刘博带你读文献（6）探测热失控的不同传感器对比

大家好！又带来一篇关于热失控的文献给大家分享：Sascha Koch的探测热失控的不同传感器的对比。

在United Nations global technical regulation on electrical vehiclesafety (GTR EVS) 的I. E. 7 c 112, II. 5.3.3 and II. 7.2.3中，功能安全（Functional Safety）被要求能够检测动力电池包中电芯单体的热失控行为，发出警告信号并保证在发生事故前使乘客有足够的时间逃生。而刚刚发布的电池安全国标GB38031对于“5分钟”的要求更是已经成为了业内目前关注的最热点。那如何有效的在电芯/模组中布局探头，以准确的为BMS系统提供热失控发生的判定依据呢？这就是本文的研究内容。

本文基本全是技术分析，只有一点点吐槽。

使用探头种类介绍

S1：当然了，所有模组中都是每节电芯的电压都有监控的。

S2：SnO2半导体传感器，主要对CH4，C3H8，CO敏感（热失控时放出的主要几种气体）。

S3：自制烟气探头，原理基于传统光电烟雾探头，由红外LED和对红外敏感的接收装置组成。

S4：是一片打印电路板（printedcircuit board (PCB)），由相距1mm的2块100mm*2mm的片。状物组成。在干净的表面上，该探头在两个片之间的内阻很大（几个MOhm），而当表面有污染时，该内阻会迅速下降，可以通过一个分压器（voltage divider）来产生信号。

S5：热电偶温度探头，没啥特别要说的。

S6：压强探头：探测的压强范围为：20 kPa~304kPa，所以该探头只在气密的电池包中才有用。

S7：是一个点状薄膜压阻力传感器，探测的力范围为：0N~455N，当电芯因为各种原因发生体积膨胀时就可以用它来测力的变化。

实验设置

一共对进行了三组实验：V1，V2，V3，都将电芯/模组放在了铝壳体（Housing）中。其中V1，V3是在封闭的铝壳体中做的，泄气开口通过泄气隔膜（burst disc）封住，所以压强探头S6可以用；而V2的铝壳的泄气开口没有封住，开放性体系就不能用S6压强探头，换成了S7力探头。

实验设置的示意图

• V1：就是单个电芯，探头的设置如图所示，壳体的泄气开口配有爆破隔膜。

• V2：通过模组夹具和框架组装电芯成一个模组，端侧的第一节电芯通过针刺来触发热失控，另一侧设有开放的泄气开口。S1-S6探头都放在标黄的10号空间处，只有S7力探头放置于模组中的第4和第5节电芯中间。

• V3：电芯排布成了两个模组（11），中间有一个分隔墙/支架。在壳体的顶部有两个配有泄气隔膜的泄气开口（4）。S1-S6探头都放在标黄的10号左侧空间处，热失控触发通过针刺最右边的端部电芯来实现。

不难看出：V1实验是比较理想的针对单电芯的所有信号的探测，而V2/V3则更接近于真实模组中的探测器设置：你不可能给每节电芯都把探头排一个遍，只能是在模组的适当位置中放置探头。距离热失控的远近其实是可能对测试结果造成影响的。

V1实验结果（单电芯+堵塞泄气口）

在图中：虚线表明此时在壳体以外已经能够肉眼观看到泄气。考虑到软包电芯的泄气温度一般是在100℃附近，而且在泄气温度附近时其实温升速一般都会比较快，所以以此虚线处（的温度）来代表热失控发生点（接近于T2温度）用于校准研究各个传感器的研究思路，刘博认为是可行的。而且该点非常容易观察，可以说操作性较强。

大家可以看出，从60~80s的20s区间内，S1-S7所有探头的信号都产生了明显的变化，这就说明了一点：原则上这些探头的信号都可以用来为热失控事件发出预警（或者更严格的说，是警告）信号。

然后看一下每一个信号的情况：

• 60s处，反应最快信号最清晰的是气体探头S2（紫），然后紧跟的是烟雾探头S3（蓝），但是相比之下，S2的信号强烈清晰且稳定，S3的信号在产生后就一直在波动， 这与泄气产生气流以及里面含有的烟气颗粒不稳定有关。

