针。虽然美国有电动汽车法规，但对热失控检测没有要求。随着法律法规的出台，随着电动汽车技术在交通运输中的应用，热失控检测正在实施新的行业标准。

热失控检测系统的性能要求极高。例如：

任何热失控事件都必须在对车辆居民构成任何危险之前检测到。
热失控检测系统还必须在电池组的整个使用寿命期间提供稳定的运行（在汽车应用中可运行长达 10-15 年）。
电动汽车通常使用12V二次电池系统为无钥匙进入和警报等辅助系统供电，这严重限制了热失控检测系统的功耗。理想情况下，强大的热失控检测系统需要具有<1 mA范围内的电流消耗，以避免耗尽该二次电池系统。
电动汽车和储能系统通常使用几种不同的电池电化学之一，以及使用不同的电池几何形状和配置。任何热失控检测解决方案都必须与需要与这些差异无关，并为任何电池系统提供可靠的检测。

超越电动汽车的热失控检测

热失控并非电动汽车所独有，它也可能发生在固定式储能系统中，这些系统通常具有更高的容量。在储能应用中，气体探测器可以集成到电池系统中，或作为独立设备部署在设施内，以提供全面的保护，防止大规模热失控。与电动汽车一样，此类系统为附近的人员提供早期预警，并能够及早采取对策，以保护基础设施并最大限度地减少任何即将发生的热失控的影响。

利用气体传感器技术开发强大的热失控检测系统

在过去的几年里，我们一直在发展我们的工业二氧化碳和H2传感器技术为锂离子电池系统中的热失控提供强大且通用的检测系统。

安费诺传感器的热失控检测系统，是从两个工程测试平台开始的。该平台由各种带数字输出的传感器组成。通过与OEM制造商的密切合作，我们了解了如何表征失效电池的喷射物羽流，以及检测何时发生电池故障，以及故障是局部还是已经扩散到电池组中的其他电池。

利用这些结果，安费诺研发生产了热失控检测系统的强大早期检测模块（REDTR）。REDTR 依赖于H2和二氧化碳传感器，以及监测压力、温度和相对湿度，以准确检测锂离子电池系统中热失控的早期迹象。

通过监测 H2， CO2、电池组压力、温度和相对湿度，REDTR 完全与系统无关，无论给定电池系统的具体情况如何，都可以有效运行。

传感器的使用寿命长达 20 年。另外，低功耗率意味着REDTR 适用于任何 EV 或 ESS 的应用。紧凑的配置意味着传感器系统可以作为独立设备使用或直接集成到电池管理系统.

用于持续改进电动汽车电池的气体传感器技术

虽然它们可能相当可靠，但气体探测器并非坚不可摧。在故障电池组中，当温度开始超过150°C时，H2传感器和二氧化碳传感器也会过热而停止工作。然而，在此之前，气体传感器会收集有价值的数据，为OEM提供强大的诊断工具和一个窗口，了解电池级别究竟发生了什么导致电池热事件。

除了在热失控的情况下实现快速响应和危险缓解外，传感器有朝一日将有助于消除电池故障的根本原因，并使热失控成为过去。安费诺传感器为您的电动汽车带来早期热失控检测解决方案。

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选型指南 - AMPHENOL SENSORS - 2018年7月 PDF 中文下载

Amphenol Sensors(安费诺)/Nova Sensor 压力传感器及敏感元件选型指南

目录- P1300低压硅压力传感器芯片 P1302低压硅压力传感器芯片 P111中压硅压力传感器芯片 P883（5~15000 PSI）硅压力传感器芯片 P1602硅压力传感器芯片 P122 高压硅压力传感器芯片 NPC-100系列一次性医疗压力传感器 NPC-1210系列低压系列固态压力传感器 NPC-1220系列中压传感器 NPH系列固态压力传感器(中低压) NPI-12卫生型压力传感器、不锈钢介质隔离压力传感器 NPI-15VC系列电压激励、高压、介质隔离压力传感器 NPI-15系列电流激励高压、介质隔离压力传感器 NPI-19系列电压激励、中压、介质隔离压力传感器 NPI-19系列电流激励、中压、介质隔离压力传感器 NPI-19低压不锈钢介质隔离压力传感器 NPP-301系列贴片封装压力传感器 NPA贴片式压力传感器 NPR-101系列复杂介质压力传感器 Modus T系列微差压力传感器压力变送器IPT1000/2000系列

