动力电池热失控监测， MEMS压力传感器或有可为

MEMS压力传感器用单晶硅作材料，以采用MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片，然后在膜片上扩散杂质形成四个应变电阻，再以惠斯顿电桥方式将应变电阻连接成电路，来获得高灵敏度。车用MEMS压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式等几种常见的形式。

MEMS压力传感器是汽车中应用最多的传感器之一，轮胎压力、电子稳定控制系统中的刹车传感器、侧面气囊与日益严格的排放标准相关的引擎控制等都有MEMS压力传感器的身影。

2020年，ICE（内燃机）汽车行业占市场的92％，有2.5亿颗MEMS压力传感器单元。随着新能源汽车的迅猛发展，预计ICE汽车2025年市场份额将下降到70％。对于主要应用在汽车动力和排放系统的MEMS压力传感器来说，面临着巨大的市场挑战，路会越走越窄吗？

新应用——电池热失控监测

数据显示，随着汽车产量从2020年的7700万辆增加到2025年的1.05亿辆，ICE将占据2.8亿颗MEMS压力传感器。也就是说，至少在未来5-10年内，ICE汽车行业中的MEMS 压力传感器将保持适度增长。但随着传统ICE动力总成的消亡，十年后会发生什么？

从目前的市场来看，MEMS压力传感器在新能源汽车领域的新应用正在出现，但尚不成规模。在已经出现的新应用中，热失控监测有望实现显著增长。

目前新能源汽车以锂电池为主流，过度充电、过度放电、短路、高温、挤压、碰撞等原因都有可能引发“热失控现象”。一旦单节电池出现热失控，会迅速产生大量的热量和气体，导致电池内部压力增加，引发电池鼓包、外壳破裂。相邻的电池也会被迅速感染，相继失控。热失控极易引发的电池鼓包起火，甚至爆炸，直接威胁到了人员的生命安全。

从数据测试来看，将单个电芯加热至失控，在此过程中，温度、电压的模式相对较慢。能够拿来作为指标的主要是气体、烟尘、压力和电芯膨胀这四个。因此，为了监控和防止热失控发生危险，新能源电池中分别使用电压传感器、烟雾检测器、温度传感器、压力传感器等不同方案来监测热失控现象的发生。

由于在热失控发生时，压力变化强烈，信号明显，因此压力传感器成为了监测热失控的首选。当有单节电池发生热失控现象时，电池包内压力急剧上升。压力传感器检测到压力急剧变化时，触发防爆阀打开，释放内部压力，以防止爆炸事故发生。

除了新能源汽车，与新能源电池相关的使用领域中，从生产、存储、使用、更换等，安全预警是MEMS压力传感器的强需求。

更可靠的复合传感器方案

但随着新能源电池生产技术的不断提高，锂电池的安全性越来越高，更多新型安全电池问世。不同种类电源发生热失控现象时特征又各有差别。

以下图为例，用加热法将电池包内某颗电芯引爆后，压力传感器在电芯爆喷后立即有压力变化响应，35s后达到最大值。但最大变化幅值仅为2.5kPa，压力变化率较小；CO传感器在电芯爆喷后23s后达到最大量程1000ppm；烟雾传感器在电芯爆喷后30s后达到最大量程2000μg/m³。

因此为了更可靠的监测热失控现象，现在的电池生产企业大多采用复合传感器方案，也就是所谓的电池包热失控传感器。以TRDU5为例，这是一款电池热失控探测传感器，由多个传感器（H₂、CO、CH₄、绝压传感器、温湿度传感器)集成，采用LIN2.1通讯输出。通过检测在电池排气过程中气体浓度、压力和温度的变化，对电池包热失控进行预警。该传感器可安装在具有可渗透开口的外壳中，以便在失效模式下感知电池产生的排气气体混合物。

结语

虽然目前MEMS压力传感器在新能源汽车上的应用受限，但随着新技术、新应用场景的开发，未来市场依然可观。期待未来能在汽车应用场景中看到更多MEMS压力传感器的身影。

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》

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