用于外壳内的电池的热失控检测系统和其使用方法与流程

本公开总体上涉及一种用于检测电池失效的检测系统，并且更具体地涉及一种用于检测外壳内的电池，例如，与电动车辆一起使用的电池，图2(a)，或固定式电池能量储存系统，图2(b)，的热失控的检测系统。本公开还涉及使用此类系统检测电池中的热失控的方法。

背景技术：

1、随着锂离子电池技术改进，电池能量密度持续增加，并且这反过来增加了电池失效的风险。锂离子电池热失控是电动车辆的重要安全问题。例如，由联合国(unitednations)提出的关于电动车辆安全(evs)的全球技术规范第20号要求在演变为由热失控引起的危险状况前5分钟提前发出警告。

2、参考图1(a)、图1(b)，基于锂离子的电池的热失控是在失效的电池单元内发生放热反应，使得内部温度增加，这进而释放维持内部降解反应的能量并且使温度升高直至电池单元最终失效的过程，其通常伴随着电解质和分解的气体产物突然释放，可能导致火灾。在现代锂电池中，可以通过在电池单元中并入受控的排气位置的设计来降低爆炸的风险(见图4)，但在大多数液体电解质基于锂的电池中，由于热失控而引起的火灾和爆炸的风险并没有消除。

3、返回到图1(a)、图1(b)，某些触发因素和滥用状况可能导致电池，例如锂离子电池单元，击穿或失效，这进而可能引起热失控。热失控可能是由例如外部短路、内部短路(颗粒、枝晶、单独失效、撞击/穿刺)、过充电、过放电、外部加热或过加热(自我加热)引起的。伴随着温度升高的是气体的产生。如果热耗散比热产生快，则结果是安全的。

4、然而，如果保持不受阻碍，或者如果热不能比其所产生的速度更快地耗散，则这可能导致温度迅速增加，可燃且危险的气体在排气期间释放、火焰以及可能地爆炸。这对于如图3所示的具有大幅电池系统的车辆以及具体地电池电动车辆和固定储存来说是尤其成问题的，在这种情况下，单个电池单元的热失控(图4)可能导致一系列热失控事件，这些热失控事件可能吞没整个电池包，从而导致灾难性的火灾和有害气体的释放。虽然电池包可以被构建成无源地含有几个失效的电池单元并且满足evs规范，但热失控传播仍可能发生。因此，检测包内部的电池单元正在经历热失控是非常重要的。

5、已开发出用于检测热失控的传感器。然而，简单的气体传感器，如烃传感器，仅可以检测电解质气体浓度，而且还存在对其它气体的交叉敏感度以及显著漂移，并且因此使长寿的热失控检测传感器较差。

6、因此，需要一种强大的快速且可靠的用于检测移动式应用和固定式应用中的热失控的早期检测系统。

7、不承认本文引用的任何参考文献构成现有技术。申请人明确保留对任何引用的文件和信息的准确性和针对性提出质疑的权利。

技术实现思路

1、公开了一种检测系统，其通过鉴定众多设计类型之间共有的初始电池单元排气的属性并且响应于排放失效电池单元的气体来解决对电池外壳内的快速、强大的热失控检测的挑战，所述热失控检测通常不受电化学、电池单元包装(圆柱形、棱镜形或袋形)、电池单元大小以及电池构型(串联/并联)影响。

2、在热失控分解反应期间，当出错的电池单元处于高电荷状态，图1(b)，时，电池单元将大量阴极和电解质材料转化为气体，并且在数秒的时间跨度内排出增压的气体混合物。在如锂锰钴氧化物(nmc)电池、锂钴氧化物(lco)和磷酸铁锂(lfp)电池等典型电池单元化学中，热失控测试显示出几种气体，包含大量的二氧化碳和氢气的释放，参见图5。二氧化碳通常是在碳酸盐溶剂的氧化反应期间进化而来的，并且氢气通常是作为从一氧化碳和/或游离锂的燃烧反应衍生的水还原的产物释放的，其中甲烷和乙烷化合物也存在于电解质和碳酸乙烯在锂化阳极处的还原反应中。

3、还公开了此类系统的用途，其用于检测(例如，早期检测)热失控，由此例如帮助防止源自单个电池单元的热失控的电池单元至电池单元传播。在一个实施例中，检测到电池单元排气。在一个实施例中，检测到热失控。在一个实施例中，检测到热失控分解产物。

4、在本公开的其它实例中，提供了至少一个另外的传感器，其用于检测电池的二级状况，并且实时提供关于电池单元排气和热失控的进展速率的信息，所述信息包含压力或温度，其中所述微控制器基于来自所述二级传感器的所提供的信息提供所述热失控的进展速率。所述至少一个另外的传感器可以检测电池隔室壳体中的压力或温度，以确定所述排气/所述热失控的进展速率。可以提供一种传感器壳体，其用于包封所述至少一个传感器和至少一个二级传感器。来自一级气体传感器和二级气体传感器的输出允许区分电解质泄漏与排气/热失控。系统软件可以嵌入在传感器微控制器内，以确定是否已经超过热失控的阈值水平，并且向电池管理微控制器或充电系统控制器发送警报。

