电芯间的不一致性会降低串联电池组的可用容量和可用功率。 电池组受到最先达到电压极限的电芯的约束：荷电状态（SOC）最高或容量最低的电芯决定了充电的截止，而SOC最低或最弱的电芯则决定了放电的截止。结果，原本健康电芯中存储的能量无法被利用，且电池组的峰值充放电功率可能远低于各单体电芯性能的总和或平均值。
在串联电池组中，实际性能由极端电芯决定，而非平均电芯。容量受限于最先达到充放电截止电压的电芯，而功率则受限于在电流作用下电压变化最剧烈的电芯。
为什么不一致性会限制串联电池组
所有电芯流过相同的电流
串联连接的电芯承载相同的电流。这意味着单个电芯无法独立补偿相邻电芯容量较低、电阻较高或SOC不同的情况。
因此，当任何一个电芯达到其允许的电压边界时，整个电池组必须停止充电或放电。
平均电芯并非电池组的可用电芯
一个电池组可能具有良好的平均容量，但该平均值并不能决定可以安全输送多少能量。可用容量主要受限于放电可用性最差的电芯，以及充电时剩余充电接收空间最小的电芯。
这就是为什么串联电池串输送的能量可能少于其标称电芯容量之和的原因。
对可用容量的影响
充电在最满的电芯达到极限时停止
充电过程中，SOC最高、容量最低或电压上升最快的电芯会最先达到上限电压截止点。此时，电池管理系统或测试系统必须终止或降低整个串联电池串的充电电流。
其他电芯可能仍有可用容量，但如果不冒限制电芯过压的风险，电池组无法安全地继续充电。
放电在最弱的电芯耗尽时停止
放电过程中，SOC最低或可用容量最小的电芯会最先达到下限电压截止点。其余电芯可能仍含有大量能量，但继续放电可能会导致限制电芯过放。
在严重情况下，将弱电芯驱动至其极限之外可能会导致电压反转、内部气体积聚、膨胀、漏液或永久性损坏。
充电接收能力和放电可用性同样重要
电池组的利用率可以通过两个极限来观察：
- 放电可用性： 在第一个电芯达到其最低电压之前，电池串可以安全输送多少能量。
- 充电接收能力： 在第一个电芯达到其最高电压之前，电池串可以安全接收多少额外能量。
电芯不一致性会降低其中一个或两个指标。因此，电池组在放电结束时可能仍有未使用的能量，在充电结束时可能有未使用的存储空间。
SOC不平衡在运行中加剧
自放电、充电效率、温度和老化方面的差异会导致电芯SOC值随时间推移而产生偏差。由此产生的不平衡使得电池组越来越早地达到充放电截止点。
这会形成一个反馈循环：电池组的可用性降低，电芯承受更不均匀的压力，容量差异进一步加速。
对功率输出的影响
电阻不匹配导致不均匀的电压降
对于给定的电池组电流，内阻较高的电芯在放电过程中会经历更大的电压降。即使其他电芯仍处于正常工作范围内，其端电压也可能达到下限截止点。
结果就是电池组提早关断，可用放电功率降低。
在充电过程中，同样的电阻和极化差异可能导致一个电芯的电压迅速升高。该电芯可能在电池组能够接收预定充电电流之前就达到上限截止点。
电压极限附近的极化增加
接近充满电或深度放电的电芯表现出更大的极化电压。这降低了在不违反电压极限的情况下可以施加的电流。
因此，SOC和极化行为的不一致性不仅会降低可用能量，还会降低整个电池组的动态功率能力。
峰值功率由限制电芯决定
SOC最高的电芯通常限制充电功率，因为它最先达到上限电压阈值。SOC最低的电芯通常限制放电功率，因为它最先达到下限阈值。
在SOC过高或过低时，功率与SOC之间的关系可能变得非常陡峭。因此，即使是适度的SOC不匹配也可能导致电芯之间峰值功率产生不成比例的巨大差异，并大幅降低电池组层面的安全功率极限。
串联优先设计特别脆弱
在以串联为主的架构中，高电阻电芯承载与其他电芯相同的电流，但会遭受更大的电压偏差。在重负载下，即使其他电芯保持健康，它也可能触发电池组关断。
并联连接可以通过允许相邻电芯分担电流来部分减轻弱电芯的影响，但它们并不能消除对电芯匹配和监控的需求。
电池测试如何揭示问题
在组装前分别测量电芯
