锂离子电池包中的电芯不一致性是由什么引起的？在电池研发过程中，如何使用电池测试系统评估均衡效果？

当串联连接的锂离子电芯不再表现出相同特性时，就会产生电芯不一致性。 其主要原因包括制造差异、内阻和容量不同、初始SOC不一致、自放电差异、库仑效率变化、老化以及温度不均匀。在电池研发过程中，测试系统会在电芯和电池包两个层面评估这些差异，然后验证均衡策略是否改善了电压和SOC的一致性、可用容量、能量效率及热行为。

核心要点： 不能仅通过端电压是否变得接近来判断均衡效果。可靠的电池测试系统必须确定电芯是否在影响电池包性能的基础参数上实现了趋同，包括电阻、极化、容量、SOC、电流分配和能量利用率。

电芯不一致性为何会产生

制造差异造成初始不匹配

同一批次生产的电芯在最大容量、欧姆内阻、极化特性和自放电速率方面也可能存在差异。初始阶段的小差异可能是可接受的，但经过反复循环后会变得更加明显。

因此，在组装电池包之前，应对电芯进行筛选和分档。容量、内阻、自放电和退化速率都是重要的匹配标准。

老化会放大原有差异

电芯的老化速率并不完全相同。内阻略高的电芯可能产生更多热量、经历更大的电压极化，并承受比相邻电芯更严重的工作应力。

随着时间推移，这种正反馈会扩大电芯之间的差异，并降低整个电池包的可用容量。

初始SOC不平衡导致工作裕量不同

如果电芯在充电或放电循环开始时具有不同的荷电状态，它们会在不同时间达到电压限制。最先达到上限或下限截止电压的电芯可能迫使整个串联电芯组停止工作，即使其他电芯仍然含有可用能量。

这就是为什么电池包容量通常由最弱或限制性最强的电芯决定，而不是由各电芯标称容量简单相加得到。

自放电和库仑效率存在差异

电芯在静置期间的电荷损失速率可能不同。温度梯度会加剧这种差异，尤其是在不同电芯经历不同热条件时。

库仑效率的微小差异也会在多个循环中累积。即使每个循环保留的电荷量只有轻微差别，最终也可能形成明显的SOC不匹配。

热条件不均匀会加速不平衡

温度差异源于发热量不同、内阻变化以及冷却或散热条件不对称。

由于温度会影响电阻、自放电、反应动力学和老化过程，热不均匀性既可能造成电气不一致，也可能进一步加剧这种不一致。

电池测试系统测量的内容

电压差是必要指标，但并不充分

BMS或测试系统可以比较各个电芯的电压，但电压本身无法直接反映存储电量。锂离子电芯具有非线性的开路电压与SOC关系，因此相同的电压差在不同工作区域可能代表不同的SOC差异。

因此，电压趋同是一个有用的可观测指标，但应结合经过校准的OCV-SOC数据和其他电芯参数进行解释。

欧姆内阻揭示电流分配问题

测试仪会测量或估算每个电芯的欧姆内阻R。电阻差异会影响电压降、发热量、功率能力以及电池包内部的电流分配。

内阻较高的电芯可能更早达到充电或放电截止条件，即使其实际SOC并不是整个串联电芯组中最低或最高的。

极化电压识别动态不匹配

极化电压Up反映了除纯欧姆压降之外，与电化学效应和瞬态效应相关的电压行为。

跟踪极化有助于区分那些静置时看起来相似、但在负载下或充电过程中响应不同的电芯。在使用真实电流曲线而非仅在平衡状态下评估均衡效果时，这一点非常重要。

容量决定电池包的可用能量

测试系统通过受控充放电测试测量每个电芯的实际容量Q。容量分散程度表明每个电芯在达到电压限制之前能够贡献多少可用电荷。

包含一个低容量电芯的电池包可能需要通过均衡和运行限制来保护该电芯，但均衡无法恢复因老化而损失的容量。

SOC估算支持有意义的均衡评估

测试系统利用测得的电流、电压、容量以及OCV-SOC关系，估算或推导各个电芯的SOC。

SOC比单独的电压更具参考价值，因为均衡的目标是使电芯的可用电荷和工作裕量保持一致，而不仅仅是使瞬时端电压一致。

支路电流不平衡揭示电气负载不均

对于并联支路或模块，系统会监测电流分配。支路电流不均可能表明电阻不匹配、连接问题或热条件不均匀。

在评估模块级均衡并确认均衡电路不会对某个特定支路造成过大应力时，这项测量尤其重要。

研发过程中如何评估均衡效果

在均衡前建立基线

研究人员首先在规定条件下、未启用均衡的情况下，对电芯或电池包进行特性分析。基线应包括：

• 各电芯电压和SOC
• 容量和能量
• 内阻
• 极化响应
• 自放电特性
• 温度
• 支路电流或均衡电流
• 充电、放电和静置期间的差异变化

在应用均衡策略前后，应采用相同的测试条件。

跟踪充放电过程中的趋同情况

测试系统会记录各电芯参数最大值和最小值之间的差距随时间的变化。常用指标包括：

• 最大电芯电压差
• SOC差异范围
• 容量分散程度
• 电阻分散程度
• 极化电压差异范围
• 第一个电芯达到电压截止条件所需的时间
• 均衡电流和均衡持续时间

