基于端电压的均衡在中等SOC范围内存在问题，是因为锂离子电池的电压变化过小，无法反映有意义的SOC差异。在中等SOC的平坦区域内，1%的SOC不匹配可能只产生几毫伏的电压差，因此很难将真实的不均衡与测量噪声区分开来。在负载或充电条件下，内阻差异和极化还会引入额外的电压误差，因此基于电压的系统可能会均衡错误的电芯，或者启动得过晚。
核心问题在于，端电压是SOC的间接且不稳定的指标。基于SOC的均衡会估算每个电芯的实际荷电状态，将其与电池组层面的目标值（例如平均SOC）进行比较，并更早开始均衡，从而降低峰值均衡电流、发热、硬件尺寸以及电池组容量损失。
端电压为何会失去诊断价值
中等范围内的锂离子电压相对平坦
开路电压与SOC之间的关系是非线性的。在某些低SOC区域，SOC变化1%可能会产生几十毫伏的电压变化；但在约75–85%这样的中高SOC范围内，SOC每变化1%，电压变化可能只有约3 mV。
这意味着，实际SOC存在差异的两个电芯，仅通过端电压进行评估时，可能看起来几乎完全相同。
微小电压差很容易被掩盖
几毫伏的电压差可能与测量噪声、传感器偏移、ADC分辨率、线路电阻以及连接器压降处于同一量级。因此，基于电压的BMS可能要等到电芯接近充电曲线接近满电时的陡峭区域，才能检测到有意义的不均衡。
这是一个根本性的可观测性问题：电芯在内部存在差异，但测得的电压无法提供足够的信息来可靠识别这种差异。
端电压不等于平衡电压
端电压所包含的信息不止是电芯的平衡电压或开路电压。其简化表示如下：
[ V_\text{terminal} \approx V_\text{OCV}(SOC) - I R_\text{DC} - V_\text{polarization} ]
具体行为取决于电芯化学体系、电流方向、温度、历史状态以及模型假设。因此，较高的端电压并不总是意味着电芯具有成比例更高的SOC。
基于电压的均衡为何启动过晚
均衡可能只会在接近满电时开始
当电压-SOC曲线较为平坦时，电压阈值无法在充电周期的大部分时间内可靠识别不均衡。均衡器可能一直处于未激活状态，直到某个电芯达到上限电压阈值。
此时，可用于均衡的时间已经很短，尽管潜在的SOC不匹配可能在整个周期内一直存在。
启动过晚需要较高的均衡功率
如果均衡只在充电结束阶段开始，均衡器就必须快速移除或转移累积的SOC差异。这会提高所需的峰值均衡电流，并可能迫使系统采用更大的电感、开关、散热路径和控制硬件。
与在整个充电期间分散进行均衡相比，这会导致均衡系统成本更高、物理尺寸更大。
高电流会增加热应力
高功率均衡器会在均衡电路中产生更多热量；在耗散式系统中，还会将更多储存的电池能量直接转化为热量。这会提高热管理要求，并可能恶化导致电芯老化的工作条件。
持续的低电流修正通常比短时间的高电流均衡更容易散热，也更少造成干扰。
负载条件为何会使电压判断不稳定
内阻会改变电压排序
电芯的直流内阻并不完全相同。在充电过程中，内阻较高的电芯可能因更大的电阻压升而表现出更高的端电压，即使其实际SOC并不是最高的。
在放电过程中，同样的电阻差异可能会产生更大的电压降。因此，电芯的表观排序可能会随电流方向和大小而改变。
极化会引入额外误差
极化电压取决于近期电流、充放电历史以及松弛特性。两个SOC相近的电芯可能因电化学响应不同而显示不同的端电压。
反过来，SOC不同的电芯也可能暂时显示相似的电压。因此，基于瞬时电压比较的均衡可能会针对错误的电芯，或者随着工作条件变化而反复改变判断。
电芯排序可能发生反转
某个电芯在充电过程中看似具有最高电压，但在移除电流并经过松弛后，它可能并不是SOC最高的电芯。当均衡逻辑假设测得电压最高的电芯始终是需要放电的电芯时，这种电压排序反转尤其棘手。
基于SOC的均衡如何解决这一问题
SOC成为控制变量
基于SOC的均衡会估算每个独立电芯的荷电状态，而不是将端电压视为储存电荷的直接测量值。随后，控制器将每个电芯的估算SOC与目标值进行比较，该目标值通常为串联电池组的平均SOC。
典型的控制关系如下：
[ SOC_\text{target} \approx \frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N} SOC_i ]
高于目标值的电芯会被放电或向外转移能量，低于目标值的电芯则会被充电或接收能量。
均衡可以更早开始
由于基于SOC的控制不依赖充电后期的电压分化，因此可以在充电周期更大的时间范围内运行。均衡器会在电芯进入高电压区域之前逐步减小SOC差异。
