通过监控锂离子电池组来检测电池热击穿事件

在当今的能源领域，锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命等优势，广泛应用于电动汽车、储能系统等多个关键领域。然而，由多个锂离子电池构成的电池组存在热击穿的风险，这犹如一颗隐藏的 “定时炸弹”，给相关应用带来了严重的安全威胁。

以电动汽车为例，想象一下，在行驶过程中，电池组中的一个电池单元因制造缺陷或受到外部冲击而发生故障。此时，该电池单元内部会迅速产生热量，温度急剧上升。由于电池组中多个电池单元紧密相连，这个故障电池单元产生的热量会传递给相邻的电池单元，引发它们也相继出现问题。随着更多电池单元卷入这种不良反应，大量的热量和气体被释放出来，最终可能导致整个电池组发生热击穿。一旦热击穿发生，车辆可能会突然起火，甚至爆炸，严重危及驾乘人员的生命安全以及周围环境的安全。在储能系统中，热击穿同样可能引发大规模的火灾，造成巨大的财产损失。

热击穿的发生并非偶然，其背后有着复杂的原理。当电池内部出现短路等异常情况时，电流会急剧增大，产生大量的焦耳热。同时，电池内部的化学反应也会因温度升高而加速，进一步释放热量。这些热量如果不能及时散发出去，就会形成一个恶性循环：温度越高，反应越剧烈，产生的热量就越多，最终导致电池热击穿。

面对如此严峻的问题，检测热击穿情况显得至关重要。为此，众多科研人员和企业积极投入研发，开发出了一系列有效的检测技术。

霍尼韦尔传感与生产力解决方案公司推出的 BAS 系列汽车级电池气溶胶传感器，便是其中的佼佼者。该传感器巧妙地利用光散射原理来检测锂离子电池组的热击穿事件。其工作过程如下：当传感器开启后，会向一股空气发射光线，若空气中存在诸如烟雾、液体和碎屑等气溶胶(这些正是热击穿事件发生的早期指标)，气溶胶中的颗粒会散射光线，随后光传感器会测量散射的光线，并产生一个与颗粒密度成比例的电信号。BAS 系列传感器能够精准测量浓度在 200μg/m³ 到 10000μg/m³ 范围内的气溶胶，并及时发出报告。它还设有工厂设定的热击穿报警阈值，具体为 5000μg/m³，且响应时间小于 1 秒，这意味着一旦气溶胶浓度达到危险值，传感器能在极短的时间内发出警报。在通信方面，连续工作模式下的控制、数据传输和报警通过控制器区域网络(CAN)通信协议进行，该协议在车辆环境中已广泛应用，确保了数据传输的稳定性和可靠性。根据电池管理系统(BMS)设置的 “请求” 输入线路的状态，BAS 传感器有两种工作模式。在 ECO 模式下，当 “请求” 线路保持低电平(低于 0.5V)时，传感器会进入经济模式，它会被唤醒并工作 200ms，然后在接下来的 12000ms 内进入休眠状态以节省电力，通过禁用 CAN 总线还能进一步降低功耗。一旦发生阈值事件，即颗粒物浓度超过 5000mg/m³，传感器会立即向 BMS 发送一个唤醒信号，启动全电池系统检查。而在连续工作模式下，当 BMS 将 “请求” 线路设置为高电平(8V 至 16V 之间)时，传感器会不断监测气溶胶浓度，并使用 CAN 总线的 8 字节信息向 BMS 报告。这两款传感器的标称工作电压为 12V，范围在 8V 到 16V 之间，在 ECO 模式下电流小于 0.5mA，在连续模式下电流小于 30mA，具有低功耗的优势。在安装方面，只要在中空的检测腔两侧有 10cm 的间隙，就能以任何方向将传感器安装在封闭的电池组内，但要特别注意不能阻塞电池组的排气阀。通过使用该传感器，能够实现对锂离子电池组热击穿的早期检测，极大地降低了安全风险，同时也有助于符合国际建议和法规，因为其设计符合最高的质量和可靠性标准。

中国科学技术大学孙金华教授和王青松研究员团队与暨南大学郭团教授团队合作，在锂离子电池热失控光纤检测早期预警领域取得了突破性成果。他们成功研制出可植入电池内部的高精度、多模态集成光纤传感器。由于电池的密闭结构和内部复杂的反应机制，以往电池内部核心状态参量检测的准确性和实时性难以保证，而最新报道的一些具有 “透视” 检测能力的科学仪器，如中子衍射、X 射线衍射、冷冻电镜等，因体积庞大、价格昂贵，无法应用于电池使用终端。针对这一难题，该团队提出的多模态集成光纤原位监测技术具有独特优势。这种可植入电池内部的传感器能够在 1000℃的高温高压环境下正常工作，实现了对电池热失控全过程内部温度和压力的同步精准测量，有效攻克了热失控极端环境下温度与压力信号相互串扰的难题。通过解耦电池产热和气压变化速率的新方法，团队首次发现了触发电池热失控链式反应的特征拐点与共性规律，能够精准判别电池内部微观 “不可逆反应”，为快速切断电池热失控链式反应、保障电池在安全区间运行提供了有力手段。在未来，鉴于光纤传感器尺寸小、形状灵活、具有抗电干扰性和远程操作能力，且适合大规模生产的标准制造技术，还可以实现一根光纤在电池的多个位置同时监测温度、压力、折射率、气体组分和离子浓度等多种关键参数，光纤传感技术与电池的结合必将在新能源汽车、储能电站安全检测等领域发挥重要作用。

北京理工大学的研究人员提出了一种新的植入式传感系统，为锂离子电池内部状态监测带来了新的思路。随着可再生能源存储需求的增长，大容量锂离子电池快速发展，对其内部状态监测，尤其是早期故障诊断至关重要。热故障(如短路、过热)和机械故障(如果冻卷屈曲、电极断裂)可能引发燃烧或爆炸，因此需要精准识别内部温度与应变分布异常。传统植入式传感器存在诸多弊端，如需破坏电池结构，易受电解液腐蚀且信号被金属外壳屏蔽，影响电池稳定性且工艺不兼容。而新提出的植入式传感系统具有微型化、低功耗的特点，能够实时监测锂离子电池内部的温度和应变信号，并通过无线方式传输数据。该系统以非侵入式配置组装到果冻卷上，对电池性能影响极小，与电池制造工艺高度兼容。集成该植入式传感系统的方形电池在 1000 次循环中表现出高稳定性，容量损失有限(<8%)，几乎与原始锂离子电池的循环稳定性相同，可实现对商用锂离子电池整个使用寿命的实时监控。为了进一步实现对果冻卷热故障和机械故障的早期预警，研究人员建立了几何相关的 ISC 模型和膨胀模型，通过分析捕获的电池内部信号，能够及早识别果冻卷中的异常温度和应变信号。这种可植入的传感系统为商用锂离子电池内部的早期故障诊断和预警提供了一个极具前景的平台。

在检测锂离子电池组热击穿事件方面，科学家们已经取得了诸多成果，从气溶胶传感器到光纤传感技术，再到新型植入式传感系统，多种技术手段不断涌现。然而，这一领域仍有广阔的发展空间。未来，随着科技的不断进步，我们期待能够开发出更加精准、高效、智能的检测技术，进一步提高锂离子电池组的安全性，为电动汽车、储能系统等行业的蓬勃发展提供坚实保障。