电芯

一些工程师使用电化学阻抗谱分析(EIS)方法来测量每个电芯的阻抗，并评估它们的健康状态。

与容量不匹配类似，阻抗不匹配是指电池包中一个电芯的阻抗与其他电芯的阻抗明显不同。

电池包充电和放电过程中电芯阻抗不匹配的影响

除了电芯容量，另一个需要高度关注的重要参数是电芯阻抗。

随着时间推移，经过反复充放电循环，更高的温度和老化效应会进一步加速不健康电芯的阻抗增加，从而加剧电池包内的阻抗不匹配问题。

在BMS中，多个电芯通常串联连接，形成高压电池包。

然而，单体电芯通常不会直接出售给电动汽车(EV)或储能系统(ESS)市场中的终端用户。

健康或相对较新的电芯通常具有较低的阻抗，而老化或不健康的电芯往往具有较高的阻抗。

此外，由于其阻抗造成的功率损耗更高，不健康的功率电芯通常会经受更高的充电温度。

纠正功能：在已经存在较弱或不健康电芯的电池包中，主动均衡可利用灵活性、大均衡电流和快速均衡特性，在较弱、不健康和表现良好的电芯之间重新分配电荷。

为了便于讨论，我们将电池包中阻抗明显较高的电芯称为不健康电芯。

含有弱电芯或不健康电芯的电池包，其整体容量利用率和安全工作时间会显著减少。

因此，不健康电芯的电压和容量下降速度更快，放电温度通常也更高。

在充电过程中，内阻较高的不健康电芯在给定的充电电流下，会经历更大的电压降。

在这种情况下，如果所有电芯都表现出相同的电压值，不健康电芯存储的电能实际上更少。

如图所示，不健康电芯在充电过程中具有较小的Vcell_actual值。

无论是容量较低的弱电芯，还是阻抗较高的不健康电芯，它们主要影响的都是电池包的可用容量和工作电压。

若没有电芯均衡，健康的电芯在每次循环中将无法完全充电或完全放电。

虽然这种电能耗散会导致热量产生和热管理挑战，但可以延长健康电芯的充电时间，最终会提升电池包的整体运行时间。

随着时间推移，电芯经历反复充放电循环，其中弱电芯由于经历更多的循环，往往会出现更快的容量衰减，从而加剧与其他健康电芯之间的不匹配。

其中，320Ah代表以前的主流容量，600Ah正成为当前标准容量，而1000Ah被视为未来方向，有些制造商已经实现1000Ah高容量电芯的量产能力。

因此，主动均衡对于高容量电芯是必不可少的。

得益于日益先进的电池制造技术和严格的质量控制流程，单体电芯的性能，尤其是规格相同且来自同一制造商的电芯的性能，通常高度一致。

新的（或相对较新的）电池包经过长时间储存或运输后，如果出现不均衡迹象，并不一定表明电芯性能不匹配。

但在投入实际使用后，随着电芯的老化，负载、环境温度和湿度、充电循环次数等因素会导致电芯性能不可避免地出现差异。

•第一部分探讨电芯容量不匹配和阻抗不匹配对电池管理系统(BMS)电池包的影响。

随着储能系统容量的持续增长，单体电芯的容量现在已达到320Ah、600Ah，甚至1000Ah。

如图1所示，如果电池包中有几个电芯的容量明显低于其他电芯，则称这几个电芯为弱电芯。

弱电芯的容量较低，因此在相同的充电电流下，其电压上升得更快。

最终，设计人员可以根据所选的电芯监测IC的被动均衡电流能力和电芯容量，制定具有针对性的被动均衡策略。

电池包充电和放电过程中电芯容量不匹配的影响

电芯容量不匹配

通常，均衡电流设为电芯容量的约1%到5%。

然后通过两步流程实现均衡：电芯到缓冲区放电，随后是缓冲区到电芯充电，从而有效模拟单体电芯之间的双向电荷转移。

而在缓冲区到电芯充电期间，目标电芯所需的能量均匀地从n个缓冲电芯中获取。

文中还会讨论为什么电池包之间的均衡与电芯之间的均衡同样重要。

例如，反激式隔离主动均衡架构的特点是效率高，特别是需要在非相邻电芯之间进行均衡时，这种架构的性能明显优于其他方法。

在长时间的储存或运输期间，无论是对于单体电芯还是组装好的电池包，电芯之间的电压和SOC不均衡很容易发生。

对于不具备主动均衡能力或仅使用被动均衡的大容量电池包，电芯之间的初始微小不均衡随着时间的推移，可能会逐渐演变为显著的不匹配，原因是均衡能力有限，而且长期充放电循环会带来累积效应。

此外，这种解决方案支持单体电芯之间和多个电池包之间的双向均衡，显著增强了跨电池包均衡的有效性。

这种设计具有一个16电芯的电池包，利用两个独立的反激电路和两个变压器：一个用于电芯之间的均衡，另一个用于电池包之间的均衡。

除了储存和运输场景之外，还有一个需要注意的情况：随着电池包运行时间的延长及充放电循环次数的增加，单体电芯之间的性能差异可能较电池包组装初期有所扩大。

主动均衡则是通过变压器、电容和电感在电芯之间转移电能。

但一旦电芯之间的性能差异变得足够显著，威胁到电池包的正常运作，就必须解决此问题。

反激式电源架构方法支持在由多个电芯组成的模块与单个电芯之间进行单向或双向能量传输。

在以下章节中，电芯之间的显著性能差异将被称为电芯不匹配。

如果仅需要在相邻电芯之间进行电荷转移，则这种方法相对高效，且控制机制简单。

如果仅需要在相邻电芯之间进行电荷转移，则这种方法相对高效；

当电芯之间的性能差异较小时，一般不会对电池包的正常运行造成影响，也无需予以特别关注。

最后，我们将强调，尽管大多数现有主动均衡设计主要关注电芯之间的均衡，但电池包之间的均衡同样重要，不容忽视。

通过开关的通断和电容的充放电，电能可以在相邻电芯之间传输。

通过开关的通断和电感的充放电，电能可以在相邻电芯之间传输。

难以在非相邻电芯之间实现电荷转移；

非相邻电芯之间的电荷转移路径较长，多次转移必然导致能量损耗增加。

更重要的是，电芯不匹配对电池包容量损失的影响被尽可能降低。

由此可以有效延长受电芯不匹配影响的电池包的使用寿命，确保电池包安全稳定地运行，同时降低过充和过放的风险。

细心的读者可能很快就意识到，在包含弱电芯的电池包中，整体容量利用率显著降低。

当电芯之间的性能差异较小时，一般不会对电池包的正常运行造成影响，也无需予以特别关注。

在此阶段，主动均衡如同外科医生，努力缓解电芯不匹配问题并延长电池包的使用寿命。

随着时间推移，经过反复充放电循环，更高的温度和老化效应会进一步加速不健康电芯的阻抗增加，从而加剧电池包内的阻抗不匹配问题。

非相邻电芯之间的电荷转移路径较长，多次转移必然导致能量损耗增加。