这样可以将均衡工作分散到整个时间段内，避免将全部修正集中在接近满电的阶段。
均衡器可以更小
早期、持续的均衡可以降低在给定SOC不匹配下所需的峰值电流，从而减小均衡电路的尺寸、成本和热负荷。
这一优势适用于耗散式和非耗散式系统，尽管两者的电路行为不同：电阻式均衡会将多余能量以热量形式消耗掉，而电荷转移系统则会在电芯之间或电芯与电池组之间转移能量。
电池组容量得到更有效的利用
在串联连接的电池组中，可用容量受最先达到充电或放电限制的电芯所约束。通过按SOC对电芯进行一致化，可以帮助它们更接近同时达到这些限制。
这能够改善高端一致性，减少由单个异常电芯导致的提前截止，并增加电池组实际可用的能量。
可靠的基于SOC的控制需要什么
准确的电芯特性表征
SOC估算依赖于电芯专属信息，例如放电容量、OCV-SOC特性、内阻、温度响应以及老化状态。这些参数应在受控测试条件下进行测量，而不是假设所有电芯完全相同。
因此，电池测试系统在研发过程中非常重要：它们能够提供区分真实电芯差异与测量伪影所需的数据。
合适的状态估算器
由于SOC通常无法在运行期间直接测量，BMS必须对其进行估算。库仑计数、OCV修正、等效电路模型以及扩展卡尔曼滤波器等状态估算器可以结合使用，以提高准确性。
估算器必须考虑电流、电压、温度、模型误差以及累积测量漂移。不准确的SOC估算可能只是用另一种均衡错误取代了原有错误。
明确的均衡控制区间
控制器不应试图消除每一个微小的估算SOC差异。相反，应使用可接受的SOC区间或死区，以避免不必要的切换、振荡和能量消耗。
该区间应反映估算器精度、电芯差异、均衡器分辨率、热限制以及电池组的性能目标。
了解其中的权衡
SOC估算更加复杂
基于SOC的均衡需要电流测量、模型开发、参数识别、状态估算软件，以及在不同温度和老化条件下进行验证。它比应用简单的电压阈值更加复杂。
当电池组容量、使用寿命或均衡效率十分重要时，这种复杂性是合理的，但它也会增加开发和验证要求。
必须管理估算误差
SOC估算可能因电流传感器偏移、容量值不准确、温度变化、模型不匹配和电芯老化而发生漂移。系统应使用适当的修正机制，并根据测得的电芯行为验证估算器。
电压仍可作为安全限制，也可作为估算器的输入之一，但不应被视为唯一的均衡目标。
均衡无法修复性能较弱的电芯
均衡可以减小SOC差异，但无法恢复损失的活性材料、消除异常自放电，或修复内阻显著升高的电芯。发生故障的电芯可能需要隔离或更换，而不是采用越来越激进的均衡方式。
均衡架构仍然很重要
耗散式均衡器结构更简单，但会将能量以热量形式浪费掉。非耗散式均衡器可以提高能量利用率，但需要更复杂的功率转换和更精确的控制。
基于SOC的决策逻辑可以改善均衡对象的选择，但无法消除所选均衡硬件在电气、热和成本方面的权衡。
根据目标做出正确选择
合适的策略取决于优先考虑的是简单性、测量精度、容量利用率还是电池组的长期性能。
- 如果您的主要关注点是简单保护：将端电压用作安全和截止信号，但不要仅依靠它来确定中等SOC范围内的均衡目标。
- 如果您的主要关注点是准确评估电池组：在设计均衡算法之前，先对每个电芯的容量、OCV-SOC曲线、电阻和温度特性进行表征。
- 如果您的主要关注点是最大化可用能量：采用基于SOC或容量的均衡，使电芯能够同时接近充放电限制。
- 如果您的主要关注点是降低硬件成本和发热：以较低电流更早开始均衡，而不是等到接近满电时出现较大的电压差。
- 如果您的主要关注点是实现稳健的BMS运行：将SOC估算与电压、电流、温度和电阻信息结合起来，而不是将任何单一测量结果视为绝对依据。
基于SOC的均衡将均衡过程从迟到的响应转变为可测量的控制过程，使电池组能够更加均匀、高效且可靠地利用各个电芯。
总结表：
| 基于电压的均衡存在的问题 | 基于SOC的均衡解决方案 |
|---|---|
| 中等SOC范围内电压平坦，SOC变化1%仅产生约3 mV的电压变化 | 直接估算SOC，实现精确的不均衡检测 |
| 接近满电时才启动 | 更早开始均衡，覆盖整个周期 |
| 峰值电流高，硬件尺寸更大 | 电流更低，均衡器更小 |
| 高功率带来的热应力 | 减少发热 |
| 内阻和极化造成的误差 | 采用稳健的估算模型（例如EKF） |
| 负载条件下电压排序可能反转 | 无论负载如何，SOC目标都保持一致 |
| 电池组可用容量降低 | 按SOC对电芯进行一致化，最大化可用能量 |
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