不管是动力还是储能，摸清电池内部的“脾气”还得是这些传感器-pg电子竞技平台

2022-11-02 17:15:21  信息编号：k225783  浏览次数：66

近年来，在“双碳”背景下，我国新能源汽车及储能产业均呈现高速增长态势。从全球来看，到2025年，预计动力电池出货量将正式迈入“twh”时代，储能电池出货量将达到460gwh。清洁能源的蓬勃发展，将带动锂电池需求的持续增长。

作为新能源汽车及储能系统的核心部件，动力电池的安全性，一直是行业关注的焦点。随着电池容量不断扩大、动力系统指标精细化程度日益提高，行业对锂电池的品质及安全性要求愈加严格。

在电池系统中，实现降低火灾风险最为行之有效的办法就是在电池组的电路中加入对异常情况的感知系统，并对处于异常状态的电池进行管理，这也是常被我们称之为bms的电池管理系统。

动力电池发生热失控时，会引起温度、气体等的变化，通过多种高灵敏度的传感器，可以实时监测到电池箱内电芯内部短路、过充过放、外部短路引起的温度、特殊气体等变化情况，根据动力电池热失控模型提前发出热失控预警，联动火灾抑制装置及时处置。实现早期感知、智能判断、提前干预、持续降温。

锂离子电池循环过程中会释放co、h2、co2等气体，发生热失控时甚至可能产生火灾、爆炸和有毒大气等严重后果，因此在严重的电池故障事件发生之前，需要预防电池热失控和提前进行故障检测，而使用气体传感器进行检测可用于判定电池特定反应和工作状态。

钻石量子传感器可更精准监测电动车电池

东京工业大学研究人员提出了一个解决电动汽车低效的方案。在发表于6日《科学报告》杂志上的研究中，该团队报告了一种基于钻石量子传感器的检测技术，该技术可以在测量电动汽车大电流时，以1%的精确度估计电池电量。

电动汽车低效的一个主要原因是对电池电量估计不准，电池的充电状态是基于电池的电流输出来测量的，据此可估计车辆的剩余行驶里程。

通常情况下，电动汽车电池的电流可达到数百安培，能够检测到这种电流的商用传感器无法测量毫安级别的电流的微小变化，导致在估计电池电量时约有10%的模糊性，这意味着电动汽车的续航里程可延长10%。

此次研究中，该团队使用两个钻石量子传感器制作了一个原型传感器，这两个传感器放置在汽车母线（进出电流的电子接头）的两侧。他们使用了“差分检测”技术，消除了两个传感器检测到的共同噪声，只保留了实际信号，从而能在背景环境噪声中检测到10毫安的小电流。

研究团队对两个微波发生器产生的频率进行了模拟—数字混合控制，以在1千兆赫的带宽上追踪量子传感器的磁共振频率。他们发现，磁共振频率可实现±1000安的大动态范围（检测到的最大电流与最小电流之比）。此外，该传感器在-40℃—85℃的宽工作温度范围涵盖一般的车辆应用。

最后，该团队对这一原型进行了全球统一轻型车辆测试循环（wltc）驾驶测试，这是一种电动汽车能耗的标准测试。该传感器准确跟踪了-50安到130安的充放电电流，电池电量估计精度在1%以内。

电池管理系统中传感器应用

bms中主要应用的传感器有电流传感器、温湿度传感器、电压传感器、位置传感器和气体传感器。

电流传感器

霍尔电流传感器：

霍尔效应（halleffect）传感器变化的磁场转为变化的电压，其属于间接测量。可分为开环式、闭环式两类，后者精度较高。霍尔电流传感器简化了电路，仅要连通直流电源正负极，将被测电流母线穿过传感器便完成主电路和控制电路的隔离检测，如图4所示。

传感器输出信号为副边电流，和原边电流（输入信号）成正比，数值较小，需进行a/d转换。霍尔电流传感器集互感器、分流器优点于一身且结构更为简单，但易受干扰，已不适用于越来越精密复杂的新能源电动车电源环境。