• 几乎同样是在60s处但是要略晚一点，紧跟其后的是蠕变探头S4（黄）以及压强探头S6（红）的信号变化。这俩信号比前两个要慢一点，然后曲线变化整体上比较温和，不像S2、S3那样突变。压强曲线大家可以看见是有两个峰，这是因为泄气隔膜在第一个峰达到最大值时打开（也就是从外面观察到泄气的67s虚线处），积聚的气体从壳体中泄出，因此压强下降。而后面80s出现的峰则是因为泄气带出的物质对泄气开口产生了堵塞效果，因此又产生了一次压强积聚。

• 然后大概是虚线67s处，位于电芯表面的温度探头测出的温度信号S5（黑）快速上升，从不到100℃在20s左右快速飙升到近300℃。但是与其它信号相比，大家不难看出问题：即温度的信号存在一定的滞后性（当然与温度探头的位置有关），另外温度信号也是一个连续变化的值，相比于S2、S3这种突变的信号，信号的清晰性上还是差了那么一内内。

• 最后在80s处就是我们的……电压信号S1（绿）小可爱。大家可以看到，这个信号那的确是很强很清晰啊（4.2V->0V那是必须清晰……），但是……你这比所有其它信号都晚了近20s这真的大丈夫吗？其实大家对热失控有所了解也知道，电芯电压变0时一般电芯的热失控都已经进行的比较深了，不像前面的那些信号都会有相当的一部分“提前量”可以起到预警作用。所以这个电压信号单独使用，与其说可以用于热失控的“预警”（pre-warning），不如说是“后警”（post-warning）更恰当（不好意思吐槽了）。

V2实验结果（单模组+敞开泄气口）

与之前的示意一样，69s处的虚线表明此时在housing以外已经能够肉眼观看到泄气。所有的探头都在过程中给出信号变化，但是时间跨度要长一些（70-110s，共40s）。

然后还是看一下每一个信号的情况：

69s处首先最明显变化的还是气体信号S2（紫）和烟雾信号S3（蓝），但是这次有些不同：气体信号仍然像V1一样清晰迅速稳定，但是烟雾信号在70s突变增加到最大值后就一路平缓下滑，直到最后变成0：一开始的突变增加是因为产生的烟气一下子阻挡了红外探头的发射-接收，而接下来信号的不断衰降则是因为气体烟气的不断产生以及其带来的更强的反射作用。总之在这里，作者其实是在强调一点：烟气的探测其实很容易受环境反射、位置、滥用条件等不利影响，导致信号质量变低，在后面会有更详细的介绍。

也几乎同样是在69s处，紧跟其后的是蠕变探头S4（黄）以及力探头S7（红）的信号变化。蠕变信号与V1比较像：曲线比较温和的缓慢变化。然后在此实验中因为泄气孔是始终打开的没有力信号，此时我们测到的红色信号S7是力的变化：大家可以看到S7的信号是一个迅速产生而又迅速消失的尖峰，这是因为电芯热失控时体积膨胀，又因为环境受限就产生了巨大的力，但是紧随其后电芯就产生了泄气行为，迅速将体积膨胀/压力一次释放，因此压力峰信号出现之后迅速就信号就恢复了。

再然后在77s处就是我们的温度S5信号（黑）：这次温度信号比之前V1中变的要更快，信号清晰质量更高，只是可惜这个信号来的还是有点晚。

最后在110s处仍然是我们的电压信号S1（绿）小可爱。总之仍然是明显的信号加上绝对的后知后觉，有些令人捉急……

V3实验结果（双模组+堵塞泄气口）

与之前的示意一样，95s处的虚线表明此时在壳体以外已经能够肉眼观看到泄气。所有的探头都90s-117s的时间跨度内给出了明显的信号变化。

然后还是看一下每一个信号的情况：

90s处首先最明显变化的还是气体信号S2（紫）和烟雾信号S3（蓝）。气体信号仍然像V1、V2一样清晰迅速稳定，只是这次幅度小些（刘博觉得并不影响使用）。然后烟雾信号S3是先有一个剧烈的尖峰，然后开始走平缓下降的路子。作者在这里说该现象/问题与V2中烟雾信号是相似的，给出的解释是：有可能是受温度影响传感器烧坏了/受气流冲击影响，或者是太多的/大尺寸的烟气颗粒覆盖了探头。总之，在热失控发生时的高温/高气流/大烟雾的恶劣条件下，传感器失效这一因素我们也必须要考虑到。

