测力传感器守护锂电池安全
测力传感器守护电池安全
德森特传感器 精度稳十年
在锂电池能量密度不断提升的今天，安全性能始终是悬在行业头顶的“达摩克利斯之剑”。电池内部看不见、摸不着的膨胀力变化，恰恰是内在机械应力累积的无声警报，直接关乎电池结构完整性与热失控风险。而捕捉这一关键物理量的核心技术——测力传感器，已成为我们理解并主动防御电池安全风险的关键“眼睛”和“神经末梢”。
膨胀力：电池内部结构应变的直接表征
电池充放电过程并非“无形”的能量转换，其核心在于锂离子在正负极材料晶格间的往复嵌入与脱出：
微观形变之源： 负极材料（尤其是硅基材料）在嵌锂时体积显著膨胀（硅可达300%以上），脱锂时收缩。正极材料也存在类似但程度较小的体积变化。这种反复的“呼吸运动”在电极片内部及界面处累积了巨大的机械应力。
宏观膨胀力显现：单体电池通常被置于具有一定刚度的壳体或模组框架内。电极层间因体积变化产生的内应力无法自由释放，最终转化为作用在电池壳体或约束结构上的宏观膨胀力。
安全威胁的直接推手：过大的膨胀力是诸多安全风险的物理根源：
隔膜受压变形/破裂：高压导致微短路甚至内短路，瞬间释放巨大能量。
极片涂层剥离/集流体断裂：破坏导电网络，引发局部过热和失效。
壳体变形/密封失效：导致电解液泄漏，增加热失控风险。
内部连接松动：增大接触电阻，诱发局部过热。
测力传感器：精准捕捉“力”信号的原理
测力传感器的核心使命是将无形的机械力（如电池膨胀力）转化为可量化、可传输的电信号。
其工作原理主要基于物理学中的应变效应：
应变式传感器原理：
核心元件：应变片 - 一种附着在柔性基底上的特殊金属箔或半导体材料制成的电阻栅。
物理基础：压阻效应 - 当导体/半导体材料受力发生机械形变（应变）时，其电阻值会随之改变。
工作流程：
传感器被刚性安装在电池模组中相邻单体之间，或单体与刚性约束板/端板之间。电池膨胀时，产生的力挤压传感器。传感器内部的弹性体（如不锈钢）在压力作用下发生微小的弹性形变。粘贴在弹性体关键位置的应变片随之被拉伸或压缩，产生电阻变化 (ΔR)。通过惠斯通电桥电路，将微小的电阻变化转换为可测量的电压信号变化 (ΔV)。该电压信号经放大、调理后输出，其大小线性正比于施加在传感器上的膨胀力。
原理驱动下的安全监测与预警
理解了膨胀力的来源和测力传感器的工作原理，就能构建起基于力信号的安全防护体系：
1. 实时“力”健康监测：传感器持续输出反映电池内部机械应力的电压信号，为电池管理系统提供关键的物理状态参数。
2. 异常膨胀识别：
力值突增：可能指示内部剧烈副反应（如析锂加速、内短路初期）、过充/过放导致的严重结构破坏。这是即将发生热失控的重要早期预警信号，常早于明显的温升或电压跳水。
力值缓升异常： 可能反映电池老化、循环寿命后期电极结构劣化加剧、或一致性变差导致局部应力集中。
力值不对称/不均匀（多点监测时）：强烈提示电池内部存在局部失效（如内部短路点、电极褶皱、极片断裂），风险极高。
3. 充放电策略优化：基于实时膨胀力数据，BMS可动态调整充电电流/电压（如在力增长过快时降流）、优化放电深度，主动缓解机械应力，延长寿命并降低风险。
4. 热失控早期预警与抑制： 力信号的异常陡增是触发最高级别警报的关键判据之一，可联动启动最强冷却或灭火措施，为人员逃生和系统保护争取宝贵时间。
电池内部的膨胀力变化绝非孤立现象，它是电化学过程在机械维度上的直接映射，是结构失效与安全风险的核心前兆信号。测力传感器，通过应变或压电原理，将这种无形的“威胁”精准转化为可量化、可分析的电信号。正是对“力-电转换”这一核心物理原理的深刻理解和应用，使得实时、在线监测电池膨胀力成为可能，为构建“感知-预警-防护”一体化的主动安全体系奠定了坚实的物理基础。在追求更高能量密度的道路上，对膨胀力的精密感知与控制，已成为保障动力电池和储能电池安全运行不可或缺的技术支柱。
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德森特传感曾工
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