磁通门电流传感器：

磁通门原理（fluxgate）即为易饱和磁芯在激励电流影响下，激励电流大小改变电感强度，进而改变磁通量大小，磁通量则如同门那样打开或者闭合。普通霍尔电流传感器精度在0.5％～2％之间，而磁通门电流传感器利用磁通门原理制作而成，精度能够达到0.1％甚至更高，因此也称之为高精度电流传感器。

结构上有也有开口型和不开口型两类，即有开环和闭环两类。此处着重介绍闭环磁通门电流传感器，即放大磁通门激励电流二次谐波信号，驱动补偿线圈，使聚磁磁芯的磁通和原边电流的磁通相抵消，保持“零磁通”状态；对于hpit系列磁通并不为零，是一种无二次谐波的对称形状，如图5所示。

磁通门电流传感器从结构上分为4类，分别是单磁环、双磁环、双磁环（屏蔽）、多磁环（嵌套）。

由于集具磁通门原理高灵敏性、闭环磁平衡与匝比输出严格对应性、整体磁芯封闭性、探头补偿消除振荡谐波影响输出干净性等优点，因此闭环磁通门电流传感器被广泛应用于各型新能源电动车产品当中，如特斯拉model3、比亚迪汉、理想one、小鹏p7等畅销车型。

温湿度传感器

温度传感器：

温度对于bms性能发挥意义重大，为了进一步提升电池利用率，防止电池过度放（充）电，掌控电池工况，增加电池使用寿命，内置ntc温度传感器来监测温度。ntc温度传感器主要由mn等高纯度金属元素的氧化化合物经过陶瓷技术和半导体技术结合制成，工作原理为这些材料载流子数目少，电阻较高，当温度升高时，载流子数目相应增加，电阻对应降低（图7）。

其拥有电阻率高、热容小、响应快，阻值与温度线性关系优良，能弯曲、价格低、寿命长等优点。常用的有3类：地环外壳ntc温度传感器，俗称“地环型”；环氧树脂封装ntc温度传感器，俗称“水滴头”、“小黑头”；薄膜ntc温度传感器。

湿度传感器：

湿度传感器就是一种把环境湿度量转变成能够被电信号标记的设备或者装置，常见的湿度传感器测量的量为相对湿度。现在新能源电动汽车bms常用的湿度传感器有电阻式湿敏元件和电容式湿敏元件。其原理是在基片上涂敷一层用感湿材料膜，环境中水蒸气吸附在膜上时，元件电阻率、电阻值会变化，就能测出湿度。

湿度因素在新能源电动车电池管理系统中尤为难以捕捉，但对于电池的性能、寿命影响巨大。对传感器的湿度输出予以温度补偿，得到线性电压，输入到带有adc的新能源电动汽车的bms当中。

电压传感器：

电动汽车供电系统的电池组由几百个串联电芯联通，故而测量电压的通道需求较大。串联电池组为累计电压，但单个电池电动势并不相同，不能简单采用单向补偿法消去误差。电池电压采集需要高精度，达到1mv，而目前采集精度仅有5mv。

电压传感器能够让被测电池电压转换成可输出信号的传感器，新能源电动汽车用的电致发光效应电压传感器是测量发光材料在被测电压发光强度情况来获得被测电压有效数值。同传统的光学电压传感器相比，基于电致发光效应的电压传感器将不再用载波光源，一方面消除载波光源测量的不稳定性，另一方面也对传感器结构进行简化、降低生产成本。

位置传感器：

bms中的位置传感器是一项《电池温控管理系统及电动汽车》实用新型专利当中提到的，目前在新能源电动汽车中尚未广泛应用。位置传感器主要是用于检测bms系统中水冷装置中冷却液面的位置情况。

位置传感器被安装在冷却水浮漂上，用于对冷却液相对于膨胀水壶液面位置进行检测，得到膨胀水壶的出液口同所述液体的接触情况。通常至少需要3个浮漂，并在每个浮漂上安装位置传感器，以便于车辆在经过陡坡等路段或冷却系统中存有大量气泡时，bms及时调节控制主水泵与副水泵进行切换运行。

