CN117673525A - 用于检测用于电动车辆的电池的热失控的设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测电池的热失控的设备，其包括电池系统，电池系统包括：下盖，其形成至少两个容纳空间；上盖，其联接到下盖的上部；电池组组件，其包括安装在至少两个容纳空间中的至少一个中的至少一个电池模块，以及用于管理至少一个电池模块的电子部件；排气装置，其远离盖电子部件定位并且构造成从电池模模块内部排出气体；以及温度传感器。

Description

用于检测用于电动车辆的电池的热失控的设备
相关申请的交叉参考
本申请要求于2022年9月7日向韩国知识产权局提交的第10-2022-0113243号韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及用于检测电池的热失控的设备，更具体地，涉及一种用于检测用在设备中的电池的热失控并且用于向设备的用户输出通知的设备。
背景技术
诸如电动车辆或混合动力车辆的车辆可使用电池作为主电源或辅助电源来为电池发动机提供动力。电池可包括一个或多个电池单元，其可以是可再充电的(例如，能够被充电、放电和再充电)。在单个组中提供一个或多个电池单元可实现废气减少(例如，通过产生很少或不产生废气)，并且使电池和/或电池发动机以非常小的噪音运行。
混合动力车辆可使用多个电源(例如，内燃机和联接到电池的电动机)。电池在为车辆提供动力时的性能可直接影响车辆的性能。因此，电池管理系统可通过测量每个电池单元的电压以及整个电池的电压和电流来有效地管理每个电池单元的充电和放电，并且可确定每个电池单元是否劣化，以确保电池单元的最佳性能。
锂离子电池是一种构造可充电电池，其具有多层构造，该多层构造包括由各种混合氧化物或橄榄石活化的正极、由特定碳活化的负极和浸入有机电解质中的隔膜。
在正常操作中，电能可在电池充电时转化为化学能并储存，而储存的化学能可在电池放电时转化为电能。更具体地，当电池充电时，正极中的锂会被离子化并向负极逐层移动。当电池放电时，这些离子会移动到正极并返回到其初始化合物。
锂离子电池在一定条件下，诸如过电压、过电流或过热时，可能发生自加热(self-heating)。自加热可能导致锂离子电池进入热失控状态。自加热是指电池单元内部的电化学构造使电池单元的内部温度升高的状态。
在电池模块内部发生的热失控会造成非常剧烈和巨大的损害。当发生热失控时，会产生非常少的氧气，内部温度会上升到800摄氏度以上。
如果发生这种情况，车辆内部或由电池供电和/或装有电池的其他设备可能发生火灾。可能产生过多的气体，或者可能损坏容纳锂离子电池单元的壳体。在任何这样的情况下，例如，如果使用电池的车辆发生火灾和/或释放危险气体，都会对车辆中的驾驶员造成非常严重的伤害。
提供以上背景描述仅是为了帮助更好地理解本发明的背景，并且因此可包括本发明所属领域的技术人员可能已知的现有技术之外的信息。
发明内容
本文描述了用于检测用于电动车辆的电池的热失控的系统、设备和方法。设备可包括：第一盖，其形成至少两个容纳空间；第二盖，其构造成与第一盖联接以形成包括所述至少两个容纳空间的内部空间以及所述至少两个容纳空间之间的通道部；电池组组件，其包括安装在所述至少两个容纳空间中的至少一个容纳空间中的至少一个电池模块；电子部件，其配置成管理所述至少一个电池模块；以及排气装置，其远离所述电子部件和所述通道部定位，并且构造成从所述内部空间排出气体。
下文将更具体地描述本发明的上述和其他特征。
附图说明
提供附图以描述本发明的实施例，并且本发明的精神不应被解释为限于附图。
图1是示出根据实施例的用于检测电池热失控的设备的配置的框图。
图2是示出应用于根据实施例的用于检测电池热失控的设备的电池系统的构造的立体图。
图3是示出应用于根据实施例的用于检测用于电动车辆的电池的热失控的设备的电池系统的构造的分解图。
图4是示出应用于根据实施例的用于检测用于电动车辆的电池的热失控的设备的电池系统的构造的截面图。
图5是示出对根据实施例的电池单元排出的有害气体的流动进行分析的结果的视图。
