CN116953013A - 电池故障的分层气体监测 - Google Patents

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Y·V·波诺马列夫
J·奥本海瑟
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Abstract

本公开涉及电池故障的分层气体监测。气体监测***可以包括具有导电加热器元件的化学浓度次级气体传感器，可以被加热到略高于气体周围环境的周围温度水平的待机温度。环境的热特性可以由热特性初级传感器监测，并且被配置为响应于满足至少一个标准的导电加热器元件的物理特性来提供触发输出。响应于触发输出，加热器是可控的，以将化学浓度次级气体传感器加热到次级操作温度，在该次级操作温度下，化学浓度次级气体传感器可以检测环境中特定气体的存在。

Description

电池故障的分层气体监测
技术领域
本文件通常但不限于监测环境中的气体浓度，例如电动汽车或其他电池环境中的浓度。
背景技术
电池可以包括电池单元或电池模块，其中任何一个都可以包括在电池组或电池隔室中。希望监测电池健康状况，例如预测或检测伴随电池故障的热失控。早期检测是有帮助的，因为热失控事件可能导致电池起火或***。在汽车应用中，对电池故障或热失控迹象的早期检测和警报可以帮助乘客及时下车以达到安全。
发明内容
可以在电池单元级别、电池模块级别或电池组级别监测电池健康状况，例如通过使用电池隔室中的温度传感器来检测热失控事件。虽然监测电池健康状况的一种方法可以包括使用压力传感器来测量电池隔室内的压力，但电池组通常包括压力均衡通风口，这可使缓慢的压力变化难以检测，使得当发生更强的压力变化时，基于压力的电池故障检测可以被限制为在故障进展中比期望的晚。这种压力传感器也可能受到不相关事件的影响，并且在热失控事件开始之前难以用于检测电池故障。
还可以使用一个或多个气体传感器来监测电池健康状况，以监测电池环境中的气体成分，例如电池隔室顶部空间内的气体成分。光学非色散红外(NDIR)传感器可用于气体检测，例如检测CO2或CO。然而，CO2和CO可能只出现在电池故障的后期，此时热失控迫在眉睫。通过挥发性气体传感进行的电池健康监测可以使用一个或多个金属氧化物传感器来检测故障进展的早期阶段的电池故障。然而，金属氧化物传感器的寿命有限。在操作中，金属氧化物传感器的加热的金属氧化物层可能被污染。这种污染会显著改变传感器响应，使传感器无法使用，尤其是在要求苛刻的应用中。例如，汽车和工业电池可能需要超过10年的可用寿命。
本发明人已经认识到，除其他事项外，需要一种不易受外部影响的监测电池健康状况的稳健方法，以及需要一种能够在电池故障进展的早期(例如在热失控事件开始之前)检测到电池故障的监测电池健康状况的方法。目前的技术可以帮助提供这个问题的解决方案。本技术可以包括监测环境中气体的热性质，以寻找可能指示电池健康的一个或多个变化。当通过监测热性能满足主要变化指标时，可以测量次要变化指标，并将其与至少一个标准进行比较。例如，次级气体传感器可以被打开或进入操作模式，并用于基于气体成分的测量浓度进一步确定主要变化指示器是否确实上升为电池故障的迹象。类似的气体监测技术也可用于汽车电池健康监测以外的应用。
本概述旨在提供本专利申请的主题的概述。其并非旨在提供对本发明的排他性或详尽的解释。包括详细描述是为了提供关于本专利申请的进一步信息。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相似的数字可以在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似组件的不同实例。附图以示例的方式但不以限制的方式概括地示出了本文件中讨论的各种实施例。
