串联电池包中的容量利用率如何定义？何时需要均衡？

容量利用率是串联电池包的可用容量除以其中容量最低电芯的最大可用容量。公式如下：

[ \text{容量利用率} = \frac{Q_{\text{电池包,max}}}{Q_{\text{最低电芯,max}}} \times 100% ]

只有当SOC不一致导致某个电芯提前达到充电或放电限值，从而使电池包无法使用其他电芯的可用容量时，串联电池包才需要均衡。

容量最低的电芯决定了串联电池包的基本容量上限。只有当可用电池包容量受不一致性而非电芯固有容量限制时，均衡才有意义。

容量利用率的定义

电池包容量

在串联电芯组中，相同的电流流经每个电芯。因此，电池包的可用容量受运行过程中最先达到电压或SOC限值的电芯限制。

电池包的最大可用容量是指在规定的测试条件下，在不违反任何电芯充电或放电限制的情况下，实际能够释放的容量。

以容量最低的电芯作为参考

相关参考值是电池包中容量最小的单个电芯的最大可用容量。

因此，容量利用率衡量的是电池包对其容量最低电芯理论上允许的容量的利用效率，而不是与所有电芯的平均容量或标称容量进行比较。

比值的解读

较高的利用率意味着电池包几乎释放了其容量最小电芯所能提供的全部容量。

较低的利用率表明，SOC不一致、内阻差异、极化、自放电、温度变化或老化等因素导致串联电池包在容量完全利用之前停止工作。

串联电池包容量受限的原因

电芯并非始终相同

制造差异会导致电芯具有不同的容量、内阻和初始SOC值。随着老化、不均匀温度以及不同自放电速率的影响，这些差异可能会进一步扩大。

因此，即使串联电芯承载相同的电流，其SOC值也可能不再相同。

电压限值会结束充放电循环

充电过程中，SOC较高或内阻较大的电芯可能在其他电芯充满之前达到上限电压。此时，充电器必须停止充电或降低电流，以避免该电芯过充。

放电过程中，SOC较低或容量较小的电芯可能首先达到下限电压。此时必须停止放电，以防止过放电。

仅凭端电压不足以作出判断

电压差异可以表明存在不一致性，但无法完整揭示其原因。相近的端电压可能掩盖内阻、极化电压、实际容量或SOC方面的差异。

为了可靠地决定是否需要均衡，测试应评估这些内部参数和容量相关参数，而不能只依赖瞬时电压差异。

何时需要均衡

容量最低的电芯提前达到限值

当由于电芯之间存在不同的SOC值，容量最低的电芯无法在循环的适当阶段完成充电和放电时，就需要进行均衡。

实际来说，电池包在各电芯尚未以一致方式利用其可用工作范围之前，就已经受到不一致性的限制。

均衡可以提升电池包容量

当重新分配电荷能够延迟第一个电芯达到充电或放电限值时，均衡就是合理的。

这可以使电池包获得容量最低电芯所提供的更多可用容量，并可能提高测得的容量利用率。

必须依据测量结果作出决定

电池研发工程师通过受控充放电测试和一致性分析来确定是否需要均衡。

重要测量项目包括：

• 电芯实际容量，（Q）
• 荷电状态，SOC
• 直流内阻或欧姆内阻，（R）
• 极化电压，（U_p）
• 支路电流不一致性
• 循环过程中的电芯和电池包电压变化

这些测量可以区分由电芯实际性能较弱导致的容量限制，以及由可纠正的SOC不一致导致的容量限制。

何时均衡无法发挥作用

最弱电芯已经决定了实际限制

如果容量最小的电芯始终最先达到充满电和完全放电限值，同时其他电芯没有发生过充或过放，那么电池包就是按照其固有容量限制运行的。

在这种情况下，均衡无法增加总可用容量。限制因素是电芯的实际最大容量，而不是可以消除的电荷不一致。

均衡无法创造缺失的容量

均衡可以重新分配电荷，但无法恢复因老化、性能衰退、内阻增加或永久性损坏而损失的容量。

在这种情况下进行均衡只会增加运行复杂度和能耗，却不会提高电池包的可用容量。

均衡必须具有可测量的目标

均衡策略应仅在能够带来切实改善时运行，例如提高放电容量、改善充电接受能力、促进电压收敛或降低单个电芯的应力。

如果无法实现此类改善，持续均衡可能会浪费能量，并加速不必要的电路运行。

了解其中的权衡

被动均衡

耗能型或被动均衡会从SOC较高的电芯中消耗多余电荷，通常将其转化为热量。

这种方法相对简单，但耗散的能量会降低效率，并可能增加热管理要求。

主动均衡

非耗能型或主动均衡会将能量从高电压或高SOC电芯转移到低电压或低SOC电芯。

双向反激式DC-DC转换器等方法可以提高能量利用率，但需要更复杂的硬件、控制逻辑和验证工作。

过度均衡

对每一个可检测到的电压差异都进行均衡可能适得其反。电压差异可能源于暂态极化或电阻变化，而不是有实际意义的SOC不匹配。

因此，均衡阈值应与测得的容量、SOC、内阻和极化特性相关联。

硬件成本和控制复杂度

性能更强的均衡电路可以在更广泛的电芯不匹配条件下改善性能，但也会增加电池包体积、成本、控制复杂度和测试要求。

表征数据可以帮助工程师根据实际不一致条件选择尺寸合适的硬件，而不是依据运行中从未出现的最坏情况进行设计。

根据目标作出正确选择

正确的决策取决于电池包的限制是由可纠正的不一致性导致，还是由最弱电芯的固有容量导致。

• 如果您的主要目标是测量电池包容量：将电池包的最大可用容量与容量最小电芯的最大可用容量进行比较，并分析哪个电芯最先达到其限值。
• 如果您的主要目标是决定是否需要均衡：当SOC不一致导致充电或放电提前受限，并且均衡能够增加电池包可用容量时，启用均衡。
• 如果您的主要目标是提高能量效率：优先选择其能耗可通过容量利用率和电压收敛方面的实测提升得到合理证明的均衡策略。
• 如果您的主要目标是诊断电芯不一致性：评估容量、SOC、内阻、极化电压和电流不一致性，而不是仅依赖端电压差异。

只有当能量限制因素是不一致性，而不是最弱电芯的真实容量时，串联电池包才值得进行均衡。

汇总表：

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