图6和图7是示出根据实施例的由第一温度传感器检测到的有害气体的温度和由第二温度传感器检测到的电池模块的温度的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例，使得本发明所属领域的技术人员可容易地所属所公开的主题。然而，本领域的技术人员应该理解的是，可以对所描述的实施例进行各种方式的修改，并且本发明不限于本文提供的实施例。
本领域技术人员熟知的主题和概念将不在本说明书中描述。在整个说明书中，相同或相似的部件由相同的附图标号表示。
另外，附图中所示的每个部件的大小、厚度、尺寸等是为了便于解释而任意提供的，不一定按比例绘制。因此，本发明不限于附图中所示的内容，并且附图中的尺寸可能被放大以更清楚地表示某些元件。此外，本文使用的诸如“下”、“上”、“竖直”、“左”、“右”、“水平”等词语是指相对于附图中所示设备的方向(例如，相对于图4中的竖直方向而言的下或上，以及相对于图4的水平方向而言的左或右)。此类词语可用非方向性术语代替，诸如“第一”、“第二”等，只要清楚所公开的部件和其他特征之间的关系。为了便于讨论，“下”、“上”、“竖直”、“左”、“右”和“水平”将在整体描述中参照附图使用。
在下文中，将参照附图详细描述根据实施例的用于检测电池(例如，用于电动车辆)的热失控的设备。
如图1所示，用于检测电池热失控的设备可包括电池系统40、控制单元50和警告单元60。
参见图2至图5，电池系统40可包括下盖10、上盖20和至少一对电池组组件41，电池组组件41可安装在下盖10和上盖20之间。
具体地，下盖10可包括形成至少一对容纳空间12的一对下部主体11，以及位于该对下部主体11之间的下部中央部13。下盖10可一体形成(例如，通过压模)。也就是说，容纳空间12可分别形成在位于下部中央部13的两侧(例如，左和右)的下部主体11中。
下部主体11可包括第一下部主体(例如，左下部主体)和第二下部主体(例如，右下部主体)，并且下部中央部13可将第一下部主体和第二下部主体彼此连接。
一对下部主体11可具有相对于下部中央部13基本对称的形状，并且下部主体11可各自向下凸起以一起形成容纳空间12(例如，左下部主体可形成至少一个左容纳空间，并且右下部主体可形成至少一个右容纳空间)。下部中央部13可将一对下部主体11彼此连接并且大致向上凸起。这里，下部中央部13的高度可大于容纳空间12的高度(例如，下部中央部13可延伸到下部主体11的形成容纳空间12的部分之上)。
下部中央部13可包括一对下部倾斜部13-1，其从一个下部主体11的端部朝向另一个下部主体11向上地倾斜并且朝向彼此。下部中央部13还可包括下部水平部13-2，其将一对下部倾斜部13-1相互连接。
上盖20可包括对应于一对下部主体11的一对上部主体21，以及位于这对上部主体21之间的上部中央部23。上盖20可一体形成(例如，通过压模)。上部中央部23可向上突出，以便在上盖和下盖联接时容纳下部中央部13。
上部主体21可包括第一上部主体(或左上部主体)和第二上部主体(或右上部主体)，上部中央部23可将第一上部主体和第二上部主体相互连接。
一对上部主体21可具有相对于上部中央部23基本对称的形状，并且上部主体21可以基本平坦的。上部中央部23可将一对上部主体21彼此连接并且向上凸起。
上部中央部23可以包括朝向彼此向上倾斜的一对上部倾斜部23-1(例如，从一个上部主体21的一端朝向另一个上部主体21)。上部中央部23也可包括将一对上部倾斜部23-1彼此连接的上部水平部23-2。
当上盖20联接到下盖10的上部时，上部倾斜部23-1可位于与之对应的下部倾斜部13-1的上方，并且上部水平部23-2可位于与之对应的下部水平部13-2的上方。
上盖20可通过密封上盖20和下盖10的联接方式(例如，通过铆接、焊接、螺栓连接等)联接到下盖10的上部。
当下盖10和上盖20彼此联接时，可在其间形成空间。在该空间中，下盖10与上盖20之间的距离在不同位置处可不同(例如，一个上部主体21与对应的下部主体11之间的距离可以与上部中央部23和下部中央部13之间的距离不同)。上部中央部23与下部中央部13之间的距离小于上部主体21与对应的下部主体11之间的距离。