图1是示出传感器的示例的透视图，该传感器可以位于电池单元、电池模块或电池组附近，例如可以位于电池隔室的顶部空间中。
图2是气体监测***的配置示例的侧视图。
图3是表示金属氧化物气体浓度传感器的一个例子的截面图。
图4是表示金属氧化物气体浓度传感器的一例的立体图。
图5是用于测量一个或多个热特性的“热线”方法的示意图。
图6是可以使用一个或多个单片集成的气体监测***来配置的***的示例的框图。
具体实施方式
本文档描述了可以包括用于监测电池隔室中的气体的气体监测***的技术，例如可以与电池组、电池模块、电池单元或其他感兴趣的环境相关联的技术。该***可以包括热特性初级气体传感器，例如检测环境的热特性，例如环境的热导率、环境的热容或环境的热扩散率。初级气体传感器可以被配置为响应于所确定的环境的热特性的变化而提供触发输出，从该触发输出可以推断出环境的气体成分的变化。然后，响应于来自热特性初级气体传感器的触发输出，可以启用化学浓度次级气体传感器(例如金属氧化物(“MOx”)化学浓度传感器)，例如将其置于用于检测环境中指定的第一气体组分的量的操作模式。
初级气体传感器可检测到的一个或多个热特性的示例可以包括环境的导热性、环境的热容或环境的热扩散率，其中一个或更多可能随环境的气体成分而变化。在特定示例中，与次级气体传感器相关联的加热器元件的电阻或导电性可以用作初级气体传感器的热特性。初级传感器可以触发第二传感器的启用，例如通过将辅助传感器的加热器元件的温度从待机温度升高到操作温度，在该操作温度下辅助传感器可以检测环境中第一气体成分的浓度。
电池监测
对于电池监测，可以监测附近的气体成分，例如电池隔室顶部空间中的气体成分以帮助早期检测电池故障。这有助于通过早期检测潜在的灾难性故障来提高电池的安全性。对潜在灾难性故障的早期检测可以帮助电池管理或其他***对检测到的事件做出反应，例如开始用校正动作进行响应或向用户通知潜在故障。纠正措施可以包括断开受影响的电池隔室或使其放电，增加冷却以抵消可能导致热失控事件的加热，或限制对电池的需求，其中一项或多项可有助于停止或扭转电池故障或热失控。例如，气体监测***可用于检测一种或多种挥发性气体，所述挥发性气体可指示电池隔室的顶部空间中的电池即将发生故障。
图1示出了诸如用于电池监测的气体监测***的布置的示例。气体监测***100可以位于电池隔室101内部或附近，例如电池组102、电池模块104或电池单元105附近。例如，气体监测***100可以位于电池隔室101内，例如位于电池隔室的顶部空间103中。随着电池经历故障阶段，电池可能产生挥发性气体，其成分取决于并指示电池故障阶段。
在电解液泄漏的情况下，处于故障早期的电池可能主要产生气体，如碳酸乙烯酯(“EC”)、碳酸二甲酯(“DMC”)、碳酸二乙酯(“DEC”)和碳酸甲基乙酯(“EMC”)。在电解水的情况下，电池可以主要产生诸如H2和O2的气体。电池故障后期的电池，即所谓的“第一次排气”，可能主要产生DEC、DMC、EMC和H2O等气体，以及产生少量的CO、CO2、EC和C4H10等气体。处于电池故障阶段的电池，燃烧迫在眉睫，即所谓的“热失控”，可能主要产生CO2、CO、C2H4和H2等气体，以及C2H2、C2H6、CH4、DEC、DMC、EMC、H2O、C4H10和O2等少量气体。已经燃烧的电池可主要产生诸如CO、CO2和HF之类的气体。[参见Essl,Christiane,Lauritz Seifert,Michael Rabe,and Anton Fuchs.“Early Detection of Failing Automotive Batteries Using GasSensors”.Batteries 7,no.2(June 2021):25.https://doi.org/10.3390/batteries7020025.]
