电池测试系统如何帮助评估非耗散型主动均衡与被动耗散型均衡拓扑的效率和性能？

电池测试系统使这种比较变得可测量。 在施加受控的充电、放电和不均衡条件时，系统可独立监测每个电芯的电压、电流、荷电状态变化以及温度。这使工程师能够量化被动耗散型均衡或非耗散型主动均衡哪一种能够更快地恢复电芯一致性，同时减少能量损失并降低热应力。

关键区别在于多余能量的去向：被动均衡将其转化为热量，而主动均衡则将其转移至电量较低的电芯。电池测试系统可以测量两者在均衡时间、能量保持率、效率、温升和电池包可用容量方面产生的差异。

电池测试系统的测量内容

单体电芯电压

高精度通道会跟踪串联电芯组中每个电芯的电压，而不是仅依赖电池包级电压。

这可以揭示均衡拓扑降低电芯间电压差的速度，以及是否有任何电芯持续处于过充或欠充状态。

电芯电流和传输能量

测试系统会测量流入和流出每个电芯的电流，以及流经均衡电路的电流。

对于被动均衡，这可以确定从高电压电芯中移除的能量。对于主动均衡，这可以显示电芯之间传输了多少能量，以及均衡器中损失了多少能量。

荷电状态收敛

仅凭电压无法完全描述电芯均衡状态，因为电压会随化学体系、温度和工作电流而变化。

通过跟踪充电量和运行条件，工程师可以评估各电芯的荷电状态是否正在趋于一致，而不仅仅是判断其端电压是否暂时表现得相近。

热行为

温度传感器和热测量通道可以显示均衡损耗出现的位置。

被动电阻网络会直接产生热量。主动电路通常能够减少热量产生，但开关、电感器、变压器、电容器、线路和控制电子设备中仍可能存在损耗。

如何评估被动耗散型均衡

测量能量损失

被动拓扑使用开关电阻释放高电压电芯中的电荷。

测试系统会比较从该电芯中移除的电能与实际改善电池包均衡状态的能量。由于移除的能量大部分会转化为热量，因此测得的均衡效率天然受到限制。

测量均衡速度

系统可以从预先设定的电压差或荷电状态差开始测试，并记录将差异降低至选定阈值以下所需的时间。

均衡速度取决于电阻值、允许电流、电芯容量以及电池管理系统的控制策略。由于被动系统只能移除能量，因此在修正较大不均衡时可能需要较长时间。

测量热影响

温度测量可以量化电阻发热，以及其对附近电芯和组件的影响。

这一点十分重要，因为温度升高会增加冷却需求，并可能加速电芯老化或造成额外的电芯间差异。

评估可用容量

被动均衡无法向较弱的电芯补充能量。它只能降低较强电芯的电量，直到整个串联电芯组处于可接受的均衡范围内。

因此，测试需要确定最低性能电芯造成的容量损失，以及均衡过程中额外耗散了多少能量。

如何评估主动非耗散型均衡

测量能量传输效率

主动拓扑使用开关电容器、电感器、变压器或双向直流-直流转换器等组件，将能量从高荷电状态电芯转移至低荷电状态电芯。

测试系统会测量离开源电芯的能量、到达接收电芯的能量，以及均衡电路内部的损耗。实际均衡效率可按以下公式计算：

[ \text{均衡效率} = \frac{\text{目标电芯接收的能量}} {\text{源电芯移除的能量}} \times 100% ]