仅凭电池组层面的电压无法可靠地揭示每个电芯的真实SOC或SOE（剩余能量）。制造公差、初始SOC差异、容量变化和老化可能导致端电压相似的电芯具有不同的剩余能量。
在将电芯组装成串联电池串之前，应通过单体电芯测试来表征其容量、直流电阻、极化行为、SOC和自放电。
跟踪电压、电流、温度和压力
先进的电池测试系统应监控每个电芯，而不是仅监控电池组总电压。电芯级电压可以识别第一个接近截止点的电芯，而温度和压力测量有助于揭示异常电阻、老化或与安全相关的行为。
这些测量可以区分电池组受限主要是由容量不匹配、SOC不平衡、电阻变化还是热条件引起的。
谨慎使用OCV–SOC数据
电池组的平均开路电压（OCV）曲线并不一定与单个电芯的曲线相匹配。因此，单体电芯的OCV–SOC关系和能量测量对于构建精确的电池组SOC和SOE估算模型非常有价值。
如果没有这些电芯级信息，电池组可能看起来已充分充电或放电，而实际上某个电芯已经接近损坏极限。
理解权衡
更多可用能量与更长电芯寿命
在更接近单个电芯电压极限的情况下运行可以增加表观电池组容量，但这也会增加过充、过放和加速退化的风险。保守的充放电阈值通常会降低即时可用容量，同时提高安全性和循环寿命。
均衡无法创造缺失的容量
均衡可以重新分配SOC并防止某个电芯过早达到截止点。它无法恢复因老化而损失的容量，无法修复高电阻电芯，也无法使本质上容量不足的电芯与其他电芯等同。
因此，当均衡与精确的电芯分级以及对缺陷或严重老化电芯的适当更换相结合时，效果最为显著。
更严格的匹配增加了制造和测试工作量
减少电极加工、组装、容量、电阻和初始SOC方面的差异需要更严格的工艺控制和更广泛的筛选。这增加了开发和生产工作量，但提高了电池组的利用率、功率一致性以及电池寿命评估的准确性。
没有电芯级数据，电池组测试结果可能会产生误导
测得的电池组容量或功率下降并不自动意味着所有电芯都均匀老化。一个限制性电芯可能会主导结果，掩盖其余电芯的状况。
因此，仅测试整体电池组可能会低估健康电芯的性能，并无法识别电池组退化的具体来源。
如何将其应用于您的项目
适当的评估方法取决于优先考虑的是能量、功率、安全性还是寿命。
- 如果您的主要关注点是可用容量： 测量单个电芯的容量、初始SOC、充电接收能力和放电可用性，然后评估第一个电芯达到每个电压截止点的早晚。
- 如果您的主要关注点是峰值功率： 在预期的电流、温度和SOC范围内表征每个电芯的内阻和极化。
- 如果您的主要关注点是循环寿命： 跟踪电芯级的电压、温度、SOC偏差和电阻增长，而不是仅依赖电池组总测量值。
- 如果您的主要关注点是电池组安全： 根据第一个达到边界的电芯设置保护限制，并防止可能导致过充、过放或电压反转的持续运行。
- 如果您的主要关注点是精确的性能比较： 使用组装前的容量分级、电芯匹配、受控均衡和单体电芯测量，以便电池组结果反映的是设计本身，而不是不可控的不匹配。
核心设计原则很简单：串联电池组的性能由最先达到极限的电芯决定，因此精确的电芯表征和均衡对于恢复电池组平均规格所暗示的能量和功率至关重要。
总结表：
| 因素 | 对可用容量的影响 | 对功率输出的影响 |
|---|---|---|
| SOC最高的电芯 | 限制充电容量（最先达到上限截止点） | 限制充电功率（电压上升过陡） |
| SOC最低/最弱的电芯 | 限制放电容量（最先达到下限截止点） | 限制放电功率（电压降过严重） |
| 高内阻 | 因提早截止而降低可用能量 | 负载下产生大电压降，限制功率 |
| 极化 | 防止在极限附近完全充电 | 降低电压极限附近的动态功率能力 |
| SOC不平衡 | 随时间增长，缩小充放电窗口 | 加剧电芯间的功率不对称 |
关键要点： 在串联电池组中，极端电芯决定性能，而非平均电芯。
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