这些挥发性气体可以在周围气体环境204中例如在电池隔室101的顶部空间103中检测到。气体，如由电解质产生的气体，如碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯或碳酸甲基乙酯，可能在电池故障的早期阶段产生。由于添加挥发性气体而导致的周围气体环境204的气体组成的变化可导致周围气体环境的热性质的变化，例如在添加挥发性气体之前，如果挥发性气体的热性质显著不同于周围气体环境。相当多的挥发性气体可能具有与空气的相同热性质显著不同的热特性。
下表1列出了空气、N2、CO2、O2、H2、He和CH4的热导率、比热容、热扩散率和密度(参见Kliche,Kurt,et al."Sensor for thermal gas analysis based on micromachinedsilicon-microwires."IEEE Sensors Journal 13.7(2013):2626-2635.)。表1显示，热导率、热扩散率或热容可用于选择性地感测混合物中的特定气体。此外，发明人通过实验观察到，待检测的目标挥发性电池气体(例如DMC电解质挥发物)的热特性可能具有热特性，其与环境空气的热特性差异足够大，以便在感兴趣的检测浓度下，这种热特性的变化可以用来推断电池空间环境中环境空气中各种气体成分浓度的变化。因此，一个或多个热特性可用于检测DMC电解液挥发物和其他感兴趣的挥发性电池气体成分的存在-至少在一定程度上有助于触发更准确的次级气体浓度传感器，该传感器无需依赖于环境中热特性推断的气体浓度。例如，这种次级气体浓度传感器可以直接识别电池附近环境的周围空气中的目标气体成分的浓度。作为说明性示例，在特定的热性质中与空气具有至少约30％差异的气体组分(例如CO2)可以使用主要热性质气体浓度传感器在感兴趣的浓度下检测，然后使用比主要热性质的气体浓度传感器更准确的次要气体浓度传感器来更准确地确定。
表1.
因此，可以监测电池隔室101的顶部空间103中的周围气体环境204，以了解指示电池故障或热失控的一个或多个热特性的变化。
图2示出了气体监测***100的可能配置的部分示例的侧视图。在图2中，气体监测***100可以包括热特性初级传感器200(例如“热线”、“三Ω”或其他热特性传感器200)和气体浓度次级传感器201的组合。气体监测***100还可以包括结构构件202，例如底座、基板、封装等，以及加热器元件203。加热器元件203可以被配置为热特性初级传感器200和气体浓度次级传感器201中的一个或两个的一部分。热特性初级传感器200可以检测周围气体环境204的热特性的变化，其可以用于触发气体浓度次级传感器201的启用。热特性初级传感器200可以被配置为通过监测加热器元件203来检测周围气体环境204的热特性的变化，例如通过测量加热器元件203的电阻并使用“热线”方法。气体浓度次级传感器201然后可以用于帮助验证电池故障。化学浓度次级传感器201可以通过确定环境中是否存在指示电池故障的挥发性气体来帮助验证电池故障。这种验证有助于防止电池故障的虚假报告。气体监测***100可以配置有金属氧化物(“MOx”)或其他气体浓度传感器作为气体浓度次级传感器201。
图3和图4示出了MOx气体浓度传感器的示例。简言之，MOx气体浓度传感器可以包括化学电阻器，其电阻是周围气体环境的化学成分的函数。MOx气体浓度传感器可以由过渡金属氧化物半导体材料形成，该材料可以被加热到大约280-460℃在气体浓度检测操作期间。MOx气体浓度传感器可以具有成本效益，可以具有高灵敏度，并且可以对一种或多种氧化性或还原性气体具有快速非特异性响应。然而，MOx气体浓度传感器的MOx层在被加热到其工作温度时可能会被污染。因此，在长时间运行中，MOx气体浓度传感器的响应可能会随着时间的推移发生显著变化，从而降低其可靠性。温度低于100℃，可以显著减少MOx层的污染，并且当仅将MOx传感器加热到这样的较低温度时，还可以减少MOx气体浓度传感器的功耗。