成功的均衡策略应减少有害差异，同时避免产生过多热量、能量损失或过长的测试时间。

评估能量利用率，而不仅是电压一致性

当均衡能够使电池包使用各个电芯中更多可用能量时，说明均衡是有效的。

研究人员会将电池包输出的容量和能量与各个电芯容量和能量的总和进行比较。同时还要检查容量最小的电芯是否得到充分利用，并确保其他电芯不会进入不安全的过充或过放状态。

验证充电结束时的行为

在充电结束时，系统会评估电芯是否达到适当的SOC分布。目标并不总是在每个瞬间都使所有电芯具有完全相同的电压，而是防止某个电芯过早达到限制，同时其他电芯仍处于明显欠充状态。

通过OCV-SOC关系，可以判断表面上的电压趋同是否对应有意义的SOC趋同。

在真实条件下评估均衡

均衡应在能够重现目标应用的多种工作条件下进行测试，包括不同的充电倍率、放电倍率、温度、SOC窗口和老化状态。

在低电流和均匀温度下表现良好的方法，当电阻不匹配和热梯度变得明显时，可能会降低效果。

均衡方法及其测试目标

耗能型均衡

被动式或耗能型均衡会从高电压电芯中移除多余能量，通常将其转化为热量。

电池测试系统会评估其均衡速率、发热量、能量损失、电压趋同情况以及对充电时间的影响。其主要优点是结构简单，但随着多余能量增加，其效率会降低。

非耗能型均衡

主动式或非耗能型均衡通过转移能量来实现均衡，而不是简单地将能量浪费掉。例如，分布式双向反激式DC-DC转换器架构可以将高电压电芯的多余能量转移回电池包，或转移至能量较低的电芯。

测试重点包括能量传输效率、均衡电流、电压和SOC趋同、转换器损耗、电磁或开关行为以及热性能。

选择评估标准

适用的方法取决于电芯不匹配程度、电池包尺寸、可接受成本、热限制和所需均衡速度。

测试系统应使用相同的电芯群体和运行曲线比较不同方法。否则，电芯选择或测试条件的差异可能会被误认为是均衡器带来的改进。

理解其中的权衡

电压趋同可能掩盖SOC差异

由于松弛效应、与负载相关的极化或非线性OCV-SOC曲线，两个电芯可能表现出相似的端电压，但具有不同的SOC。

因此，测试应在适当情况下包括静置时间、经过校准的OCV-SOC数据、库仑计量和容量测量。

均衡无法修复受损电芯

均衡可以重新分配电荷并减少运行不匹配，但无法恢复损失的活性材料、逆转严重的容量衰减或消除大幅增加的内阻。

对于出现异常退化的电芯，通常应通过筛选将其识别出来，并予以移除或隔离，而不是无限期地进行补偿。

被动均衡会浪费能量并产生热量

耗能型均衡实施简单，但多余能量会转化为热量。较高的均衡电流会增加热负荷，可能需要额外的热管理。

系统应同时测量均衡效果和均衡过程消耗的能量。

主动均衡增加了复杂性

非耗能型系统可以提高能量利用率，但需要额外的转换器、开关元件、控制逻辑、传感器和故障保护机制。

其评估必须包括转换损耗、控制稳定性、元件应力、失效模式和电磁兼容性，而不仅仅是最终电压差。

过度均衡会增加测试判断的模糊性

运行过于激进的均衡电路可能掩盖潜在的电芯老化，或因响应正常的动态电压差而持续转移能量。

在确定均衡阈值之前，研究人员应区分暂时性的电压极化与持续性的SOC或容量不匹配。

根据目标做出正确选择

应使用集成电气、热、容量和SOC测量功能的电芯与电池包测试系统，而不是仅依赖电压差异范围。

• 如果主要关注电芯匹配： 在将电芯组装成模块之前，根据容量、内阻、自放电、SOC和极化特性对电芯进行分档。
• 如果主要关注BMS算法开发： 根据实测OCV-SOC特性和实际SOC差异，对基于电压的不平衡检测进行校准。
• 如果主要关注被动均衡： 测量电压趋同、均衡时间、发热量和耗散能量。
• 如果主要关注主动均衡： 测量能量传输效率、均衡电流、SOC趋同、转换器损耗和热性能。
• 如果主要关注电池包能量利用率： 将电池包输出容量和能量与各个电芯能力的总和进行比较，尤其是在充放电截止点附近。
• 如果主要关注长期可靠性： 在老化循环期间重复进行一致性和均衡测试，同时跟踪内阻增长、容量衰减、温度差异和不平衡速率。

设计完善的电池研发项目会将均衡视为一个可测量的系统级性能问题：识别物理不匹配，量化其影响，并验证均衡方法在提升可用能量的同时，没有引入新的热风险或可靠性风险。

总结表：

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