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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。當這些電芯的任何屬性或狀態(tài)不同時，電池組就會失去平衡。不平衡的電芯會鎖住原本可用的能量并增加電池的衰減。不平衡的電芯無法完全充電或完全放電，并且不平衡會導致電芯以更快的速度磨損和衰減。這既降低了每個循環(huán)的收益，也縮短了電池的使用壽命。
電芯差異在制造和運行過程中都會出現(xiàn)。在制造過程中，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始就不平衡。在運行過程中，電芯的排列以及集電器、母線和互連器的布局等設計因素可能會導致電池組失去平衡。對于大型電池組（例如儲能系統(tǒng)），即使是電池組接收的陽光或陰影量也可能導致電池組變得不平衡。
無論原因如何，平衡問題通常表現(xiàn)為串聯(lián)電芯之間的 SoC 不同。雖然并聯(lián)芯可能會動態(tài)地彼此失衡，但并聯(lián)電芯不平衡往往會隨著時間的推移自然解決。本文將重點介紹更常見且可糾正的串聯(lián)電芯平衡問題。
為什么平衡電池至關重要
不平衡的電芯會在短期和長期內給您帶來損失。當不平衡的電池充電或放電時，其容量會低于標稱容量，從而導致每次循環(huán)的收入損失。此外，讓電池組恢復平衡可能需要幾天或幾周的平衡停機時間，在此期間電池組無法使用。此外，定期循環(huán)不平衡的電池組會比保持平衡的電池組性能下降得更快。
一個簡單的例子是一個標稱容量為 1000 kWh（1 MWh）的小型儲能系統(tǒng)。電池組由 100 個串聯(lián)電芯組成，每個串聯(lián)電芯可存儲 10 kWh 的能量。除了一個電芯不平衡且僅為 90% SoC 外，所有電池均在 100% SoC 下充滿電。
由于這一個電池，整個電池組存儲了 999 千瓦時的電量，即 1000 千瓦時減去未充滿電的電池的 1 千瓦時。然而，由于一個弱電芯，電池組只能使用 900 千瓦時（90%）的電量。剩余的 99 千瓦時的容量已存儲但無法使用。這種不平衡的電池組意味著每個周期提供的電量比標稱容量少 10%，鎖定了您支付的容量并增加了每個電池的衰減。
電池平衡
解決方案是電池平衡，即在電池之間移動能量，使它們達到相同的 SoC。在上面的例子中，平衡會將 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，使電池組恢復到其標稱容量。
BMS需要兩個關鍵要素才能正確平衡電池組：平衡電路和平衡算法。雖然存在一些實現(xiàn)平衡電路的方法，但它們都依賴于平衡算法來了解哪些電池需要平衡以及何時需要平衡。
平衡算法：電池平衡的難度
到目前為止，我們一直假設 BMS 知道 SoC 和每個串聯(lián)電池的能量。如果真是這樣，平衡算法可以快速識別哪些電池的能量過多或過少，并持續(xù)監(jiān)控和平衡這些電池。在糾正制造過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)常報告 SoC 值，但大多數(shù)板載 BMS非常不準確，無法估算單個串聯(lián)電芯的 SoC。由于 SoC 無法直接測量，BMS 通常將其可以測量的電池電壓視為 SoC 的簡單替代品。
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、負載、充電，甚至滯后，或最近的使用情況。因此，電池電壓無法可靠地替代 SoC。對于磷酸鐵鋰 (LFP) 等現(xiàn)代化學材料，電壓作為 SoC 的衡量標準甚至更不可靠，因為磷酸鐵鋰 (LFP) 的電壓和 SoC 之間存在高度非線性關系。
低至 40mV 的開路電壓 (OCV) 就會掩蓋靜止 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、電池負載和其他因素都會降低電壓的可用性。
當使用電池電壓來猜測 SoC 時，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 時接近最大值或在 0% SoC 時接近最小值時嘗試平衡。因此，在電池通常不會充電到 100% 或放電到 0% 的典型使用模式下，電池平衡算法在常規(guī)操作期間很少有機會平衡。
此外，平衡電路通常只能在 24-72 小時的平衡時間內平衡串聯(lián)電池 SoC 的 1%。因此，許多 BMS 無法跟上。BMS 無法保持電池組平衡或糾正不平衡的電池組。問題不在于平衡電路，而在于無法準確估計串聯(lián)電池 SoC 的算法。
使用這些 BMS 進行平衡的唯一解決方案是在定期運行間隔內進行專門的停機。停機時間可使電池組在幾天甚至幾周內保持完全充電或放電狀態(tài)，以便進行平衡。由于電池在日常使用中會再次變得不平衡，因此停機成為常態(tài)，每次循環(huán)容量減少都會讓您損失金錢，停機期間還會損失收入。
為什么 Zitara 更好
Zitara 徹底解決了這個問題。Zitara 不再通過查看電壓信號來尋找一個狹窄的平衡窗口，而是從電池電芯的精確模型開始，并在任何條件下跟蹤每個串聯(lián)電池的 SoC。
使用 Zitara，平衡在任何使用模式下都會持續(xù)發(fā)生。無論電池是充電、放電、靜止、過熱、過冷、滿電、空電還是介于兩者之間，Zitara Live 都會持續(xù)準確地跟蹤每個電池的 SoC。使用 Zitara Live，持續(xù)平衡可消除停機時間。持續(xù)平衡可確保電池的總標稱容量在每個周期內都得到傳輸，不會鎖定任何能量或收益。您支付了整個電池的費用 - Zitara 讓您使用它。
電池平衡常見問題解答
如果電池不平衡會發(fā)生什么情況？
電池失衡會造成問題。它們會鎖住原本可用的能量，并增加電池性能下降。例如，當 BMS 檢測到一個電池已達到放電終點時，BMS 會關閉整個電池組，即使其他電池還有剩余電量。這既會降低每個循環(huán)的容量，也會縮短電池的使用壽命。
電池平衡的目標是什么？
電池電芯平衡可使失衡的電池組恢復平衡，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電池壽命。
平衡電芯需要多長時間？
許多電池組都帶有功率不足的平衡算法，導致它們需要幾天或幾周的停機時間才能進行平衡。使用精確的板載電池模型，可以連續(xù)進行平衡，完全不需要任何專門的平衡時間。
電池平衡電路的常見類型有哪些？
被動：被動平衡電路使用電阻器和電子開關選擇性地從串聯(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，只能從單個電池電芯中移除。結合精確的平衡算法，可以平衡能量過多的電池電芯，以移除多余的能量，并使它們與電池組的其余部分恢復平衡。
主動：主動平衡電路使用電子開關在串聯(lián)電池之間選擇性地移動能量。與被動平衡一樣，需要精確的平衡算法來識別要將能量移至的電池和移出電池的電池，以使整個電池組達到平衡。
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電池組完全充電或完全放電時平衡算法是否對電池電芯起作用。這是基于電壓的平衡算法施加的限制，限制了平衡發(fā)生的時間。基于 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。