然而，MOx气体浓度传感器的灵敏度在较低的温度下显著下降，在低于100的温度下可能无法使用。MOx气体浓度传感器300可以包括基板301。基板301可以通过加热板构件302连接以支撑包括加热器元件203的加热板400。加热板构件302还可以支撑金属氧化物层303和金属氧化物感测电极304。加热板构件302可以帮助将金属氧化物层303、金属氧化物感测电极304和加热器203与基板301热隔离。这样的热隔离可以包括产生热隔离腔305，该热隔离腔能够接收来自周围气体环境204的周围气体或其他气体，例如电池隔室101的顶部空间103或其他环境。加热板400和加热器元件203可以被布置为加热金属氧化物感测电极304和金属氧化物层303。一旦被加热，金属氧化物感测电极304可以用于测量金属氧化物层303的电阻或导电性，该电阻或导电率将作为金属氧化物层被氧化的程度的函数而改变。这是因为金属氧化物层303的氧化取决于围绕金属氧化物层303的周围气体环境204中特定气体组分的浓度。
在图2中，气体浓度次级传感器201可以被配置为MOx气体浓度传感器300，结构构件202可以包括基板301、加热板构件302和/或MOx气体密度传感器300的加热板400。MOx气体浓度传感器300的热隔离腔305可以用于将加热器元件203与其他结构部件悬挂或以其他方式分离或隔离。热隔离腔305可以允许一种或多种气体从电池隔室101的顶部空间103的周围气体环境204进入热隔离腔305。这样，加热器元件203的电阻或电导的变化可以更好地与要分析的附近环境气体环境中气体成分浓度的变化相关联，并且加热器元件203所附结构的散热或热源特性的影响较小。热隔离腔305允许向附近的环境气体环境进行更有效的热传递，以便通过测量环境气体环境的热特性的变化来准确、低功耗地确定环境气体浓度。例如热特性初级传感器200可以包括阻抗或电导测量电路，其可以被配置为监测与一个或两个初级气体传感器或次级气体传感器相关联的加热器元件203的电阻或电导率，并使用“热线法”来确定环境的一个或多个热特性。
图5示出了“热线”热导率传感器的横截面的示例。简单地说，“热线”热导率传感器可以使用加热导体或“热线”。可以监测加热导线的电阻或导电性。热线产生的热量可以通过热的方式从导线传导到环境中，其方式取决于环境的一个或多个热特性，例如其导热性、热容或热扩散率，这些都可能受到气体浓度或环境的其他成分的影响。通过测量电线的电导率(其也是被加热电线的温度的函数)，可以推断出指示环境的气体或其他成分的环境的一个或多个热特性(例如，热导率)。在一个示例中，“热线”热导率传感器500可以包括加热导体501和电阻传感器504，加热导体501可以由绝缘层502保持在适当位置并且暴露于样品503。电阻传感器504可以附接到加热导体501，以监测加热导体501的电阻。当样品503的热导率改变时，例如由于样品503的组成的改变，从加热导体501去除热量的速率可以改变。这反过来又可能导致加热导体501中的电阻发生变化。然后可以通过电阻传感器504来测量电阻的变化。
在图2中，对于电池监测***，气体监测***100可以包括MOx气体浓度传感器300和被配置为“热线”热导率传感器的热特性初级传感器200，该热特性初级传感器200可以包括被配置为热导率传感器500的加热导体501的MOx气体密度传感器300的加热器元件203。电阻传感器504可以被配置为测量加热器元件203的电阻，以及作为热导率传感器500的样本503的电池隔室101的顶部空间103的周围气体环境204。气体监测***100的结构构件202可以被配置为热导率传感器500的电绝缘层502。加热器元件203可以被配置为“热线”热导率传感器500，其可以***作为使得加热器元件203能够被加热到略高于环境温度的待机温度，例如比环境温度高大约20-100开尔文。电动汽车中电池的环境温度范围可能包括-30℃至60℃左右的温度。电阻传感器504可以监测加热器元件203的电阻，并且被连续地或周期性地轮询以检测周围气体环境204的热性质的变化，例如其热导率、热容量或热扩散率中的一个或多个。