5、在又其它示例实施例中，热失控的阈值水平选自以下：(i)大于约10,000ppm的二氧化碳水平；(ii)大于约40,000ppm的氢气水平；(iii)高于其爆炸下限的二氧化碳水平；(iv)高于其爆炸下限的氢气水平；以及(v)其任何组合。可以提供一种多芯片印刷电路板，其用于安装在电池管理控制器印刷电路板上。可以提供一种电力管理系统，其实现了在主动电池系统充电/放电期间的快速数据采集模式，以及在电池系统既不充电也不放电时的降低的采集速率/较低的电力模式。所述检测系统可以在检测到排气/热失控时向主电池系统控制器发送唤醒命令。传感器系统可以包含多个气体传感器，所述多个气体传感器选自多于一个氢气传感器、多于一个一氧化碳传感器、多于一个二氧化碳传感器以及前述中的任何一者的任何组合，以在安全关键应用中实现冗余。所述检测系统还可以包含湿度传感器、压力传感器、温度传感器或其任何组合。

6、在另一示例实施例中，提供了一种用于检测电池外壳内的电池的热失控状况的方法。所述方法包含提供如上所述的检测系统，测量和/或分析从所述电池中排放的一种或多种气体，以及确定所分析的气体水平是否处于或高于指示所述电池的热失控的预定阈值水平。所分析的气体可以包含氢气、一氧化碳、二氧化碳或其任何组合。

7、本
技术实现要素：
不旨在标识所要求保护的主题的必要特征，也不旨在用于确定所要求保护的主题的范围。应当理解，前述一般描述和以下详细描述两者均是示例性的，并且旨在提供用于理解本公开的性质和特征的概述或框架。

技术特征：

1.一种用于在容纳一个或多个电池的电池外壳内使用的电池热失控检测传感器系统，所述传感器系统包括：

2.根据权利要求1所述的检测系统，其中所述系统进一步包括二级气体传感器，所述二级气体传感器用于检测电解质泄漏状况。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的检测系统，其中所述一级气体传感器包括以下中的一者或多者：co2传感器、co传感器、hf传感器、h2传感器和/或水蒸气传感器。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的检测系统，其中所述一级气体传感器包括以下中的一者或多者：co2传感器、co传感器和/或h2传感器。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的检测系统，其中二级气体传感器包括用于检测以下的一个或多个传感器：甲烷、乙烷、氧气、氮氧化物、挥发性有机化合物、酯、硫化氢、硫氧化物、氨气、氯气、丙烷、臭氧、乙醇、烃、氰化氢、可燃性气体、易燃性气体、有毒气体、腐蚀性气体、氧化性气体、还原性气体或前述中的任何一者的任何组合。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的检测系统，其中二级气体传感器包括用于检测以下的一个或多个传感器：ch4、c2h2、c2h4、c2h6、碳酸二乙酯(dec)、碳酸二甲酯(dmc)、碳酸乙烯酯(ec)、碳酸甲乙酯(emc)、c4h10、c3h6、c3h8、pof3或前述中的任何一者的任何组合。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的检测系统，其中所述至少一个一级气体传感器检测电池隔室壳体中的氢气气体、一氧化碳气体和/或二氧化碳气体的水平。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的检测系统，其进一步包括至少一个另外的传感器，所述至少一个另外的传感器用于检测所述电池的二级状况，并且实时提供关于电池单元排气和热失控的进展速率的信息，所述信息包含压力或温度，其中所述微控制器基于来自二级传感器的所提供的信息提供所述热失控的进展速率。

9.根据权利要求8所述的检测系统，其中所述至少一个另外的传感器检测所述电池隔室壳体中的压力或温度，以确定排气/热失控的进展速率。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的检测系统，其进一步包括传感器壳体，所述传感器壳体包封所述至少一个传感器和所述至少一个二级传感器。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的检测系统，其中来自所述一级气体传感器和二级气体传感器的输出允许区分电解质泄漏与排气/热失控。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的检测系统，其中系统软件嵌入在传感器微控制器内，以确定是否已经超过热失控的阈值水平，并且向电池管理微控制器或充电系统控制器发送警报。

13.根据权利要求12所述的检测系统，其中所述热失控的阈值水平选自以下：

14.根据权利要求1至13中任一项所述的检测系统，其由要安装在电池管理控制器印刷电路板上的多芯片印刷电路板构成。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的检测系统，其包含电力管理系统，所述电力管理系统实现了在主动电池系统充电/放电期间的快速数据采集模式，以及在电池系统既不充电也不放电时的降低的采集速率/较低的电力模式。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的检测系统，其中所述系统能够在检测到排气/热失控时向主电池系统控制器发送唤醒命令。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的检测系统，其中所述传感器系统包含多个气体传感器，所述多个气体传感器选自多于一个氢气传感器、多于一个一氧化碳传感器、多于一个二氧化碳传感器以及前述中的任何一者的任何组合，以在安全关键应用中实现冗余。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的检测系统，其中所述系统进一步包括湿度传感器、压力传感器、温度传感器或其任何组合。

19.一种检测电池外壳内的电池的热失控状况的方法，所述方法包括：

20.根据权利要求19所述的方法，其中所分析的所述气体包括氢气、一氧化碳、二氧化碳或其任何组合。

技术总结
一种用于在容纳一个或多个电池的电池外壳内使用的电池热失控检测传感器系统。所述系统具有至少一个气体传感器，所述至少一个气体传感器用于检测电池单元的排气状况并且实时提供感测到的输出。微控制器基于来自所述至少一个气体传感器的所述感测到的输出确定电力管理和关于具体的电池排气气体的浓度的信号调节输出。还描述了使用此类传感器系统的方法。

技术研发人员：布里安·艾伦·恩格尔,尼尔·罗伯茨
受保护的技术使用者：安费诺测温学公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14