氢气传感器助力检测电池爆炸隐患

锂离子电池具备能量密度高、充电速度快等优势，但对热失控现象高度敏感。一旦电芯发生无法受控的过热，就可能起火甚至爆炸；产生的热量还会蔓延至电池组内其他电芯，最终引发整组电池爆燃起火。

电池起火虽不算高频事故，但燃烧温度极高，且依靠内部化学反应持续供氧，极难扑灭。因此一直是电动汽车及其他应用场景中悬而未决的重大安全隐患。

在动力电池中，温度升高虽是热失控的重要警示信号，但氢气可作为更早的预警指标：在电池组内部积热、起火之前，就会提前释放氢气。快速、可靠地检测氢气浓度，能够提前防范过热，从源头阻止电池起火。

Posifa 科技首席执行官涂鹏（Peng Tu）表示：“热失控并非总是瞬间发生。在多起电动汽车电池安全事故中，电芯会在泄压初期释放氢气，比实际起火提前数分钟出现征兆。”

这家总部位于美国加州圣何塞的企业，推出了PGS5100 系列氢气传感器，专为电动汽车电池组及其他安全关键系统提供热失控与潜在爆炸工况的早期预警。

该传感器基于微机电系统（MEMS） 技术，通过测量气体热导率变化，检测电池组内热失控过程中不断积聚的氢气浓度。

产品响应时间 100 毫秒、预热时间 200 毫秒，可对潜在故障做出极速反应。

采用 5 伏供电，平均功耗仅 50 毫瓦；同时集成温湿度与压力传感功能，可自适应环境变化，在宽温、宽湿度、不同海拔工况下保持测量精准。

热失控成因及防护原理

市场研究机构 IDTechEx 技术分析师丹尼尔・帕尔（Daniel Parr）解释：

锂电池是精密的电化学器件，内部存在复杂的化学与电气耦合反应。当电芯脱离安全工作区（SOA） 时，会触发一连串放热链式反应，也就是热失控。

热失控常见诱因包括：

• 内部短路或其他故障引发异常大电流；

• 电芯被穿刺、物理破损，正负极隔膜受损引发短路；

• 电芯内部生长枝晶状锂枝晶，刺穿隔膜造成短路；

• 电芯形变、结构缺陷破坏隔膜完整性，劣质电芯更容易出现此类制造瑕疵；

• 过充、欠充等不当充放电操作；

• 极端高低温环境、机械重压与剧烈振动等恶劣工况。

热失控一旦触发，会随电芯温度攀升分为多个发展阶段。冷却系统通常用于阻止单电芯热失控向整组蔓延，但并非总能完全抑制；尤其延迟型过热—— 电芯受损或短路数小时后才出现过热 —— 更难防控。

热失控初期，电芯电解液等组分分解会释放大量气体，主要包括氢气、二氧化碳以及各类挥发性有机化合物（VOC，如电解液蒸汽）。

电芯内部压力累积到阈值时会发生泄压排气。泄压虽能缓解内部压力、避免彻底热失控，但排出的气体会进入电池组密闭腔体。氢气等可燃气体聚集后，不仅会腐蚀电池外壳与内部器件，还可能被引燃，进而连锁触发其他电芯热失控、连片起火。

传统电池管理系统（BMS） 可监测单电芯电压、整组电压、电流与温度，以此保障安全运行。但帕尔指出，绝大多数 BMS无法监测电芯泄压排气，也不能检测电池组内氢气等有毒、可燃气体；而电动汽车与储能系统电池组往往由几十至上千颗电芯组成，存在监管盲区。

气体传感器：未来电池安全的解决方案

IDTechEx 认为，氢气及其他气体传感器是解决上述痛点的理想方案。帕尔预测，到 2036 年，气体传感器在电池组高端传感方案中的渗透率将超过 50%。

通过检测氢气、二氧化碳等危险气体，可提前预警热失控。搭载气体传感器的 BMS，可比传统传感器提前 30 分钟预判电池起火风险，而传统手段仅能提前 5–10 分钟预警，足以在险情失控前介入处置。

同时还能实时监测电池组腔体内可燃气体积聚，从源头杜绝爆炸条件形成。

不同有毒、可燃气体需要搭配对应传感器检测；由于电解液汽化后会立刻产生氢气，氢气传感器有望成为电动汽车标配安全器件之一。

氢气传感器多采用热导式检测原理：氢气浓度越高，空气整体热导率越高。传感器通过测算气体热损耗并与标准空气参考值比对，即可精准得出氢气浓度。

Posifa 表示，PGS5100 专为电池组氢气快速精准检测设计，测量量程 **0%–25%** 氢气浓度；具备防凝露特性，且不与污染物发生反应，可在恶劣工况下长期稳定工作。

传感器采用 IP6K9 高防护等级封装，搭配车规级连接器，适用于电动汽车电池安全系统、并网储能电站、数据中心后备电池等对氢气监测要求严苛的场景。

除电池领域外，该传感器也可用于氢燃料电池。目前数据中心正逐步部署氢燃料电池作为主备电源，其工作原理是利用氢气与氧气发生化学反应，直接将化学能转化为电能。