朗凯威探秘磷酸铁锂电池组电压不平衡的“前世今生”
1. 电压不平衡的表现形式
磷酸铁锂电池组电压不平衡在实际使用中有多种具体表现。其中最明显的是单体电池间电压差异明显。在正常工作状态下，单体电池间的电压差应不超过 0.1V。如果超出这个范围，就可能出现电压不平衡的情况。例如，在对电池组进行监测时，会发现部分电池的电压明显高于或低于其他电池。这种电压差异可能会随着使用时间的增加而逐渐扩大。
2. 对电池性能的影响
电压不平衡会对磷酸铁锂电池的性能产生多方面不良影响。首先，对电池循环寿命有显著影响。电池充放电效率受到电压差的影响，当单体电池的电压差过大时，某些电池可能会面临过度充电或放电的情况。这两种情况都会加速电池的老化，从而显著降低其循环寿命。正常情况下，磷酸铁锂电池能够实现超过 2000 次充放电循环，但如果电压不平衡问题严重，循环寿命可能会大幅缩短。
其次，电压不平衡会影响能量利用率。在电池组中，各个单体电池的电压差会影响到整个系统的能量利用效率。当电压差增大时，部分电池可能无法正常提供能量，从而导致整体效率降低，进而影响设备的性能。
3. 安全风险
电压不平衡可能引发严重的安全隐患。当电压差过大时，可能导致一些电池单体产生异常发热。如果这种情况持续发展，甚至可能引发热失控和爆炸等危险情况。特别是在高负荷或高温环境下，这种安全风险更加突出。因此，保持电池组内部单体电池的电压平衡至关重要。例如，在一些实际案例中，由于没有及时处理电压不平衡问题，导致电池组在使用过程中发生过热甚至起火，给使用者带来了巨大的损失。
二、磷酸铁锂电池组电压不平衡原因
1. 电极反应速率差异
磷酸铁锂电池的正负极材料在反应速率上存在差异。正极反应速率较快，而负极反应速率较慢。在电池充放电过程中，这种反应速率的不同会导致电池内部正负极之间的电压不平衡。例如，当电池充电时，正极材料迅速接收电子，而负极材料的反应相对滞后，使得正负极之间的电势差逐渐增大。随着使用时间的增加，这种差异会不断累积，最终导致电池组电压不平衡。
2. 电解液浓度差异
电池内部电解液的浓度分布不均匀是造成压差的重要原因之一。电极附近的电解液浓度较高，而远离电极的区域浓度较低。这是因为在充放电过程中，离子在电解液中的迁移速度有限，无法保证电解液浓度的均匀分布。这种浓度差异会影响离子的传输速率，进而造成电极之间的电压差。例如，浓度高的区域离子传输速度快，电极反应相对活跃，电压较高；而浓度低的区域则相反，电压较低。
3. 电池内部电阻差异
电池内部的接触电阻和内部电阻等因素会导致电场分布不均匀，从而引发压差问题。内部电阻的存在使得电流在电池内部流动时会产生能量损耗，导致不同位置的电压不同。例如，电阻较大的区域电流通过时会产生较大的压降，使得该区域的电压相对较低；而电阻较小的区域电压则相对较高。这种不均匀的电场分布会随着使用时间的增加而加剧，进一步增大压差。
4. 电池老化
随着使用时间的增加，电池老化过程会对压差产生显著影响。电池内部的电解液会发生变化，如水分的挥发、电解质的分解等，这些变化会影响离子的传输速率和电极反应。同时，正极材料的结晶也会导致电池内部压力增大，进而影响电池的性能。例如，老化的电池在充放电过程中，由于电解液的变化和正极材料的结晶，会使得电池的内阻增大，电压下降速度加快，从而加剧压差问题。
5. 电池不均衡
单体电池之间的电压不均匀是压差增大的重要原因。在电池组中，由于各个单体电池的生产工艺、使用环境等因素的不同，其性能会存在一定的差异。例如，一些单体电池可能在生产过程中存在微小的缺陷，导致其容量、内阻等参数与其他电池不同。在使用过程中，这些差异会逐渐放大，使得单体电池之间的电压不均匀，进而导致整个电池组的压差增大。