型号- NPP-301B-700AT,IPT1000,51243,51245,51003,51244,NPP-301A-100AT,51005,51367,51004,51007,51006,51009,NPI-19X-YYYZZ,51008,51407,51406,NPI-15X-YYYZZ,51409,51408,NPP-301A-200A,NPH-XYYY-ZZ,51010,51012,51254,51011,51253,51013,NPA-300,NPR-101,51137,NPA-700,NPH系列,NPP-301B-200A,NPI-12,NPI-19X-XXXXV,P1602,NPI-15,NPP-301B-200AT,NPI-19,NPA100,NPI-15X-XXXXX,51142,MODUS T,51421,NPI-15X-XXXXXX,51304,51303,NPI-15C-C00903,NPP-301B-700A,51391,NPC-1210XXXX-YZ,51151,51393,51392,51395,NPI-19A-031GH,T10,51394,51031,51397,51399,51313,51433,51314,NPC-100T,51317,51318,NPP-301A-100A,P1302,NPC-100,P1300,51041,51283,NPI-19A-021GH,51282,T20,51045,51322,51046,51445,51324,51444,51323,51326,51325,51328,51327,51329,NPI-19A-002GV,NPI-15VC,NPP-301A-200AT,IPT2000,T30,NPC-1220XXXX-YZ,51298,51331,NPA-500,51330,51333,51299,51332,51335,51334,NPI-19X-XXXXXV,51337,51336,51339,51338,NPP-301B-100A,NPP-301B-100AT,NPA,T系列,P122,P883,NPH,NPI-19A-C01841,NPI-19A-C01840,NPP-301A-700A,T40,51340,NPP-301,51342,51187,51341,NPI-12-101GH,NPI-1,NPC-1220,NPP-301A-700AT,P111,51076,NPC-1210,51114

选型指南 - AMPHENOL SENSORS - 2018年1月 PDF 中文下载

Amphenol sensors尿素罐传感器，适用于汽车，卡车和工程车辆应用

SSI（Amphenol sensors旗下子公司）是设计和制造用于汽车，卡车和工程车辆应用的DEF/尿素传感解决方案和DEF/尿素输送模块的行业领导者，本文主要介绍其检测温度、液位、浓度等的尿素罐传感器。

厂牌及品类发布时间 : 2020-08-21

Amphenol Sensors(安费诺)/All Sensors MEMS压力传感器选型指南

目录- Product Matrix&Evaluation Kit Millivolt Output (compensated) Digital Output Amplified Output Basic Output (uncompensated) Media Isolated Sensors (Millivolt) Media Isolated Sensors (Amplified) Appendix A: Packaging Appendix B: White Papers Appendix C: Additional Resources