当下盖10和上盖20彼此联接时，下部主体11和上部主体21之间可形成侧部空间31，下部中央部13和上部中央部23之间可形成通道部33。侧部空间31的截面积可大于通道部33的截面积。例如，通道部33的竖直尺寸可小于侧部空间31的竖直尺寸。基于不同的截面积，通过通道部33的气体(例如，在电池模块43的电池单元49热失控期间可能产生的)的流速可相对于侧部空间31加快(例如，根据伯努利原理)。
这里，侧部空间31可以是形成在上部主体21和下部主体11之间的安装在容纳空间12中的电池组组件41和通道部33之间的空间。
通道部33可形成在下部中央部13和上部中央部23之间，其可分别将一对下部主体11彼此连接以及将一对上部主体21彼此连接。具体地，通道部33可形成在一对下部倾斜部13-1和一对上部倾斜部23-1之间，以及下部水平部13-2和上部水平部23-2之间。
当下盖10和上盖20彼此联接并且电池组组件41安装在下部主体11的容纳空间12中时，上部空间34可形成在电池组组件41的上表面和上盖20的上部主体21的下表面之间。侧部空间31的截面积可大于上部空间34的截面积。
例如，上部空间34的竖直尺寸可小于侧部空间31的竖直尺寸。因此，通过上部空间34的气体(例如，在电池模块43的电池单元49热失控期间产生的气体)的流速可相对于通过侧部空间31的流速加快(例如，根据伯努利原理)。
电池组组件41可包括多个电池模块43和电子部件45。电池模块43可包括至少一个电池单元49，例如多个电池单元49，其可堆叠(例如，在左右方向上)，并且相互并联和/或串联。本文描述的或附图中所示的(电池单元49的、电池模块43的和/或电池组组件41的)任何数字仅是示例，本发明的范围不限于此。
电子部件45可包括电池管理系统(BMS)46。该电池管理系统46可配置成检测电池单元49的电压和/或温度。电池管理系统46可配置成确定每个电池模块43的状态(例如，基于其检测到的电压和/或温度)，并且可配置成管理每个电池模块43以维持最佳状态。具体地，电池管理系统46可执行诸如测量电池的剩余容量、将电池的充电状态(SOC)维持在适当水平、以及测量电池(例如，电池单元和/或电池模块)的温度的功能，以管理电池。
电子部件45可包括保险丝47。保险丝47可配置成阻止向每个电池模块43供应过电流(例如，基于来自BMS 46的信号)。
两个电池组组件41可分别安装在形成于下盖10中的两个容纳空间12中，并且这两个电池组组件41可相互电连接。
用于阻断和/或连接供应到每个电池模块43的高压电流的流动的功率继电器组件(PRA)可安装在一对容纳空间12中的一个(例如，图4中的右部容纳空间)中。PRA或两个PRA可安装在一对容纳空间12中的每一个中。
用于冷却一个或多个电池组组件41的水冷软管可安装在下盖10和上盖20之间(例如，可安装一个或多个水冷软管以能够冷却一个或多个电池组组件41中的每一个)。
另外，用于增强电池系统40的刚性的增强材料可位于下部中央部13中。
排气装置27可位于上盖20上，排气装置27配置成能够向外部排出气体(例如有害气体或“排气气体”，诸如可由电池模块43的电池单元49产生的)。排气装置27可紧固到位于上盖20上的排气支架25上。
排气装置27可包括具有排气孔的排气主体。排气装置还可具有用于控制通过排气孔排放的结构，诸如位于排气主体中的阀(例如瓣阀(flap valve)，诸如环形瓣阀)。
可形成多个排气孔，并且可形成在排气主体的侧部或上部。另外，阀可由弹性材料制成，并且可配置成在正常状态下(例如非排气状态、非热失控状态等)堵塞排气孔。
在排气装置的示例操作中，电池系统40的内部压力可由于过量气体产生而增加，诸如在热失控期间在电池单元49中出现的高温和/或有害气体。内部压力可导致阀向上变形，这可导致排气孔打开，这可使气体通过排气孔排放到电池系统40的外部。
当高温气体(例如由电池单元49产生的)通过排气装置27排放时，高温流体可在排气装置27周围流动。排气装置27可设置在上盖20上远离电子部件45的位置，以避免高温导致电子部件45中的一个或多个部件熔化和/或起火的危险。
例如，电子部件45可位于电池组组件41的一个上部侧部，排气装置27可位于对应于电池组组件41的另一个上部侧部的上盖20上。