三、磷酸铁锂电池组如何检测电压不平衡
1. 电压不一致检测方法
在检测磷酸铁锂电池组的电压不一致性时，可以采用以下方法。在化成后，让电池经历同样的充放电过程，然后静置足够时间，并确保在同样的环境温度下，将待评价电芯充电到相同的 SOC。此时测量其开路电压，所体现出来的电压差距，就是单体电芯的电压不一致性。有研究表明，单体电芯的开路电压符合正态分布，这意味着我们所有提高一致性的努力，只能改变参数的集中度。
2. 内阻不一致检测方法
电芯内阻是电芯功率特性的重要表征，也是电芯成组后，电芯性能参数进一步离散化的原因之一。内阻不一致可以造成温升不一致，进而引发其他参数进一步离散化。通过检测电芯内阻，可以分析其对温升及其他参数离散化的影响，从而判断电池组的一致性。例如，当内阻较大时，电流通过会产生较大的压降，导致该区域的温度升高，与其他区域形成差异。
3. 容量不一致检测方法
容量一般都会作为电芯分组的初选内容，是电芯不一致最重要的参数表现。按照目前的寿命衡量标准，可用容量和寿命紧密联系在一起。造成容量不一致的原因很多，且多数都是制造过程的不一致的结果。可以通过对电池进行充放电测试，记录不同电芯的容量变化，来检测容量不一致性。
4. 温升不一致检测方法
每只电芯内部电化学物质制造过程对发热量有影响，同时，每一只电芯在锂离子电池组中所处位置不同，造成其散热条件的差异，最终也会导致电芯温升不一致。例如，内阻较大的电芯发热量大，而处于散热不良位置的电芯温度也会较高。可以通过温度传感器监测每只电芯的温度变化，来检测温升不一致性。
四、磷酸铁锂电池组电压不平衡解决方法
1. 容量不足单体的处理
对于放电电压低的单体，可进行单独容量测试。如果容量正常，无需更换。可以使用保护板有均衡电路的方法，采取浅放勤充的策略。保护板的均衡电路虽然均衡速度较慢，但多进行几次充电放电过程，看看能否使电压达到一致。例如，在实际操作中，可以先将电池充满电，然后进行小电流放电，重复这个过程，有助于提高电池的一致性。
2. 并联处理
单元电压低的和电压高的可以进行并联处理。这种方法可以在一定程度上解决电压不平衡的问题。例如，可以按照以下步骤进行操作：首先，确定电压低和电压高的单体电池，然后将它们通过合适的连接方式进行并联。在并联过程中，要注意连接的稳定性和安全性，避免出现短路等问题。并联后，电压高的电池会向电压低的电池放电，强制实现均衡。但如果并联后仍然不能达到一致，可能是电池的内阻已经增大，需要考虑更换电池。
3. 充电器调整
合理选择充电器对于解决磷酸铁锂电池组电压不平衡问题非常重要。例如，可以使用 3.65 的充电器。在整组电池充满后，测量单体电压落后的电池，对其进行补充电，将落后的电池全部补满。待电量用完后，再整组充满并补充落后的单体。如此循环几次后，再使用保护板进行均衡。如果单体差异太大，还是及早更换为好。此外，为了提高充电效果，可以选择原厂的专用充电器，避免使用劣质充电器对电池造成损害。同时，要注意充电环境的温度，避免在过高温度下充电，以免影响电池性能。
五、磷酸铁锂电池组的维护与电压平衡
1. 安装注意事项
在安装磷酸铁锂电池组时，有以下几个重要事项需要注意。首先，安装前必须测量开路电压，开路电压差不能大于 50mV，并做好电池测试记录。这是因为如果开路电压差异过大，可能会导致电池组在使用过程中出现电压不平衡的问题。其次，由于磷酸铁锂电池组在出厂时一般是 60% 左右的荷电量，且如果安装日期距出厂日期时间较远，电池组经过长期自放电，容量会有损失。所以，安装初始时应对锂电池组进行补充电。此外，用假负载可以对电池组按 0.1C10 (A) 和 0.2C5 (A) 小时率进行容量试验，放电过程中必须严格检测电池单体电压，确保电池性能符合要求。