型号- 30 PSI-G-CGRADE-MINI,30 INCH-D1DIP-MV-MINI,ADCA SERIES,SPM-402,BLC SERIES,SPM-401,2 INCH-D2-MV-MINI,1 PSI-D-PRIME-MV,5 PSI-G-PRIME-MINI,5 INCH-D2-MV-MINI,30 INCH-DX-MV-MINI,30 PSI-D-CGRADE-MINI,DLVR-L20D,30 PSI-D-HGRADE-MV,DLVR-L20G,15 PSI-AF-CGRADE-MINI,100 PSI-D-PRIME-MV,DLHR-F50D,MLV-L02D-A6BBF-N,30 PSI-A-CGRADE-MINI,5 PSI-G-4V-PRIME,30 PSI-AF-CGRADE-MINI,BLV-L20D,2 INCH-D1DIP-MV-SDXL,DLHR-L05G,10 INCH-G-4V,CPA 502,10 INCH-D2DIP-MV-MINI,0.3 PSI-G-4V-MIL,10 INCH-D-HGRADE-MINI,30 PSI-D-PRIME-MV,120 CMH2O-D-4V-PRIME,1 INCH-DX-P4V-MINI,ASCX,DLHR-L05D,15 PSI-D-DO,BARO-INHG-DO-MIL-PCB,DLHR-L02D,5 PSI-D-4V-MIL,DLHR-L02G,2.5 INCH-G-4V,DLH-L60D,30 INCH-G-4V-MINI,5 CMH2O-D1-4V-MINI,15 PSI-A-4V-MIL,DLH-L60G,DLVR-L30D,20 INCH-D1DIP-MV-SDXL,BP01-G-4V-MINI,DLVR-L30G,15 PSI-GF-HGRADE-MINI,5 INCH-G-MV-MINI,1 PSI-G-4V-MIL,CPM502□-□□□□□□□□□,SAMP,10 INCH-GF-CGRADE-MINI,BARO-INHG-DO-MIL,BLV-L30D,TM4C1233D5PM,100 PSI-D-4V-PRIME,MLV-L02D,5 INCH-D1DIP-MV-SDXL,15 PSI-A-PRIME-MV,CPA 602,5 PSI-D-4V-ASCX,MDCX,1 PSI-D-4V,100 PSI-X-DO,20 INCH-DX-4V-MINI,5 INCH-D-DO,100 PSI-G-CGRADE-MINI,MLV SERIES,150 PSI-D-4V,0.5 INCH-G-4V,30 PSI-GF-HGRADE-MINI,MLV-L01D,0.3 PSI-D-HGRADE-MV,20 INCH-D-MV,ADO,10 INCH-G-MV-MINI,1 INCH-G-4V,5 INCH-DX-MV-MINI,15 PSI-G-4V,BLC-L30D,0.3 PSI-D-4V,BLVR,0.3 PSI-G-4V-PRIME,150 PSI-D-HGRADE-MV,BLC-L01D-D1,2 INCH-DX-MV-MINI,2 INCH-G-MV-MINI,0.3 PSI-G-HGRADE-MINI,30 PSI-DX-4V-MINI,MLV-030D,100 PSI-D-DO,15 PSI-A-HGRADE-MINI,CPA-602,0.5 INCH-DX-4V-MINI,MCS SERIES,0.3 PSI-G-PRIME-MINI,2 INCH-D-MV,1 PSI-G-CGRADE-MINI,DLC,15 PSI-G-PRIME-MINI,30 PSI-D-4V-PRIME,1 PSI-D-CGRADE-MV,SPM 02,DLH,30 PSI-D-PRIME-MINI,DLVR-L02D-E1NS-C-NI3F,15 PSI-G-HGRADE-MINI,60 INCH-G-4V,MLV-150D,30 PSI-A-4V,FPS,0.3 PSI-DX-4V-MINI,0.3 PSI-GF-PRIME-MINI,DLV,15 PSI-A-CGRADE-MV,120 CMH2O-D1-4V-MINI,30 INCH-G-MV-MIN,BARO-A-4V,15 PSI-GF-PRIME-MINI,BARO-DO-MIL,DLHR-L02DE1NS-CNAV6,10 INCH-GDIP-MV-SDXL,5 PSI-D-4V,15 PSI-AF-PRIME-MINI,20 CMH2O-D1-4V-MINI,MLV-L05D,100 PSI-GF-CGRADE-MINI,5 PSI-D-PRIME-MINI,DLVR-F50D,0.3 PSI-D-4V-MIL,5 INCH-D-MV,DLVR-L05D,DLVR-L05G,15 PSI-G-CGRADE-MINI,0.3 PSI-D-4V-PRIME,15 PSI-D-4V-ASCX,10 INCH-GF-HGRADE-MINI,15 PSI-D-PRIME-MV,4 INCH-G-CGRADE-MINI,150 PSI-G-4V,10 INCH-DX-MV-MINI,60 INCH-DX-P4V-MINI,10 INCH-D1DIP-MV-SDXL,BDS-L10D100A,BLC,30 INCH-D-MV,SPA 401□-□□□□□□□□□□□□□□□□,100 PSI-G-CGRADE-MIN,30 INCH-GDIP-MV-MINI,DLV-005G-E1BD-CNI3F,2 INCH-D2DIP-MV-MINI,20 INCH-D1DIP-MV-MINI,DLV-060D,DLV-060G,30 PSI-A-DO-MIL,1 PSI-D-4V-MIL,DLVR-L02G,1 PSI-D-4V-MINI,DLV-060A,BLV,2 INCH-D1DIP-MV-MINI,15 