揭秘电池平衡：如何避免商用电池资产停机-北极星储能网

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电池平衡问题可能会导致您的电池资产停用数周，并使您无法每天达到额定容量，从而浪费您的时间、金钱和效率。在本文中，我们将解释不平衡的电池如何造成金钱损失，展示现代电池管理系统 (BMS) 如何出错，并向您展示如何使用 Zitara 进行持续平衡，让平衡问题成为过去。

作者：

Derek Guthei

2024 年 1 月 15 日

什么是电芯不平衡？

电池组由许多电芯连接在一起组成。当这些电芯的任何属性或状态不同时，电池组就会失去平衡。不平衡的电芯会锁住原本可用的能量并增加电池的衰减。不平衡的电芯无法完全充电或完全放电，并且不平衡会导致电芯以更快的速度磨损和衰减。这既降低了每个循环的收益，也缩短了电池的使用寿命。

电芯差异在制造和运行过程中都会出现。在制造过程中，电池组可能由荷电状态 (SoC)、容量、阻抗或使用年限略有不同的电芯组装而成，这意味着组装后的电池组从一开始就不平衡。在运行过程中，电芯的排列以及集电器、母线和互连器的布局等设计因素可能会导致电池组失去平衡。对于大型电池组（例如储能系统），即使是电池组接收的阳光或阴影量也可能导致电池组变得不平衡。

无论原因如何，平衡问题通常表现为串联电芯之间的 SoC 不同。虽然并联芯可能会动态地彼此失衡，但并联电芯不平衡往往会随着时间的推移自然解决。本文将重点介绍更常见且可纠正的串联电芯平衡问题。

为什么平衡电池至关重要

不平衡的电芯会在短期和长期内给您带来损失。当不平衡的电池充电或放电时，其容量会低于标称容量，从而导致每次循环的收入损失。此外，让电池组恢复平衡可能需要几天或几周的平衡停机时间，在此期间电池组无法使用。此外，定期循环不平衡的电池组会比保持平衡的电池组性能下降得更快。

一个简单的例子是一个标称容量为 1000 kWh（1 MWh）的小型储能系统。电池组由 100 个串联电芯组成，每个串联电芯可存储 10 kWh 的能量。除了一个电芯不平衡且仅为 90% SoC 外，所有电池均在 100% SoC 下充满电。

由于这一个电池，整个电池组存储了 999 千瓦时的电量，即 1000 千瓦时减去未充满电的电池的 1 千瓦时。然而，由于一个弱电芯，电池组只能使用 900 千瓦时（90%）的电量。剩余的 99 千瓦时的容量已存储但无法使用。这种不平衡的电池组意味着每个周期提供的电量比标称容量少 10%，锁定了您支付的容量并增加了每个电池的衰减。

电池平衡

解决方案是电池平衡，即在电池之间移动能量，使它们达到相同的 SoC。在上面的例子中，平衡会将 SoC 为 90% 的电芯提升至与其他 SoC 为 100% 的电池相匹配。因此，之前锁定的能量被恢复，使电池组恢复到其标称容量。

BMS需要两个关键要素才能正确平衡电池组：平衡电路和平衡算法。虽然存在一些实现平衡电路的方法，但它们都依赖于平衡算法来了解哪些电池需要平衡以及何时需要平衡。

平衡算法：电池平衡的难度

到目前为止，我们一直假设 BMS 知道 SoC 和每个串联电池的能量。如果真是这样，平衡算法可以快速识别哪些电池的能量过多或过少，并持续监控和平衡这些电池。在纠正制造过程中的初始不平衡后，平衡算法可以持续纠正出现的轻微不平衡，从而防止将来出现电池组不平衡。

然而，这正是大多数 BMS 的不足之处。尽管它们经常报告 SoC 值，但大多数板载 BMS非常不准确，无法估算单个串联电芯的 SoC。由于 SoC 无法直接测量，BMS 通常将其可以测量的电池电压视为 SoC 的简单替代品。