这可以区分真正的能量回收与表面上的电压均衡。

测量真实运行条件下的收敛情况

根据拓扑结构和电池管理系统逻辑，主动均衡可以在充电、放电或指定的静置期间运行。

电池测试设备可以复现这些条件，并确定主动能量传输是否能够在完整运行周期内减少电压和荷电状态的偏差，而不只是在充电结束时实现均衡。

测量对电池包容量的影响

由于主动均衡会重新分配多余能量，而不是简单地将其耗散掉，因此电池包中储存的更多能量可以继续用于输出。

测试会在电芯均衡以及有意设置电芯不匹配的条件下，比较启用均衡功能时的输出容量和可用能量。

评估控制行为

系统可以测试电池管理系统如何决定何时开始均衡、哪些电芯接收能量，以及何时停止均衡。

这可以暴露不必要的开关动作、电芯之间的振荡、传输电流不足，或导致电芯偏差增大而不是减小的均衡指令等问题。

直接性能比较

均衡速度

被动均衡通常结构更简单，但会受到可安全通过电阻的电流限制。

主动均衡可以在电芯之间以有用的速率传输能量，从而有可能更快地修正不均衡，但实际性能取决于均衡器设计和控制策略。

能量效率

被动均衡的能量效率较低，因为多余能量会转化为热量。

主动均衡可以保留更多原始储存能量，但其效率必须包含开关损耗、导通损耗、磁性损耗、电容损耗和转换损耗。

热性能

被动系统会产生可预测但可能较为显著的局部发热。

主动系统通常能够减少耗散发热，但其开关器件和磁性组件在连续运行条件下仍需要进行热评估。

容量利用率

被动均衡往往会使电芯串联组的有效容量受最弱电芯限制，因为必须对较强电芯放电，使其与最弱电芯匹配。

主动均衡可以重新分配能量，更充分地利用较强电芯，尤其是在电芯不匹配程度较大，或电池包处于高要求的充放电条件下时。

硬件和控制复杂度

被动电路通常更容易实施和验证。

主动电路需要更多组件、传感器、开关控制、电磁设计和故障处理功能。电池测试系统有助于确定增加的复杂度是否能够带来有意义的系统级收益。

能够产生有用结果的测试方法

受控不均衡测试

工程师首先使各电芯处于有意设置的不同电压或荷电状态。

随后，测试系统施加相同的充电或放电曲线，并记录每种拓扑降低不匹配程度的速率。

重复循环测试

单次均衡事件无法揭示长期影响。

重复循环可以显示该拓扑是否能够提高容量保持率、维持电芯一致性，并避免随着时间推移产生热问题或控制问题。

充放电测试

均衡行为在充电和放电过程中可能存在显著差异。

对两个方向进行测试，可以揭示该拓扑是否仅在接近充电上限时有效，还是也能够在正常运行期间重新分配能量。

故障和边界条件测试

系统可以测试高温和低温、传感器容差、通信延迟以及异常电芯状态。

这些测试有助于确定当现实条件偏离实验室假设时，均衡策略是否仍能保持安全和稳定。

理解其中的权衡

被动均衡并不只是“效率低”

其能量损失是已知成本，但对于较小型或成本敏感型电池包而言，其结构简单、组件数量少且控制直接等特点可能具有重要价值。

正确的问题是：损失的能量和产生的热量是否在该应用的可接受范围内。

主动均衡并不能消除损耗

能量传输比电阻耗散更高效，但任何实际主动电路都无法实现百分之百无损的能量传输。

评估必须包含完整的均衡器路径及其控制电子设备，而不能只引用理想拓扑级效率。

电压匹配可能具有误导性

两个电芯可能显示出相近的端电压，但其荷电状态、容量或内阻却可能不同。

因此，测试应结合电压、电流、温度、充电量以及在条件允许时的荷电状态估算。

实验室结果需要进行系统级解读

在电芯级别表现良好的拓扑，在电池包级别可能会增加无法接受的成本、体积、电磁干扰或集成复杂度。

只有将电气、热、控制、可靠性和经济性结果结合起来考虑，电池测试才能发挥最大价值。

根据目标做出正确选择

电池测试系统提供了选择均衡拓扑所需的证据，使决策不必依赖电路的标称优势。

• 如果你的主要关注点是低成本和电路简单性：当被动均衡的能量损失、均衡时间和发热量符合电池包运行要求时，可以采用被动均衡。
• 如果你的主要关注点是能量效率和容量利用率：应通过测得的传输效率、回收能量和电池包可用容量来评估主动均衡。
• 如果你的主要关注点是热管理：应比较温升、热量集中程度、冷却需求以及对相邻电芯的热影响。
• 如果你的主要关注点是电池管理系统优化：应使用电芯级测量数据来调整均衡阈值、时序、传输电流和停止逻辑。
• 如果你的主要关注点是长期电池寿命：应结合重复循环以及电压、荷电状态和温度分析，确定均衡是否能够减少持续的电芯应力。

设计完善的电池测试方案可以将被动均衡与主动均衡的争论转化为关于能量、热量、速度、容量和寿命的可测量证据。

汇总表：

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