电阻传感器504提供的数据可以由接口电路处理，以确定是否存在电池故障的可能迹象。如果是，则可以发送触发输出以将加热器元件203的温度从待机温度升高到MOx气体浓度传感器300的工作温度。MOx气体浓度传感器300的工作温度可以在280-460℃左右。当通过将温度升高到操作温度而使能时，MOx气体浓度传感器300可以确定环境气体环境204中是否存在指定的气体组分。如果存在指定的气体成分，则气体监测***100可以产生输出，例如发送信号以提醒用户或电池管理或其他***成分采取纠正措施。如果不存在指定的气体成分，气体监测***100可以禁用启用***，并使用初级传感器恢复监测热特性，例如通过将加热器元件203恢复到待机温度，并继续或定期轮询电阻传感器504。
这样的技术可以提供几个好处。使用多种测量原理可提供内置冗余。这有助于抑制或防止潜在的错误读数。通过在低于100℃的温度下监测加热器元件203，气体监测***100可以帮助显著增加***的寿命，而不仅仅是MOx气体浓度传感器300的寿命。这是因为MOx气体浓度传感器300通常可以保持在低于MOx层被显著污染的操作温度或其他温度，直到热特性初级传感器200提供对电池故障的潜在问题的初始指示，此时可以接合副传感器，但不能以其他方式接合。与单独的MOx气体浓度传感器300相比，气体监测***100还可以有助于显著降低总功耗，因为MOx气体温度传感器300的功耗取决于用于提供MOx气体密度传感器300的(备用或操作)温度的加热量。
其他配置
气体监测***100的其他示例可以被配置为使用与“热线”热特性传感器200不同类型的次级传感器200，例如使用“三ω”方法的传感器，或者使用与MOx气体浓度传感器300不同类型的气体浓度次级传感器201。气体监测***100的其他示例可以包括热特性初级传感器200和气体浓度次级传感器201，它们不共享加热器元件203，或者不并入单个设备中。气体监测***100可以被配置为封装中的***或完全单片集成的***。气体监测***100也可以使用单独的、分立的传感器和其他电子部件来实现。
气体监测***100可以包括一个或多个附加的或替代的初级或次级传感器。例如，附加的气体浓度次级传感器可以被配置为检测与气体浓度次级传感器201相同或不同的气体种类或浓度。附加的次级传感器可以包括MOx层303，该MOx层被配置为具有与第一MOx气体浓度传感器300不同的组成。这可有助于在选择要监测的特定气体组分时提供额外的功能或灵活性，这可能有助于提供改进的选择性。气体监测***100可以包括一个或多个附加的次级热特性或其他初级传感器。一个或多个附加的热特性传感器可以被配置为监测与热特性初级传感器200相同或不同的热特性。气体监测***100可以包括被配置为初级传感器或次级传感器的NDIR传感器。
启用气体浓度次级传感器201可以包括将气体浓度次级传感器201的温度升高到可以进行气体浓度检测操作的操作温度，或者接通气体浓度次级传感器201的电源。
气体监测***100可以包括一个或多个周围环境条件传感器，例如可以被配置为监测周围环境条件(除了气体成分浓度之外)，例如周围温度、湿度、流量或大气压，例如与热特性初级传感器200和气体浓度次级传感器201结合使用，以帮助提高气体监测***100的精度。
气体监测***100可以包括一对或多对热特性初级传感器200(其可以包括已经配对在一起的至少第一热特性初级传感器200和第二热特性初级传感器200)和一对或多对气体浓度次级传感器201，其可以包括已经配对在一起的至少第一气体浓度次级传感器201和第二气体浓度次级传感器201。第一热特性初级传感器200和第一气体浓度次级传感器201可以被配置为监测感兴趣的环境，例如电池隔室101的顶部空间103。第二热特性初级传感器200和第二气体浓度次级传感器201可以放置在具有已知且不变的气体成分的环境中，例如填充有已知气体的外壳中。气体监测***100可以将第一热特性初级传感器200和第一气体浓度次级传感器201的测量值(例如通过执行差分测量)与第二热特性初级传感器200和第二气体浓度次级传感器201的测量结果进行比较。气体监测***100还可以将第一热特性初级传感器200和第二热特性初级传感器200用于差示扫描量热法，这可以帮助准确地确定周围气体环境204的比热容。
