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什么是電芯不平衡？
電池組由許多電芯連接在一起組成。當(dāng)這些電芯的任何屬性或狀態(tài)不同時(shí)，電池組就會(huì)失去平衡。不平衡的電芯會(huì)鎖住原本可用的能量并增加電池的衰減。不平衡的電芯無(wú)法完全充電或完全放電，并且不平衡會(huì)導(dǎo)致電芯以更快的速度磨損和衰減。這既降低了每個(gè)循環(huán)的收益，也縮短了電池的使用壽命。
電芯差異在制造和運(yùn)行過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)。在制造過(guò)程中，電池組可能由荷電狀態(tài) (SoC)、容量、阻抗或使用年限略有不同的電芯組裝而成，這意味著組裝后的電池組從一開(kāi)始就不平衡。在運(yùn)行過(guò)程中，電芯的排列以及集電器、母線和互連器的布局等設(shè)計(jì)因素可能會(huì)導(dǎo)致電池組失去平衡。對(duì)于大型電池組（例如儲(chǔ)能系統(tǒng)），即使是電池組接收的陽(yáng)光或陰影量也可能導(dǎo)致電池組變得不平衡。
無(wú)論原因如何，平衡問(wèn)題通常表現(xiàn)為串聯(lián)電芯之間的 SoC 不同。雖然并聯(lián)芯可能會(huì)動(dòng)態(tài)地彼此失衡，但并聯(lián)電芯不平衡往往會(huì)隨著時(shí)間的推移自然解決。本文將重點(diǎn)介紹更常見(jiàn)且可糾正的串聯(lián)電芯平衡問(wèn)題。
為什么平衡電池至關(guān)重要
不平衡的電芯會(huì)在短期和長(zhǎng)期內(nèi)給您帶來(lái)?yè)p失。當(dāng)不平衡的電池充電或放電時(shí)，其容量會(huì)低于標(biāo)稱容量，從而導(dǎo)致每次循環(huán)的收入損失。此外，讓電池組恢復(fù)平衡可能需要幾天或幾周的平衡停機(jī)時(shí)間，在此期間電池組無(wú)法使用。此外，定期循環(huán)不平衡的電池組會(huì)比保持平衡的電池組性能下降得更快。
一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是一個(gè)標(biāo)稱容量為 1000 kWh（1 MWh）的小型儲(chǔ)能系統(tǒng)。電池組由 100 個(gè)串聯(lián)電芯組成，每個(gè)串聯(lián)電芯可存儲(chǔ) 10 kWh 的能量。除了一個(gè)電芯不平衡且僅為 90% SoC 外，所有電池均在 100% SoC 下充滿電。
由于這一個(gè)電池，整個(gè)電池組存儲(chǔ)了 999 千瓦時(shí)的電量，即 1000 千瓦時(shí)減去未充滿電的電池的 1 千瓦時(shí)。然而，由于一個(gè)弱電芯，電池組只能使用 900 千瓦時(shí)（90%）的電量。剩余的 99 千瓦時(shí)的容量已存儲(chǔ)但無(wú)法使用。這種不平衡的電池組意味著每個(gè)周期提供的電量比標(biāo)稱容量少 10%，鎖定了您支付的容量并增加了每個(gè)電池的衰減。
電池平衡
解決方案是電池平衡，即在電池之間移動(dòng)能量，使它們達(dá)到相同的 SoC。在上面的例子中，平衡會(huì)將 SoC 為 90% 的電芯提升至與其他 SoC 為 100% 的電池相匹配。因此，之前鎖定的能量被恢復(fù)，使電池組恢復(fù)到其標(biāo)稱容量。
BMS需要兩個(gè)關(guān)鍵要素才能正確平衡電池組：平衡電路和平衡算法。雖然存在一些實(shí)現(xiàn)平衡電路的方法，但它們都依賴于平衡算法來(lái)了解哪些電池需要平衡以及何時(shí)需要平衡。
平衡算法：電池平衡的難度
到目前為止，我們一直假設(shè) BMS 知道 SoC 和每個(gè)串聯(lián)電池的能量。如果真是這樣，平衡算法可以快速識(shí)別哪些電池的能量過(guò)多或過(guò)少，并持續(xù)監(jiān)控和平衡這些電池。在糾正制造過(guò)程中的初始不平衡后，平衡算法可以持續(xù)糾正出現(xiàn)的輕微不平衡，從而防止將來(lái)出現(xiàn)電池組不平衡。
然而，這正是大多數(shù) BMS 的不足之處。盡管它們經(jīng)常報(bào)告 SoC 值，但大多數(shù)板載 BMS非常不準(zhǔn)確，無(wú)法估算單個(gè)串聯(lián)電芯的 SoC。由于 SoC 無(wú)法直接測(cè)量，BMS 通常將其可以測(cè)量的電池電壓視為 SoC 的簡(jiǎn)單替代品。
遺憾的是，電池電芯的電壓易受外界因素影響，例如溫度、使用年限、負(fù)載、充電，甚至滯后，或最近的使用情況。因此，電池電壓無(wú)法可靠地替代 SoC。對(duì)于磷酸鐵鋰 (LFP) 等現(xiàn)代化學(xué)材料，電壓作為 SoC 的衡量標(biāo)準(zhǔn)甚至更不可靠，因?yàn)榱姿徼F鋰 (LFP) 的電壓和 SoC 之間存在高度非線性關(guān)系。
