平衡不均匀性，或为何LFP电池组有时会停止工作 [电池循环系列第5篇 | 2026年发布]

五年前，在volytica diagnostics GmbH首席执行官Claudius Jehle的见解指导下，我们推出了“电池循环”系列文章，旨在揭示锂离子电池的复杂性。

该系列为所有从事电动出行领域的人士提供了大量宝贵的见解。

如今五年过去了，我们仍在Claudius Jehle的协助下回到这些主题上，并结合实际数据与经验教训进一步深化内容。

经过最新更新的完整系列文章还将作为专题报道，刊登在2026年全年的《Sustainable Bus》（以及其姊妹平台《Sustainable Truck & Van》和《Powertrain International》）杂志中。

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图片来源：Forsee Power

电池并非仅由一个电芯构成，尽管在日常对话中我们常会将其简化为这种形式。理想情况下，电池应表现出类似单电芯的特性，但现实情况总是更为复杂。

在电池系统中，数十甚至数百个单电芯会以串联方式连接（即一个电芯的正极与下一个电芯的负极相连，以此类推），从而形成一串电芯。每增加一个电芯就会提升整个系统的电压。由于“功率”等于“电压×电流”，通过串联电芯使电压翻倍，所需的电流就会减半；而电缆直径主要取决于最大电流，因此通过串联电芯提升系统电压实际上有助于减小电缆的尺寸、重量及成本。就是这么简单*。如果需要更大的容量，我们可以将多串电芯并联起来。

但通过这一简单方法却会引发新的问题：失衡、不均匀性、无法获取的能量以及平衡的必要性。

不均匀性：一个思想实验

如果我们脱离所有细胞都相同的系统，就会遇到一些严重的问题，我们将在这里进行解释。像往常一样，我们从那些（几乎）非常适合日常对话的简单类比开始。考虑一个单弦系统（多弦系统的情况也完全相同），并将其——注意：这只是比喻——想象成由之前介绍过的玻璃杯串联而成的结构，这些玻璃杯彼此相连。

您是否认同：只要没有泄漏，从顶部流入的液体量会完全不变地流经每一个细胞？

因此，如果所有电池的容量完全相同（SoH，见后续文章），且初始充电高度（电压）也一致，那么它们的初始电量（SoC）也会相同。在理想情况下，电流流经这些电池时，每个电池的充放电量都完全一致。如果持续对它们进行放电，所有电池的SoC会同时降至0%。反之，若持续给它们充电，所有电池的电量也会同时达到100%。

电池会突然耗尽电量。其后果便是系统紧急关机，我们将其称为突发电量耗尽事件（SDE）——即一辆几分钟前还显示有充足电量且运行正常的车辆会突然停止，电池电量降至0%。顺便提一下：如果您已经阅读了之前的所有文章，应该就能明白为何尤其是LFP电池容易出现这种状况。

平衡是关键！

那么平衡功能现在在做什么呢？用最简单的话来说：电池管理系统中的平衡电路必须确保所有电芯的充电状态始终相同，这样最弱的那个电芯就不会以所述方式限制整体性能。最简单也是最常见的方法被称为被动平衡，但它看起来很浪费资源——主控逻辑会确定那些状态不佳的电芯的充电状态，然后让其他所有电芯放电****。没错，在上面的例子中，被动平衡系统会让99个正常电芯中的每一个都损失约5%的电量，几乎把它们“耗尽”*****。这些能量就白白浪费了。

此外还有主动式平衡系统，这类系统更为复杂，因其复杂性本身就容易出故障，且需要更多的投资。其结果是所有100节电池的电量最终会趋于一致，但通过将其他99节电池中的多余电荷主动转移出来为有问题的电池提供支持，整个过程中不会损失任何电量。

平衡作用何时发生？

在规模庞大且运行负荷极高的固定式系统中，主动式平衡技术逐渐得到应用。不过，被动式系统因其简单性和可靠性，仍是在几乎所有应用场景中的首选，包括客车和卡车领域。因此，为简化说明，以下内容仅适用于被动式系统。

