近日，来自中国科学技术大学和暨南大学的研究人员，将灵巧型光纤传感器植入电池内部，在确保电池正常循环性能不受影响的前提下，针对电池热失控过程中的内部温度和内部压力，实现了高精度的实时监测，借此攻克了极端热失控之下温度信号与压力信号相互串扰的难题。

进一步地，他们提出一种解耦电池产热和气压变化速率的新方法，并揭晓了触发电池热失控链式反应的特征拐点与共性规律，进而对电池内部的有害反应实现精准判别，借此能够实现热失控的早期预警，最终能为快速切断电池热失控链式反应提供预警手段，也能为确保电池在安全区间运行提供新方法。

预计在电化学储能和新能源汽车领域，本次成果具有较好的应用前景：

一方面，研究人员将基于本次成果继续研究电池内部状态参量与外部参量的映射关系，根据实际电化学储能和新能源汽车电池管理系统中的数据，建立可以预测内部参量的电池模型。

另一方面，他们将寻求和电池制造商的合作，希望能真正在电池制作过程中将光纤传感器植入电池，以避免打孔步骤对于电池的二次破坏，预计可以造出能够监测内部温度和内部压力等多参量的智能电池。

假如将这些智能电池用于电池管理系统之中，预计可以实时获取电池内部的状态，实现电池内部故障的早期诊断和热失控的早期预警。

此外，当使用一根光纤来布置多个测点时，既能解决传统电学传感器庞大复杂、难以使用单个电池布置一个温度点的难题，也能大大提升系统能量密度，故在大型电化学储能系统中具有不错的应用前景。

传感器可以监测电池变化

频繁的充放电和老化过程会损害电池的性能，缩短其使用寿命。深入研究这一过程，对提高电池性能和延长使用寿命意义重大。最近，弗劳恩霍夫硅酸盐研究所的科学家与合作伙伴一起，使用声学、机械和热传感器，以及电化学阻抗谱来监控和测量电池。其中，超声波传感器发出的脉冲可以穿过不同的电池层，产生电池单元的声波图。如果电池在充电过程中膨胀或电极出现缺陷，就会影响信号的传播。压敏传感器可以记录某些组件在充放电期间如何改变其体积。热传感器则用来测量温度变化。电化学阻抗谱用于分析电极过程动力学、双电层和扩散等。

所有传感器数据都传输到电池管理系统并进行评估。借助这些数据，并将真实数据与电池数据模型进行比较，研究人员能够对真实电池状况进行全面分析，并在电池进行放电和充电时更加优化地控制电流。一方面，可以获得尽可能大的功率；另一方面，温和的过程可以使得相关的功能层（电池的阳极、阴极等）不会受到过大的压力，这样可以减少约20%的充电时间，延长电池的寿命。

通过监控电池并在运行期间主动控制电流，看似简单的能量储存器就可以变成一个智能电池，这对安装了数百甚至上千个独立电池的电动汽车电池组而言是非常值得的。

此外，研究人员开发的多功能传感器阵列还可以更好地了解电池中复杂的电化学过程，并相应地调整电池管理。使用过程中的机械应力和自然老化过程会在电池敏感的内部留下痕迹。特别是石墨层破裂或电极产生枝晶等现象。它们不仅会削弱性能，在极端情况下，还会在电池中产生短路，从而导致电池起火。未来，该技术不仅会覆盖电池产品的整个生命周期，还将被用于各种类型的电池，如锂离子电池、固态电池或锂硫电池等。

常用的电池管理传感器

电池管理系统（Battery Management System,BMS）中主要应用的传感器有电流传感器、温湿度传感器、电压传感器和位置传感器。

01：电流传感器

霍尔电流传感器

霍尔效应 （Hall Effect）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电动车电源环境。

磁通门电流传感器

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。

工作原理

磁通门原理 （Flux Gate）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。

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。这里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电动车产品当中，如特斯拉Model 3、比亚迪汉、理想ONE、小鹏P7等畅销车型。

穿隧磁阻效应电流传感器

穿隧磁阻效应 （TMR） 电流传感器是全新一代磁敏元件，较霍尔器件、各向异性磁电阻 （AMR）、巨磁电阻（GMR） 相比，其拥有能耗低、温漂低、灵敏度高等优点，能够明显改善电流检测的灵敏度与温度特性，故而在新一代电动汽车电池管理系统中，被用于全面取代霍尔传感器。

TMR电流传感器在检测电流时不再需要进行温度补偿，将-40℃~85℃环境下的温度漂移总量由1%~2%降低到0.1%~0.2%。例如对于车载充电器的电流检测与控制上，其能够对铜排或导线电流的精准检测而使用芯片体积更小，精度、线性度、响应速度和温漂特性则更为优化，为电动车带来极佳的安全性与经济性。

02：温湿度传感器

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

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 。

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”。

HTW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。

工作原理

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。

HTW-211是引进国外的高精度湿度测量传感器模块，是基于HumiChip的精确且可靠的湿度测量传感器。湿度因素在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的电动汽车的BMS当中。

03：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，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。

04：位置传感器

目前在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。

电流传感器将是电动化浪潮下最大受益者

在过去，汽车上的电流传感器，其最主要功能是用在12V蓄电池的电池管理系统。

而随着电动车的快速普及，一些全新的“管理系统”也纷纷涌现，例如DCDC，On-board-charger, 电机逆变器，高电压电池管理系统等等，这无疑给电流传感器的制造商们，带来了新的市场发展潜力。

同时，随着电动汽车周边充电设备的全面推广，其在基建上也需要用到更多的相关电流传感器。这些新的系统将会带来平均1-3个新增的传感器测试点。

因此，电流传感器市场的增速或将超过电动车市场的增速。

根据IHS Markit的一份报告显示：汽车电流传感器市场将从2018年的约三亿美金增长到2030年的20亿美金，年复合增长率达16%，而这还是在没有考虑充电设备市场推广的情况下。

当前的汽车产业正经历着一场与IT革命相媲美的“电动化浪潮”。这场浪潮席卷了整个行业，催生了大量基于电气化、电池、轻量化、半导体传感器、充电桩和热管理等方面的硬核技术。

尽管电流传感器这一领域的发展看似低调且质朴，相较于其他富有想象力的热门类产品，但仔细研究后，我们不难发现其中蕴含着丰富的技术内涵和较高的技术门槛。要生产出高质量的产品，需要多年积累的材料技术和生产工艺。

在“电动化”这个大背景下，电流传感器这个细分赛道究竟能成长到何种规模和程度呢？这无疑是一个引人关注的问题。

让我们共同期待吧！

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