低至 40mV 的開(kāi)路電壓 (OCV) 就會(huì)掩蓋靜止 LFP 電池 96% 和 38% SoC 之間的差異。
如果加上磁滯，用電壓代替 SoC 就更加不準(zhǔn)確了。根據(jù)最近的電池使用情況，相同的電壓可能意味著不同的 SoC。
其他因素使電壓更加不可靠。溫度、電池壽命、電池負(fù)載和其他因素都會(huì)降低電壓的可用性。
當(dāng)使用電池電壓來(lái)猜測(cè) SoC 時(shí)，典型的 BMS 使用稱為“頂部”或“底部”平衡的算法。在這些算法中，BMS 僅在電池電壓在 100% SoC 時(shí)接近最大值或在 0% SoC 時(shí)接近最小值時(shí)嘗試平衡。因此，在電池通常不會(huì)充電到 100% 或放電到 0% 的典型使用模式下，電池平衡算法在常規(guī)操作期間很少有機(jī)會(huì)平衡。
此外，平衡電路通常只能在 24-72 小時(shí)的平衡時(shí)間內(nèi)平衡串聯(lián)電池 SoC 的 1%。因此，許多 BMS 無(wú)法跟上。BMS 無(wú)法保持電池組平衡或糾正不平衡的電池組。問(wèn)題不在于平衡電路，而在于無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)串聯(lián)電池 SoC 的算法。
使用這些 BMS 進(jìn)行平衡的唯一解決方案是在定期運(yùn)行間隔內(nèi)進(jìn)行專門(mén)的停機(jī)。停機(jī)時(shí)間可使電池組在幾天甚至幾周內(nèi)保持完全充電或放電狀態(tài)，以便進(jìn)行平衡。由于電池在日常使用中會(huì)再次變得不平衡，因此停機(jī)成為常態(tài)，每次循環(huán)容量減少都會(huì)讓您損失金錢(qián)，停機(jī)期間還會(huì)損失收入。
為什么 Zitara 更好
Zitara 徹底解決了這個(gè)問(wèn)題。Zitara 不再通過(guò)查看電壓信號(hào)來(lái)尋找一個(gè)狹窄的平衡窗口，而是從電池電芯的精確模型開(kāi)始，并在任何條件下跟蹤每個(gè)串聯(lián)電池的 SoC。
使用 Zitara，平衡在任何使用模式下都會(huì)持續(xù)發(fā)生。無(wú)論電池是充電、放電、靜止、過(guò)熱、過(guò)冷、滿電、空電還是介于兩者之間，Zitara Live 都會(huì)持續(xù)準(zhǔn)確地跟蹤每個(gè)電池的 SoC。使用 Zitara Live，持續(xù)平衡可消除停機(jī)時(shí)間。持續(xù)平衡可確保電池的總標(biāo)稱容量在每個(gè)周期內(nèi)都得到傳輸，不會(huì)鎖定任何能量或收益。您支付了整個(gè)電池的費(fèi)用 - Zitara 讓您使用它。
電池平衡常見(jiàn)問(wèn)題解答
如果電池不平衡會(huì)發(fā)生什么情況？
電池失衡會(huì)造成問(wèn)題。它們會(huì)鎖住原本可用的能量，并增加電池性能下降。例如，當(dāng) BMS 檢測(cè)到一個(gè)電池已達(dá)到放電終點(diǎn)時(shí)，BMS 會(huì)關(guān)閉整個(gè)電池組，即使其他電池還有剩余電量。這既會(huì)降低每個(gè)循環(huán)的容量，也會(huì)縮短電池的使用壽命。
電池平衡的目標(biāo)是什么？
電池電芯平衡可使失衡的電池組恢復(fù)平衡，并積極保持平衡。電芯平衡可利用電池組中的所有能量，減少電池組的磨損和退化，從而最大程度地延長(zhǎng)電池壽命。
平衡電芯需要多長(zhǎng)時(shí)間？
許多電池組都帶有功率不足的平衡算法，導(dǎo)致它們需要幾天或幾周的停機(jī)時(shí)間才能進(jìn)行平衡。使用精確的板載電池模型，可以連續(xù)進(jìn)行平衡，完全不需要任何專門(mén)的平衡時(shí)間。
電池平衡電路的常見(jiàn)類型有哪些？
被動(dòng)：被動(dòng)平衡電路使用電阻器和電子開(kāi)關(guān)選擇性地從串聯(lián)電池電芯中移除能量。能量不能在串聯(lián)電池電芯之間移動(dòng)，只能從單個(gè)電池電芯中移除。結(jié)合精確的平衡算法，可以平衡能量過(guò)多的電池電芯，以移除多余的能量，并使它們與電池組的其余部分恢復(fù)平衡。
主動(dòng)：主動(dòng)平衡電路使用電子開(kāi)關(guān)在串聯(lián)電池之間選擇性地移動(dòng)能量。與被動(dòng)平衡一樣，需要精確的平衡算法來(lái)識(shí)別要將能量移至的電池和移出電池的電池，以使整個(gè)電池組達(dá)到平衡。
什么是頂部平衡和底部平衡？
頂部和底部平衡分別描述了當(dāng)電池組完全充電或完全放電時(shí)平衡算法是否對(duì)電池電芯起作用。這是基于電壓的平衡算法施加的限制，限制了平衡發(fā)生的時(shí)間?；?SoC 的平衡算法（例如 Zitara Live）允許連續(xù)平衡，從而消除了電壓平衡算法的限制。