如前所述，平衡系统首先必须确定每个电芯的SoC值。正如您在之前的文章中所学，对于处于动态或“波动”状态下的电子设备——即在运行或充电期间——以及那些OCV曲线较为平缓的电池化学体系（如LFP），这一点尤其困难。因此，平衡系统需要较长的“静止”时间，期间没有电流流动；如果SoC值非常高，它会更满意，因为大多数电池化学体系在接近满电（或空电）时具有“线性特征”，便于实现精确的电压与SoC值之间的转换。静止时间越长，通过漏电现象消除电量不平衡的效果就越好。

实用技巧：1）做好被动平衡规划。在电池充满至100%后，应遵循原厂建议的静置时间，以便电池管理系统能够有效平衡各电芯。2）要求获取详细的电池诊断数据，包括电量状态分布、各电芯电压以及偏差指标，理想情况下应到电芯级别，至少也要按模块或串组来统计。3）在招标文件中明确这些要求，规定具体的平衡策略、允许的最大电芯不平衡度，以及长期获取原始电池数据的权利。

现在您明白为什么原厂会建议在电池充满100%后进行较长时间的静置了吗？原因就在于：在高电量状态下静置有助于电池平衡——时间越长效果越好。

我们尚未回答为何所有电池的表现并不完全相同的问题。我们举了一个例子，即某个电池比其他电池略为空一些（也就是SoC值较低）。实际情况极为复杂，存在诸多相互作用。这里有一个非常重要的原因——也是自我强化的原因：由于制造缺陷、冷却/加热不均、焊接问题以及电子元件缺陷等，某些电池的衰减速度会略快于其他电池——其实只是略微快一点——从而导致其容量（SoH）出现差异。在持续充放电的过程中，这些SoH上的差异会使得所有电池的SoC值开始像最初举例那样出现分化。

更糟糕的是，那些略小于其他电池的电池，其单位容量所承受的电流（C率）会更高，这不仅会增加退化压力，还会使其变得比其他电池更小。此外，这类电池的电阻也可能略有上升，从而导致温度升高。同时，电池电量状态（SoC）也会受到影响。因此，这类“早期出现问题的电池”很可能会持续陷入不可逆转的恶化趋势。

尽管平衡系统一直在努力使电池电量状态保持均衡，但它无法改变电池健康度（SoH）的不可逆差异。通过平衡系统，这种状况或许可以缓解数月或数年，至少操作人员不会直接感受到这一持续恶化的过程。但一旦平衡所需时间过长，就无法完全消除差异，从而严重影响电池使用；而如果平衡时间过短，则安全缺陷（SDE）的风险会显著增加。

那么，该怎么办？

OEM厂商和制造商都非常清楚我们上述所述的内容，这类系统通常都配备了合适的平衡装置。然而，客户必须了解每台设备的失衡状况及其可能导致的系统性能下降风险，并采取恰当的平衡策略，同时遵循OEM厂商的建议。

概览

电池系统十分复杂，它由数百个电芯组成，但这些电芯需表现得如同一个整体：只有这样，才能释放出所有看似可用的能量。

在最糟糕的情况下，失衡的系统可能会在突发耗尽事件中突然“自我耗尽”，从而导致设备在行驶途中突然停止，不仅代价高昂，还可能带来危险。

平衡操作需要时间与特定条件，通常在充满电后的长时间闲置阶段进行。

失衡与不均匀现象的产生原因十分复杂。预先存在的失衡状况可能导致自我强化的内部退化，从而使问题愈发严重。

建议遵循原厂建议，并独立监测不均匀性（可逆与不可逆）以及平衡处理的有效性。

* 许多读者可能会提出异议——功率电子器件在更高电压下表现也会更好！确实如此，但主要原因还是电流密度方面的差异。

** 需要注意的是，此处我们假设该过程极为迅速，即电池的电阻极低，且所有电池的电阻都相同。当然，现实中并非如此。

*** 实际上这一比例为49.95%（1×45% + 99×50%），但系统级芯片的数值从不会保留两位小数。

**** 实际上，所有SoC值高于临界值的电池都是通过小型加热电阻来放电的。

****** 事实上，这一过程有时被称为“放气”，而用于此过程的电路则称为“放气电阻”。

文章《平衡不均匀性，或为何LFP电池组有时会停止工作》[《电池循环》第5期 | 2026年发布]最初发表于Sustainable Bus网站。