气体传感器：

一氧化碳传感器：为了尽可能减少人员伤亡及损失，及时发现火情，提前预警，显得非常重要。动力电池热失控，电池起火前通常会产生大量co，因此监控co的浓度无疑是一种有效的pg电子娱乐平台的解决方案。一旦超过报警阈值，启动报警启，疏散人员及启动灭火，从而争取到更多宝贵的时间。

氢气传感器：对于新能源汽车而言，氢气传感器不仅能用于监测储氢瓶和燃料电池系统中氢气的泄露，还能用于检测排放尾气中的氢气浓度。新能源汽车也就能根据这些监测的信息来实时分析电堆的性能和反应程度，从而及时调整相关输入指标或数据配置来实现车辆的安全、高效运行。

电池管理系统传感器技术发展趋势

功能集成化趋势

新能源电动汽车一直在朝向轻量化方向发展，与此同时对于部件的集成化要求更加严苛。bms是一个结构复杂、功能集成的管理系统，其体积较小，因此要求传感器具备多功能一体性，进而能够用最少数量传感器就能够全面监控电池系统。在发生异常时，也能够更快更准的找到故障点。

监测精准化趋势

未来产品对传感器技术的监测数据精度将越来越精细，对于电流电压、温湿度等数据的采集需要更精准的数据，从而提升用户对电池系统工况的准确掌握。下一步需要从理论仿真、实验研究两个方面同时入手，研究探索出新一代监测高效高精度的bms传感器。

产品安全化趋势

功能安全是新能源电动汽车的基本要求，也是传感器技术发展的必然趋势。一方面是需要确保传感器产品自身使用安全性，另一方面则是传感器支撑起来的整个bms的安全性，这都将直接或间接影响行车安全性，影响用户的驾驶体验与人身安全。

2029年全球电动汽车动力总成传感器市场规模将达17亿美元

10月13日，strategy analytics电动汽车服务(evs)最新发布的研究报告《2021-2029年xev传感器需求展望》预测，2021- 2026年间，电动汽车产量将以26%的复合年平均增长率增长，到2029年出货量将接近5410万辆。这反过来又将推动相应的xev动力总成传感器需求以30%的caagr（复合年均增长率）增长，到2029年达到17亿美元。

strategy analytics认为，消费者的意识和政府有关气候变化的法规和规范，以及减少排放和扭转全球变暖影响的需要，决定了电动汽车的发展。

该机构预测，纯电动汽车将成为传感器电池管理系统、dc/dc转换器、主牵引逆变器、电动机、车载充电器和其他系统的最大市场。到2029年，纯电动汽车的传感器需求将以44%的caagr增长，占整个传感器市场机遇的68%。

strategy analytics执行总监asif anwar指出：“通过各种动力系统对传感器需求的细分显示，到2029年，电机占传感器总需求的51%以上。主逆变器是第二大市场，其次是dc/dc转换器和电池监测系统的需求。从出货量来看，定位传感器仅用于电机，而电池管理系统、车载充电器、dc-dc转换器、主逆变器等的使用，将反映对电流和温度传感器的更高出货量需求。”

通常来说，汽车中的传感器多达一百多种，被称作为汽车的神经系统，也是汽车电子控制系统的信息来源和关键基础部件。汽车传感器主要由敏感元件、转换元件和转换电路组成，主要就是在系统控制的过程中进行信息反馈，从而实现自动控制。以动力总成传感器为例，主要是获取温度、位置及电流等方面的信息，关系到汽车的动力产生和传递，重要性不言而喻。

随着新能源汽车市场的火爆，各大厂商通过对动力总成的研发和技术升级，将一系列功能整合其中，以降低对车内空间占用和整体重量。例如，一些动力总成除了电驱、电控外，还集成了减速器、车载充电器、直流变换器、配电箱以及电池管理器等设备。由此，对于传感器的需求也相应大幅增加。

在汽车智能化发展的大趋势下，汽车早已离不开传感器的支撑。同时，传感器本身也已经向智能化转型。相比传统微机电传感器，智能传感器可以通过软件技术采集信息精度高、成本低、且具有一定的编程自动化能力、功能多样化等优点。