PSI-D-PRIME-MINI,BDS-L10D030A-N9,10 INCH-DX-P4V-MINI,30 PSI-A-4V-ASCX,CPA602□-□□□□□□□□□,5 PSI-D-CGRADE-MINI,30 PSI-A-HGRADE-MINI,1 PSI-D-DO-MIL,DLVR,2.5 INCH-D-4V,MLV-L10D-A6DXF-N,DLVR-L01D,30 INCH-D1DIP-MV-SDXL,DLVR-L01G,30 PSI-AF-HGRADE-MINI,BLCR-L05D,15 PSI-A-DO,CPA-502,10 INCH-D-DO,1 PSI-G-4V,MCI,BP01-D-MV,DLVR-L02D,5 PSI-G-4V-MIL,DHLR-L10D,MCS,DLHR- L02D + X,BLVR SERIES,DLV-030G,MLV-015D,10 INCH-G-CGRADE-MINI,MLV-015A,DLV-030A,20 INCH-G-P4V-MINI,ACPC,MLV-100D,DLV-030D,5 PSI-D-4V-PRIME,0.3 PSI-D-PRIME-MINI,20 INCH-D-4V,10 INCH-D2DIP-MV-SDXL,120 CMH2O-D-4V,15 PSI-D-HGRADE-MV,DLH-L05G,DLH-L05D,100 PSI-A-4V,5 PSI-GF-HGRADE-MINI,100 PSI-D-HGRADE-MV,BARO-A-4V-MINI,0.3 PSI-D-HGRADE-MINI,1 PSI-GF-HGRADE-MINI,4 INCH-D-HGRADE-MINI,5 PSI-D-4V-MINI,1 INCH-G-P4V-MINI,4 INCH-D-HGRADE-MV,15 PSI-D-HGRADE-MINI,5 PSI-D-HGRADE-MV,10 INCH-GDIP-MV-MINI,BLVR-L10D-B1NS-N,15 PSI-D-4V,4 INCH-GF-HGRADE-MINI,30 PSI-G-PRIME-MINI,1 INCH-G-4V-MINI,PSI-X-4V-ASCX,5 PSI-DX-4V-MINI,100 PSI-G-PRIME-MINI,DLVR-L10D,30 PSI-D-CGRADE-MV,DLVR-L10G,1 PSI-D-HGRADE-MINI,BLC-015A,5 INCH-GDIP-MV-SDXL,SPM 401,0.3 PSI-GF-HGRADE-MINI,SPM 402,30 INCH-D2DIP-MV-MINI,30 PSI-AF-PRIME-MINI,100 PSI-A-DO-MIL,MLV-L10D-A6AAX-N,5 CMH2O-D1-P4V-MINI,5 PSI-D-CGRADE-MV,30 PSI-D-4V,MLV-L10D-A6XAF-N,CPM602,30 INCH-D2-MV-MINI,ASCX SERIES,BARO-A-4V-MINI-PRIME,0.25 INCH-D-4V,DLHR- L10D + X,15 PSI-A-HGRADE-MV,100 PSI-GF-HGRADE-MINI,10 INCH-DX-4V-MINI,BDS-L10D030A,BLCR-L10D,1 PSI-GF-PRIME-MINI,100 PSI-D-CGRADE-MV,BDS SERIES,DLHR-L60D,DLHR-L60G,1 MBAR-D-4V,SPM401□-□□□□□□□□□□□□□□□□,5 PSI-G-HGRADE-MINI,5 PSI-GF-CGRADE-MINI,MAMP,0.3 PSI-G-4V-MINI,ADUX,0.3 PSI-G-CGRADE-MINI,2 INCH-GDIP-MV-SDXL,5 INCH-D-4V,4 INCH-D-CGRADE-MV,5 PSI-D-HGRADE-MINI,30 INCH-D-4V,BLV-L01DB1NS-N,10 INCH-G-PRIME-MINI,15 PSI-D-CGRADE-MV,BLCR,30 PSI-D-HGRADE-MIN,100 PSI-AF-PRIME-MINI,100 PSI-A-HGRADE-MV,20 INCH-GDIP-MV-MINI,CPM-502,MLV-005D,1 PSI-D-DO,BLCR-L20D,BARO-A-4V-PRIME-REF,5 PSI-D-DO-MIL,ABX00004,10 INCH-D1DIP-MV-MINI,10 INCH-D-MV,SPA 401,ABX00002,SPA 402,0.5 INCH-D-MV,30 INCH-D2DIP-MV-SDXL,100 PSI-A-4V-PRIME,1 PSI-D-HGRADE-MV,15 PSI-A-PRIME-MINI,DLH-L05D-E1NS-C-NAV6,5 INCH-DX-P4V-MINI,2 INCH-D2DIP-MV-SDXL,FPS SERIES,0.3 PSI-D-CGRADE-MINI,5 INCH-D2DIP-MV-SDXL,1 PSI-G-PRIME-MINI,30 PSI-A-PRIME-MV,30 PSI-A-4V-PRIME,SPM402□-□□□□□□□□□□□□□□□□,30 PSI-G-4V-MINI,BLC-L05D,MCI SERIES,100 PSI-G-HGRADE-MINI,BLVR-L20D,100 PSI-D-4V,30 PSI-A-4V-MINI,DLH-L10D,10 INCH-D-CGRADE-MINI,DLH-L10G,15 PSI-GF-CGRADE-MINI,1 INCH-D-MV,1 PSI-D-4V-ASCX,100

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