例如，电子部件45可安装在电池组组件41的一个侧部，并且排气装置27可位于上盖20上对应于未安装电池组组件41的电子部件45的位置。
在实施例中，电子部件45可位于电池组组件41的上部右前方，排气装置27可分别位于上盖20上对应于电池组组件41的上部右后方和上部左后方。也就是说，在实施例中，排气装置27可分别位于上盖20的一对上部主体21(或左上部主体和右上部主体)上。
通过这种构造，可避免通过排气装置27排出的气体干扰电子部件45，从而防止电子部件45的损坏(例如熔化和/或起火)。
第一温度传感器35可位于通道部33中。第一温度传感器35可配置成检测流过通道部33的流体(例如，电池单元49中产生的气体)的温度。
另外，用于检测电池模块43的温度的第二温度传感器37可位于每个电池模块43中。在实施例中，可设置四个第二温度传感器37，然而，第二温度传感器37可设置任何其他数量(例如，一个、两个、三个、四个等)。
控制单元50可配置成基于第一温度传感器35检测到的气体温度和第二温度传感器37检测到的电池模块43的温度，来确定电池单元49是否发生热失控。控制单元50可配置成引起警报的输出(例如，向包括该电池的车辆的乘客发出警告)。
控制单元50可以是一个或多个根据设定程序运行的处理器，并且该设定程序可执行根据实施例的用于控制用于检测电池热失控的设备的方法的每个步骤。
另外，根据实施例的用于检测电池热失控的设备还可包括警告单元60，用于在电池单元49发生热失控时向车辆的乘客提供警报。警告单元60可通过车辆中的中央仪表板(center fasia)或扬声器实现。
当电池单元49(和/或电池模块43)正常工作时，第一温度传感器35和第二温度传感器37检测到的温度可在预定范围内变化。
然而，当电池单元49中发生热失控时，高温气体会从电池单元49内部排出，高温有害气体会通过下盖10和上盖20之间的侧部空间31流入上部空间34和通道部33。也就是说，由于上部空间34和通道部33的窄的间隙，上部空间34与通道部33中的压力会较低(例如，由于伯努利原理)，这会导致从电池单元49排出的有害气体从侧部空间31向压力较低的上部空间34及通道部33流动。
这种现象由图5所示的分析结果示出。参见图5，仅示出电池组件，以便将从电池单元49排出的气体会倾向于流动的位置可视化(即，上盖20和下盖10未示出，但被建模为气体流动的边界)。由于上部空间34和通道部33中的压力低于侧部空间31中的压力，因此从电池单元49排出的模拟气体从侧部空间31流到上部空间34和通道部33。然而，扩散到通道部33的气体比扩散到上部空间34中的更多(例如，由于下部主体11的下部倾斜部13-1和上部主体21的上部倾斜部23-1的结构形状)。
当电池单元49产生一定量或更多的有害气体时，气体可通过上部空间34和排气装置27排放到电池组组件41的外部。也就是说，从电池单元49排出的有害气体可在一定程度上填充通道部33和侧部空间31，然后通过排气装置27排放到电池组组件41的外部。
这样，由于通道部33的结构特性，来自电池单元49的气体可扩散到通道部33中，然后通过排气装置27排放到电池组组件41的外部。
因此，控制单元50接收指示安装在通道部33中的第一温度传感器35测量的气体温度的信息，并且基于由第一温度传感器35检测和测量的有害气体的温度快速确定电池单元49是否发生热失控。
如图6所示的温度测量结果表明，如果温度传感器在上部空间34中安装排气装置27周围，由于气体的温度会由于排气装置27周围的快速流入和流出而散布，气体的温度会难以准确和/或一致地测量。
另一方面，气体在通道部33中的流动和温度可大体上均匀，并且由安装在通道部33中的温度传感器35测量的有害气体的温度几乎不散布(参见图6)。因此，使用安装在通道部中的温度传感器35更容易准确且一致地测量气体的温度。
当第一温度传感器35检测到的温度变化速度大于或等于设定速度(例如1℃/s、2℃/s、3℃/s等)，和/或持续时间大于或等于设定时间(如2秒、4秒、6秒等)，和/或变化后的温度高于或等于设定温度(例如，60℃、70℃、80℃等)时，控制单元50可确定电池单元49发生热失控。设定速度、设定时间和/或设定温度可基于例如电池的应用、电池部件的材料特性等进行选择。