再然后是蠕变探头S4（黄）以及力探头S6（红）的信号变化，不难看出，与之前的V1/V2中的规律几乎一模一样，就不在此展开讲了。

紧跟着，这次温度S5（黑）反应的倒是比较快，然后几个波峰分别对应了不同电芯的热失控-泄气事件。

最后在117s处仍然是我们的电压信号S1（绿）小可爱，不过在这里大家要注意一点，虽然电压信号的剧烈变化仍然最靠后，但是在90~117s的过程中不难看出电压值是一直有波动的，这与在这个过程中电芯内部产生的结构崩塌-短路和周围电芯放电-电压波动现象有直接的关系，这个波动也许在测量信号上可以有所利用。

这些探头信号用于预警是否好用？三评价判据

对于电池有基本研究的朋友其实已经知道了，这些探测的信号与电芯容量/化学种类等因素相关度不是太大，以上研究也已经说明了从探测电芯单体到扩展到电池模组的可行性，所以这些信号的探测都是可以用于实际的模组和电池包热失控的预警提示的。

但是具体用起来，怎么评价它们好不好用呢？

该文给出了三个判据，即：

• 检测速度（Detection Speed）

• 信号清晰度（Signal Clarity）

• 探头可行性（Sensor Feasibility）

然后综合本文已经做了的实验的三种典型代表场景，总结出来了这三种探测信号用于及时探测&提前预警热失控事件的效果：

检测速度对于我们尽早及时地发现热失控现象具有非常关键的意义。在此大家可以看见，S2气体、S6压强、S7力是检测速度最有优势的三个信号。温度反应相对有些慢，而剩下的信号的响应速度就可以说非常不理想了。

信号清晰度对于我们获得理想的信号、评定这个探头发的信号是不是好用就非常重要。在这里，电压和气体的信号是最清晰的——突变就是它们的特点。烟气和温度一般：虽然明显能看出有信号态和无信号态的区别，中间的过渡太过平缓，因此打分是“中”，而剩下的蠕变、压强和力就比较悲惨了：要么是变半天区别不大，要么就是忽然出现一个尖峰又马上消失，你都说不清楚这会不会可能是噪声或者是什么探头在滥用条件下损坏了。

探头可行性则考虑了探头尺寸，功耗以及综合性能，在这里就更多考虑的是真实的模组、电池包中考虑到工程因素后部署探头的可行性。在这些探头中，S1电压、S4蠕变距离、S6压强是最可行的，分别因为：

• 电压：本来每节电芯就要采集电压。

• 蠕变距离：可以印刷在PCB板上几乎不占空间。

• 压强：电池包内只要空间是互相连通的，压强都是相同而且一旦发生变化都可以以声速瞬间传递过去，那么压强传感器的布置灵活性非常高。

下一档就是S3烟气、S5温度、S7力探头：

• 烟气：可以通过便宜的元件（电阻、LED、光二极管）集成，但是电池包、模组其它元件造成的反射等很有可能会对信号造成干扰，形成误判信号；而且如果探头距离热失控电芯发生（烟气发生）处比较远，就很有可能使探测信号大大延迟。

• 温度：与烟气相似，如果距离热失控发生处比较远，那等你探测到的时候黄花菜都热了。

• 力：看起来好像不太难，但是传感器置于模组中，随着电芯的逐渐老化膨胀，受力的状态会不断连续改变，这样的话如何实现全生命周期有效的力的信号的识别监控就成了一个问题。

最后最差的是S2气体：非常遗憾，气体前两个指标都很好，但是这里不行。究其原由：该探测气尺寸很大，而且要保持加热状态，非常耗能。

总结&刘博乱弹

综上所述，大家可以看到：三大判据结合起来，没有哪个探测信号是可以三项全优的。所以Koch小哥也提出：既然单用一个来做预警信号不行，那还是这些传感器结合起来共同工作，然后用一个算法来产生热失控发生信号，是比较的实际的方案，刘博非常认同这个观点。

实际上在模组、在PACK中当然我们可以使用各种探头，但此时就如同第三判据：探头可行性中说的一样，这时候我们必须综合考虑各种因素：成本、功耗、体积、位置、安装数目等等——必须与我们实际的模组、PACK设计以及电芯本身的理化性质联系起来，这样才能更好的设计出适合我们这款电芯、模组、PACK的热失控触发判定方案。

说的可能有点务虚，但是总之就是一句话，理论这里有了，然后就要结合实际，来寻找解决方案。

致谢

感谢徐大哥推荐文章，感谢SaschaKoch小哥的精彩工作