电芯分选从源头上防止不平衡，而热管理则防止不平衡在服役期间扩大。 在制造和分级过程中，自动充放电测试会测量电芯性能，并将具有相似容量和充电特性的电芯进行匹配，通常控制在 3% 以内的严格公差范围内。组装完成后，热结构和控制系统可保持电芯温度均匀，从而减少因自放电、内阻和老化差异导致的电压偏差。
最有效的策略是两阶段控制：首先通过测试和匹配最大限度地减少电芯间的差异，然后保持相似的工作温度，以防止剩余的差异随时间推移而扩大。
电芯不平衡是如何产生的
电芯永远无法完全相同
电极涂层、活性物质负载、压实密度、电解液润湿、物理体积、内阻和自放电率方面的制造差异，会在电芯之间产生微小偏差。
这些差异在全新的电池组中可能很小，但在反复充放电循环后会变得更加显著。
串联电池组会暴露最弱的电芯
在串联电路中，相同的电流流过每个电芯，但每个电芯的容量和电压响应不同。
在放电过程中，最弱的电芯会先达到电压下限，而在充电过程中，另一个电芯可能先达到电压上限。为了保护单个电芯，电池组必须停止工作，这降低了可用容量。
温度会加速偏差
温度会影响电芯的内阻、充电接受能力、自放电和老化速度。较热的电芯退化更快，电量流失也更快，导致其荷电状态（SOC）与较冷的邻近电芯产生偏差。
电芯分选如何减少初始不平衡
自动循环测试揭示真实的电芯行为
电池测试设备在受控条件下对电芯进行充放电，以测量其容量和电压性能。
这一过程可以识别出在实际性能上有差异的电芯，而不是仅仅依赖制造规格或初始开路电压。
电芯在严格的公差范围内进行匹配
制造商和研究人员可以将具有相似容量和电气行为的电芯进行分组。其主要目标是防止将高容量电芯与较弱的电芯配对在同一个串联电池组中。
在严格的公差范围内（在引用的制造流程中通常约为 3%）进行容量匹配，可以减少电池组均衡系统需要处理的初始偏差。
制造一致性改善了分选结果
精密的浆料混合、涂布、压片和组装工艺在测试开始前就减少了差异。
更均匀的电极厚度、密度、质量负载和电解液分布能生产出电气性能更一致的电芯，从而使分级更有效，并降低出现明显弱电芯的可能性。
分选不等同于均衡
分选是在电池组组装前选择兼容的电芯。它无法在电池组投入使用后持续纠正荷电状态。
电池管理系统（BMS）可能仍需要被动或主动均衡来纠正运行过程中逐渐产生的差异。
热管理如何防止不平衡
均匀的温度产生更均匀的行为
热管理结构、散热片、冷却路径和受控的机械接口可将热量从电芯中散发出去，并减少温度梯度。
保持电芯温度相近有助于它们维持更一致的内阻、充电接受能力、自放电行为和老化速度。
热点加速电芯间的偏差
在较高温度下工作的电芯可能比附近的电芯自放电更快、退化更快。
随着时间的推移，该电芯可能会损失容量或产生不同的电压响应。由此产生的不平衡会降低电池组容量，并增加单个电芯过充或过度放电的风险。
热设计支持安全的测试和组装
在电池组测试期间，不均匀的发热会扭曲测量结果，使电芯看起来与在均匀条件下的行为不同。
受控的热条件提高了容量、寿命周期和均衡评估的准确性，同时降低了局部过热的风险。
热管理与均衡协同工作
均衡电子设备可以纠正荷电状态的差异，但均衡本身会产生热量。被动均衡将多余能量以热量形式散发，而主动均衡在电芯之间转移能量，但仍会产生热管理需求。
因此，热系统必须同时管理来自电芯运行的电化学热和来自均衡电路的电子热。
电池组级均衡的作用
被动均衡消除多余电量
被动均衡使用旁路电路对电压或荷电状态较高的电芯进行放电，通常是将多余的能量以热量形式散发掉。
它相对简单，但其有效性受限于可用的均衡电流和电池组必须散发的热量。
主动均衡转移能量
主动均衡将电荷从荷电状态较高的电芯转移到荷电状态较低的电芯。
这比被动散热更有效地利用能量，但需要更复杂的电子设备和精确的控制。
均衡保护可用容量
如果没有均衡，第一个达到电压限制的电芯决定了整个串联电池组何时必须停止充电或放电。
均衡使电芯电压和荷电状态保持接近，使电池组能够使用更多的可用能量，而不会使单个电芯处于有害状态。
理解权衡因素
严格的分选增加了测试时间和成本
充放电分级需要设备、能源、操作员或自动化时间以及数据分析。
然而，减少初始电芯差异可以降低 BMS 的负担并提高电池组的可靠性，因此合适的公差取决于电池组的安全、性能和成本要求。
热硬件增加了质量和复杂性
散热片、冷却板、热界面、绝缘材料和温度传感器会占用空间并增加重量。
设计必须在冷却性能与封装限制之间取得平衡。仅仅散热是不够的，系统还必须防止电芯之间出现较大的温差。
均衡无法修复物理上较弱的电芯
均衡可以纠正荷电状态的差异，但无法恢复损失的容量，也无法消除自放电异常或内阻过大的电芯。
严重退化或有缺陷的电芯应通过测试识别并移除或更换，而不是依赖 BMS 无限期地进行补偿。
集中式和分布式电子设备具有不同的热行为
分布式均衡电子设备将热量分散在多个电芯级电路板上。
集中式系统将热量集中在一个外壳中，因此增加电芯数量或串联电压可能需要更大的外壳或额外的冷却。
低温加热需要的不仅仅是均衡负载
均衡电路可能会产生一些热量，但它们的输出通常太小，无法在寒冷条件下有效地加热真正的电池模块。
在极低温度下为电芯充电之前，通常需要专用的加热器或受控的热室。
为您的目标做出正确的选择
最可靠的方法是结合制造控制、电芯分级、热设计、温度监控和电池组级均衡。
- 如果您的主要重点是制造质量：使用精确的混合、涂布、压片、组装和自动充放电分级，以在组装前最大限度地减少电芯间的容量和内阻差异。
- 如果您的主要重点是电池组可靠性：在严格的公差范围内匹配电芯，并设计冷却或均热结构，以在整个电池组中保持相似的温度。
- 如果您的主要重点是可用能量：添加均衡控制，防止单个高电压或低电压电芯过早限制整个串联电路。
- 如果您的主要重点是安全性：结合电芯筛选、温度传感器、热控制以及过压和欠压保护，而不是仅仅依赖均衡。
- 如果您的主要重点是低温运行：使用专用的加热或环境控制，因为均衡电路通常无法为整个模块提供足够的热量。
一致的电芯让电池组在平衡状态下开始工作，而一致的温度有助于保持这种状态。
总结表：
| 方法 | 工作原理 | 对电芯不平衡的影响 |
|---|---|---|
| 电芯分选 | 自动充放电分级，匹配容量和行为相似的电芯（例如，3% 以内）。 | 减少电芯间的初始差异，最大限度地降低弱电芯限制电池组性能的风险。 |
| 热管理 | 通过冷却/加热系统实现均匀的温度分布，防止加速老化和偏差的热点。 | 减少自放电、内阻和老化方面的差异，使电芯随时间推移保持平衡。 |
| 均衡电子设备 | 被动（将多余能量以热量形式散发）或主动（在电芯间转移能量）方法纠正荷电状态差异。 | 补充分选和热管理，延长可用容量并防止达到电压限制。 |
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