另外，控制单元50可配置成基于电池模块43的温度来确定电池单元49中是否发生热失控，电池模块的温度可由安装在电池模块43中的第二温度传感器37检测。
当第二温度传感器37检测到的温度变化速度大于或等于设定速度(例如1℃/s，2℃/s、3℃/s等)并且持续时间大于或等于设定时间(如2秒、4秒、6秒等)，和/或变化后的温度高于或等于设定温度(如60℃、70℃、80℃等)时，控制单元50可配置成确定电池单元49发生热失控。如上所述，设定速度、设定时间和/或设定温度可基于例如电池的应用、电池部件的材料特性等进行选择。
如上所述，当电池单元49中发生热失控并且由此在电池单元49中产生过量气体时，电池单元49可能起火。电池起火导致的车辆火灾可能会给车内乘客带来非常危险的情况。
因此，控制单元50可配置成基于确定电池单元49发生热失控，通过警告单元60通知车辆的乘客。这可保护乘客免受电池单元49热失控和由此导致的车辆火灾。
另外，电池单元49排出的气体可通过排气装置27排放到电池组组件41的外部，从而显著降低电池组组件41起火的可能性。这里，排气装置27可远离电子部件45定位，这可防止电子部件45由于通过排气装置27排出的高温气体而熔化。
另外，可基于由安装在形成于下盖10的下部中央部13和上盖20的上部中央部23之间的通道部33中的第一温度传感器35检测的气体的温度来确定电池单元49是否发生热失控。因此，可快速确定电池单元49是否发生热失控。
如图7所示，由测量气体温度的第一温度传感器35(例如，安装在通道部33中)检测到的温度变化比由测量电池模块43的温度的第二温度传感器37检测到的温度变化快约4秒。这样，温度传感器35，如上所述的相对于形成电池组组件41的外部的下盖10和上盖20的结构特征定位，使得能够更快速地确定电池单元49是否发生热失控。
一种设备可配置成检测电池(例如，用于电动车辆)的热失控。该设备还可配置成生成和/或发送警告(例如对包含电池的车辆的乘客的危险)。
根据实施例，一种用于检测电池的热失控的设备包括电池系统，其中，该电池系统包括：下盖，其形成至少一对容纳空间；上盖，其联接到下盖的上部；电池组组件，其安装在每个容纳空间内，并且包括至少一个电池模块以及电子部件；以及排气装置，其位于上盖上以排出在电池模块的电池单元中产生的气体。
排气装置可构造成能够从电池内排出气体(例如，紧固到位于上盖上和/或上盖中的排气支架)。
电子部件可位于电池组组件的一个上部侧部，排气装置可位于与电池组组件的另一个上部侧部对应的上盖上。
下盖可包括：一对下部主体；以及位于该对下部主体之间的下部中央部，并且，容纳空间可分别形成在位于该下部中央部两侧的该对下部主体中。
下部中央部的高度可大于容纳空间的高度。
下部中央部可从下部主体向上凸起。
上盖可包括向上突出的上部中央部，并且在与下盖间隔开的同时与下盖联接。
上盖和下盖之间的距离可设置为上部中央部和下部中央部之间的最小距离。
该设备还可包括：第一温度传感器，其位于形成在下部中央部和上部中央部之间的通道部中并且检测在电池单元中产生的气体的温度；第二温度传感器，其位于每个电池模块中并且检测电池模块的温度。
该设备还可包括控制单元，该控制单元基于第一温度传感器检测到的气体温度或第二温度传感器检测到的电池模块温度来确定电池单元的热失控。
当第一温度传感器检测到的气体的温度变化速度大于或等于设定速度并且持续时间大于或等于设定时间，并且变化后的温度高于或等于设定温度，或第二温度传感器检测到的电池模块的温度变化速度大于或等于设定速度并且持续时间大于或等于设定时间，并且变化后的温度高于或等于设定温度时，控制单元可确定电池模块的电池单元发生热失控。
该设备还可包括警告单元，用于提供(例如，生成和/或输出或发送)警报和/或警告(例如，向包括电池的车辆的乘客)，以指示电池单元正发生热失控。
根据如上所述的根据实施例的用于检测电池的热失控的设备，用于检测电池模块的温度的温度传感器可使用形成电池组组件的外部的下盖和上盖的结构特征来定位，因此可快速确定电池单元中是否发生热失控。