遗憾的是，电池电芯的电压易受外界因素影响，例如温度、使用年限、负载、充电，甚至滞后，或最近的使用情况。因此，电池电压无法可靠地替代 SoC。对于磷酸铁锂 (LFP) 等现代化学材料，电压作为 SoC 的衡量标准甚至更不可靠，因为磷酸铁锂 (LFP) 的电压和 SoC 之间存在高度非线性关系。

当使用电池电压来猜测 SoC 时，典型的 BMS 使用称为“顶部”或“底部”平衡的算法。在这些算法中，BMS 仅在电池电压在 100% SoC 时接近最大值或在 0% SoC 时接近最小值时尝试平衡。因此，在电池通常不会充电到 100% 或放电到 0% 的典型使用模式下，电池平衡算法在常规操作期间很少有机会平衡。

此外，平衡电路通常只能在 24-72 小时的平衡时间内平衡串联电池 SoC 的 1%。因此，许多 BMS 无法跟上。BMS 无法保持电池组平衡或纠正不平衡的电池组。问题不在于平衡电路，而在于无法准确估计串联电池 SoC 的算法。

使用这些 BMS 进行平衡的唯一解决方案是在定期运行间隔内进行专门的停机。停机时间可使电池组在几天甚至几周内保持完全充电或放电状态，以便进行平衡。由于电池在日常使用中会再次变得不平衡，因此停机成为常态，每次循环容量减少都会让您损失金钱，停机期间还会损失收入。

为什么 Zitara 更好

Zitara 彻底解决了这个问题。Zitara 不再通过查看电压信号来寻找一个狭窄的平衡窗口，而是从电池电芯的精确模型开始，并在任何条件下跟踪每个串联电池的 SoC。

使用 Zitara，平衡在任何使用模式下都会持续发生。无论电池是充电、放电、静止、过热、过冷、满电、空电还是介于两者之间，Zitara Live 都会持续准确地跟踪每个电池的 SoC。使用 Zitara Live，持续平衡可消除停机时间。持续平衡可确保电池的总标称容量在每个周期内都得到传输，不会锁定任何能量或收益。您支付了整个电池的费用 - Zitara 让您使用它。

电池平衡常见问题解答

如果电池不平衡会发生什么情况？

电池失衡会造成问题。它们会锁住原本可用的能量，并增加电池性能下降。例如，当 BMS 检测到一个电池已达到放电终点时，BMS 会关闭整个电池组，即使其他电池还有剩余电量。这既会降低每个循环的容量，也会缩短电池的使用寿命。

电池平衡的目标是什么？

电池电芯平衡可使失衡的电池组恢复平衡，并积极保持平衡。电芯平衡可利用电池组中的所有能量，减少电池组的磨损和退化，从而最大程度地延长电池寿命。

平衡电芯需要多长时间？

许多电池组都带有功率不足的平衡算法，导致它们需要几天或几周的停机时间才能进行平衡。使用精确的板载电池模型，可以连续进行平衡，完全不需要任何专门的平衡时间。

电池平衡电路的常见类型有哪些？

被动：被动平衡电路使用电阻器和电子开关选择性地从串联电池电芯中移除能量。能量不能在串联电池电芯之间移动，只能从单个电池电芯中移除。结合精确的平衡算法，可以平衡能量过多的电池电芯，以移除多余的能量，并使它们与电池组的其余部分恢复平衡。

主动：主动平衡电路使用电子开关在串联电池之间选择性地移动能量。与被动平衡一样，需要精确的平衡算法来识别要将能量移至的电池和移出电池的电池，以使整个电池组达到平衡。

什么是顶部平衡和底部平衡？

顶部和底部平衡分别描述了当电池组完全充电或完全放电时平衡算法是否对电池电芯起作用。这是基于电压的平衡算法施加的限制，限制了平衡发生的时间。基于 SoC 的平衡算法（例如 Zitara Live）允许连续平衡，从而消除了电压平衡算法的限制。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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