其他使用情况
气体监测***100可用于其他挥发性气体监测应用，例如氢气、甲烷或二氟甲烷泄漏检测器。气体监测***100还可以用于诸如创建精确的空气质量传感器之类的应用，例如用于人口稠密的环境。
部件规格
使用分辨率为22位或更高的主传感器加热器电阻测量可以帮助确保测量足够灵敏。通过在整个信号链中使用一个或多个偏移补偿技术，可以降低总模数转换器分辨率要求。
加热器元件的热阻高于10000K/W有助于确保“热线”热导率传感器的可靠功能。
以最小的合理形状因子配置***可以帮助降低***的成本。例如，图6示出了可以使用一个或多个单片集成的气体监测***来配置的***的示例，该气体监测***配置有MOx气体浓度传感器300和热特性初级传感器200，例如可以与控制电路601和传感器信号处理电路603集成在同一集成电路(IC)600上，诸如可以被配置为监测电池组102的顶部空间103并且可以包括用于从数据中提取特征的足够的板载或其他计算功能。这样的计算功能可以由微控制器604、模拟前端(AFE)电路、数字信号处理器电路、非易失性或易失性存储器电路以及有线或无线外部通信收发器电路602中的一个或多个来提供。热特性初级传感器200可以是“热线”热导率传感器500，其被配置为使用MOx气体浓度传感器300的加热器元件203作为热特性初级传感器200的加热导体501。MOx气体浓度传感器300可以包括金属氧化物层303a和金属氧化物感测电极304。热特性初级传感器可以包括电阻传感器504，电阻传感器504被配置为监测加热器元件203的电阻。至少一些信号处理或其他功能可以至少部分远程执行，例如通过云计算。

Claims (22)

1.一种用于监测环境中的气体的气体监测***，该***包括：
热特性初级气体传感器，被配置为响应于确定指示所述环境的气体成分变化的环境热特性的变化而提供触发输出；和
化学浓度次级气体传感器，响应于来自所述热特性初级气体传感器的触发输出而启用，用于检测所述环境中指定的第一气体组分的量。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述化学浓度次级气体传感器通过使所述化学浓度次级气体传感器通电或者将所述化学浓度次级气体传感器的加热器元件加热到所述化学浓度次级气体传感器能够检测所述环境中的所述指定的第一气体组分的量的操作温度中的至少一个来启用。
3.根据权利要求2所述的***，其中所述化学浓度次级气体传感器是在没有响应于来自所述热特性初级气体传感器的触发输出而被启用的情况下由所述加热器元件断电或在待机温度下操作中的至少一个，其中所述待机温度小于所述操作温度。
4.根据权利要求1所述的***，其中所述热特性初级气体传感器被配置为检测热特性，所述热特性包括所述环境的热导率、所述环境的热容或所述环境的热扩散率中的至少一个，其中所述热特性随所述环境内的气体成分而变化。
5.根据权利要求1所述的***，进一步包含接口电路，所述接口电路接收来自所述热特性初级气体传感器的触发输出，以及向所述化学浓度次级气体传感器的加热器元件提供响应控制输入，以将所述化学浓度次级气体传感器加热到所述化学浓度次级气体传感器能够检测所述环境中指定的第一气体组分的量的操作温度。
6.根据权利要求5所述的***，其中所述化学浓度次级气体传感器的加热器元件还被配置为热特性初级气体传感器，其中用于确定所述环境的热特性的变化的加热器元件的电阻或导电率用于提供所述触发输出。
7.根据权利要求1所述的***，包括接口电路，所述接口电路被配置为当所述化学浓度次级气体传感器指示所述指定的第一气体组分的浓度下降到阈值标准以下时禁用所述化学浓度次级气体传感器并重置所述热特性初级气体传感器的触发输出。
8.根据权利要求1所述的***，其中所述化学浓度次级气体传感器包括金属氧化物(MOx)气体传感器。