尽管已经结合以上实施例的内容描述了本发明的主题，但本发明不限于此。相反，本发明旨在涵盖包括在所附权利要求的思想和范围内的各种变形和等效方式。

Claims (17)

1.一种设备，包括：
第一盖，其形成至少两个容纳空间；
第二盖，其构造成联接到所述第一盖以形成内部空间，所述内部空间包括所述至少两个容纳空间以及所述至少两个容纳空间之间的通道部；
电池组组件，其包括安装在所述至少两个容纳空间中的至少一个中的至少一个电池模块；
电子部件，其配置成管理所述至少一个电池模块；以及
排气装置，其远离所述电子部件和所述通道部定位，并且构造成从所述内部空间排出气体。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，
所述排气装置紧固到位于所述第二盖上的排气支架上。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，
所述电子部件位于所述通道部的第一侧，并且
所述排气装置位于对应于所述通道部的第二侧的所述第二盖上。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，
所述第一盖包括：
多个第一主体；以及
第一中央部，其位于所述多个第一主体之间，其中，所述至少两个容纳空间中的每一个分别形成在所述多个第一主体中的一个中。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，
所述第一中央部的高度大于所述至少两个容纳空间的高度。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，
所述第一中央部从所述多个第一主体向上凸起。
7.根据权利要求4所述的设备，其中，
所述第二盖包括：
多个第二主体；以及
第二中央部，其位于所述多个第二主体之间并从所述第二主体向上突出，
其中，当所述第二盖与所述第一盖联接时，所述多个第二主体与所述多个第一主体间隔开，并且所述第二中央部与所述第一中央部间隔开。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述第二中央部从所述多个第二主体向上突出到一定高度，使得当所述第二盖与所述第一盖联接时，所述第二中央部和所述第一中央部之间的距离小于所述多个第一主体中的第一主体与所述多个第二主体中的对应的第二主体之间的距离。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述通道部形成在所述第一中央部和所述第二中央部之间。
10.根据权利要求9所述的设备，还包括：
第一温度传感器，其设置在形成于所述第一中央部和所述第二中央部之间的所述通道部中。
11.根据权利要求10所述的设备，还包括：
控制器，其配置成基于所述第一温度传感器检测的温度来确定是否满足电池热失控的标准。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，
所述标准包括以下中的一种或多种：
温度变化至少以设定的变化速度进行；
温度变化至少持续设定的时间，或
温度变化到至少设定的温度。
13.根据权利要求12所述的设备，还包括：
警告单元，其连接到所述控制器，并且配置成基于确定满足所述热失控的标准而引起警报输出。
14.根据权利要求10所述的设备，还包括：
第二温度传感器，其位于所述至少一个电池模块附近，并且配置成测量所述至少一个电池模块的温度。
15.根据权利要求14所述的设备，还包括：
控制器，其配置成基于所述第一温度传感器和所述第二温度传感器中的至少一个检测的温度来确定是否满足电池热失控的标准。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，
所述标准包括以下中的一种或多种：
温度变化至少以设定的变化速度进行；
温度变化至少持续设定的时间，或
温度变化到至少设定的温度。
17.根据权利要求16所述的设备，还包括：
警告单元，其连接到所述控制器，并且配置成基于确定满足所述热失控的标准而引起警报输出。
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