电池排气传感器：PGS5100实现锂电池包热失控的实时检测

从消费电子产品到电动汽车，锂离子电池的身影无处不在。伴随着其高能量密度带来的优势，安全问题成为了重中之重。作为强大的防线，一种能够检测电池降解初期所释放气体的“电池健康监测器”应运而生：能够对热失控发出提前预警、支持预测性维护，并保留事后数据以供失效分析。博思发的PGS5100电解液/氢气 气体传感器（Off-gas Sensor）将这些需求整合至单一的紧凑型设备中，专为无缝集成到电池管理系统（BMS）舱室而设计。

 

不同于仅在内部损伤发生后才能检测到异常的温度或电压探针，博思发传感器可以直接测量在热失控事件发生前逸出的关键电解液蒸气、氢气、水蒸气以及其他特征排气。由于该设备完全置于 BMS 外壳内部，因此无需在电池模组之间进行额外的布线，从而简化了电池包的设计并提高了可靠性。该传感器采用基于热传导检测的微机械加工（MEMS）架构，具有毫秒级的超快响应和极高的灵敏度，同时对传感器中毒或环境污染具有免疫力。这些特性，结合其低功耗、-40℃ 至 85℃  的工作温度窗口以及超 15 年的预期服务寿命，使其成为真正意义上“即装即忘”的免维护解决方案。

 

实验室测试证实，该设备能够对与早期热失控关联度最紧密的排气特征做出果断响应。

图 1. 传感器对 198 ppm 氢气、204 ppm 二氧化碳以及氢气与碳氧化物混合气体的响应曲线，突出了其相对于基线的快速上升速率。 

图 1 显示了当传感器分别暴露于 198 ppm 氢气、253 ppm 甲烷、204 ppm 二氧化碳以及氢气和二氧化碳的混合气体时，所记录下的快速信号上升速率。在所有情况下，信号均在片刻之内急剧飙升至基线以上，从而为电池管理算法留出了充足的时间，以便在温度急剧上升之前向用户发出警报或断开电池包连接。

 

除了分解产生的易燃气体外，Posifa 传感器还对电解液蒸气展现出极强的灵敏度，例如碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸二甲酯（DMC）和碳酸二乙酯（DEC）（如图 2 所示）。在热事件发生前的很长一段时间内，这些溶剂可能会在缓慢的泄漏或降解过程中释放，这使它们成为早期干预和预测性维护的重要指标。

图 2. 传感器对常见的电池电解液蒸气表现出强烈的响应。在受控测试中，针对 103 ppm 的 DMC 和 102 ppm 的 DEC 均观察到了清晰的信号响应，这进一步证明了其作为广谱电池健康监测器的应用价值。

该传感器还具备检测水蒸气的能力，从而能够识别可能预示着密封破损或其他失效模式的湿气侵入。实时湿度监测允许在电芯堆叠内部发生不可逆的湿气相关损伤之前采取预防措施（如图 3 所示）。在某些类型的热失控事件中，湿度升高同样是先兆之一。 

图 3. 定量数据同样证实了传感器对湿度的灵敏度，从而能够及早检测到水蒸气的侵入，否则这些侵入可能直到造成不可逆的损坏时才会被察觉。

该传感器在外场（实际应用）中的表现与其台面试验结果完全吻合。在一次人工诱发的锂离子模组热失控过程中，传感器实时追踪了气体浓度的变化，在易燃气体达到爆炸极限之前很久，就输出了清晰且毫无歧义的信号（如图 4 所示）。这一真实世界环境下的验证，强调了排气监测作为第一道安全防线以及作为全车队趋势分析丰富数据源的重大价值。

图 4. 锂离子电池实际发生热失控事件期间排气传感器的实时输出，显示出在温度飙升之前信号就已立即激增

 

博思发提供了两个版本的排气传感器。PGS5100 系列提供了一个完整的全封闭模块，可安装在 BMS 舱室内部；而 PGS5200 系列则在低剖面 PCBA 上集成了相同的传感核心，便于直接集成到宿主板（主板）上。目前，两款传感器均在进行 AEC-Q100 认证，以满足汽车和工业市场的严格要求。

结论

直接排气感知填补了锂电池安全架构中的关键空白。通过捕获失效前的化学前兆物质，博思发 的电解液/氢气传感器能够比温度、压力或电压不平衡等传统方法更早地实施干预，从而降低灾难性事件的风险，并通过预测性维护和详细的事后诊断来降低总体拥有成本（TCO）。