9.根据权利要求1所述的***，其中通过监测与所述热特性初级气体传感器或所述化学浓度次级气体传感器中的至少一个相关联的加热器元件的电阻或电导率来确定所述环境的热特性。
10.根据权利要求1所述的***，其中所述环境的热特性包括热扩散率。
11.根据权利要求1所述的***，其中所述环境的热特性包括热容。
12.根据权利要求1所述的***，其中所述环境的热特性包括热导率。
13.根据权利要求1所述的***，进一步包括：
周围环境传感器，被配置为监测至少一个周围环境状况；和
接口电路，被配置为使用所述至少一个周围环境条件来确定指示所述环境的气体成分的变化的热特性标准或用于检测所述环境中指定的第一气体组分的浓度中的至少一个。
14.根据权利要求13所述的***，其中所述周围环境条件包括周围温度。
15.根据权利要求13所述的***，其中所述周围环境条件包括湿度。
16.根据权利要求13所述的***，其中所述周围环境条件包括气流。
17.根据权利要求13所述的***，其中所述周围环境条件包括大气压。
18.根据权利要求1所述的***，还包括至少一个附加的辅助化学浓度传感器，用于检测所述环境中的至少第二气体成分。
19.一种用于监测电池或电池隔室环境中的挥发性气体的***，该***包括：
热特性初级气体传感器，被配置为响应于确定指示所述环境的气体成分变化的环境热特性的变化而提供触发输出；和
金属氧化物(MOx)化学浓度次级气体传感器，响应于来自所述热特性初级气体传感器的触发输出而启用，用于检测所述环境中指定的第二气体组分的量。
20.根据权利要求19所述的***，其中所述热特性初级传感器监测与所述MOx化学浓度次级气体传感器相关联的加热器元件的电阻，以确定所述环境的热特性的变化。
21.一种用于监测电池或电池隔室环境中的挥发性气体的方法，该方法包括：
测量MOx传感器加热器元件的电阻，以提供存在于MOx加热器周围环境中的周围气体的成分变化的指示；
响应于基于测量的MOx加热器元件的电阻对存在于所述MOx加热器周围的周围气体的指示，触发所述MOx加热器元件的温度升高到对应的MOx气体传感器的操作温度，以实现气体检测；和
使用所述MOx传感器确定所述电池或电池隔室环境中特定挥发性气体的存在。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括在检测到特定挥发性气体之后触发校正动作。
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KR102376715B1 (ko) * 2017-02-03 2022-03-18 넥세리스 이노베이션 홀딩스 엘엘씨 가스 분석물질을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법
WO2021085182A1 (ja) * 2019-11-01 2021-05-06 Ｓｅｍｉｔｅｃ株式会社 ガス検出装置、ガス検出方法及びガス検出装置を備えた装置
US11541778B2 (en) * 2020-02-11 2023-01-03 Gm Cruise Holdings Llc Thermal runaway detection and mitigation for electric vehicles
KR20230108259A (ko) * 2020-09-15 2023-07-18 암페놀 서모메트릭스 인코포레이티드 인클로저 내의 배터리에 대한 열 폭주 검출 시스템 및 이의 사용 방법
US11588192B2 (en) * 2020-09-15 2023-02-21 Amphenol Thermometrics, Inc. Thermal runaway detection system for batteries within enclosures

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