2. 工作环境要求
磷酸铁锂电池组的运行环境对其性能和寿命有着重要影响。室温温度不宜超过 55℃，建议环境温度保持在 0℃～55℃之间。这是因为过高的温度会加速电池老化，降低电池性能，甚至可能引发安全问题。同时，要避免阳光对电池直射，朝阳窗户应作遮阳处理，防止电池因过热而受损。此外，还应确保锂电池组之间预留足够的维护空间，以便在需要时进行检查和维护。
3. 使用注意事项
在使用磷酸铁锂电池组时，不同规格、不同型号的电池禁止在同一直流供电系统中使用，新旧程度不同的蓄电池也不应在同一直流供电系统中混用。如果具备动力及环境集中监控系统，应通过该系统与电池管理系统（BMS）实时对电池组的总电压、电流、单体模块电压、温度、容量进行监测。同时，通过电池监测装置了解电池充放电曲线及性能，定期进行实际测量，发现故障及时处理。
4. 经常检查项目
应经常检查磷酸铁锂电池的极柱、连接条是否松动，是否有损伤、变形或腐蚀等现象。连接处有无松动，电池壳体有无损伤、渗漏和变形，电池及连接处温升是否异常。根据厂家提供的技术参数和现场环境条件，检查电池组及单体模块电压是否满足要求，检测电池组间歇浮充时的充电电流是否在要求的范围内。检测电池组的充电限流值设置是否正确，俭测电池组的低压告警和高压告警设置是否正确。
5. 充电和浮充电压要求
磷酸铁锂电池组间歇式充电压一般设置为单体电池 3.60～3.76V，高压直流输出电压为 278V。每月应测量电池组电压和单体电池的端电压与电池监控显示对比，发现问题及时处理。同时，要合理选择充电器，如使用 3.65 的充电器，在整组电池充满后，测量单体电压落后的电池，对其进行补充电，将落后的电池全部补满。待电量用完后，再整组充满并补充落后的单体。如此循环几次后，再使用保护板进行均衡。如果单体差异太大，还是及早更换为好。此外，为了提高充电效果，可以选择原厂的专用充电器，避免使用劣质充电器对电池造成损害。同时，要注意充电环境的温度，避免在过高温度下充电，以免影响电池性能。
1. 电压不平衡的表现形式
磷酸铁锂电池组电压不平衡在实际使用中有多种具体表现。其中最明显的是单体电池间电压差异明显。在正常工作状态下，单体电池间的电压差应不超过 0.1V。如果超出这个范围，就可能出现电压不平衡的情况。例如，在对电池组进行监测时，会发现部分电池的电压明显高于或低于其他电池。这种电压差异可能会随着使用时间的增加而逐渐扩大。
2. 对电池性能的影响
电压不平衡会对磷酸铁锂电池的性能产生多方面不良影响。首先，对电池循环寿命有显著影响。电池充放电效率受到电压差的影响，当单体电池的电压差过大时，某些电池可能会面临过度充电或放电的情况。这两种情况都会加速电池的老化，从而显著降低其循环寿命。正常情况下，磷酸铁锂电池能够实现超过 2000 次充放电循环，但如果电压不平衡问题严重，循环寿命可能会大幅缩短。
其次，电压不平衡会影响能量利用率。在电池组中，各个单体电池的电压差会影响到整个系统的能量利用效率。当电压差增大时，部分电池可能无法正常提供能量，从而导致整体效率降低，进而影响设备的性能。
3. 安全风险
电压不平衡可能引发严重的安全隐患。当电压差过大时，可能导致一些电池单体产生异常发热。如果这种情况持续发展，甚至可能引发热失控和爆炸等危险情况。特别是在高负荷或高温环境下，这种安全风险更加突出。因此，保持电池组内部单体电池的电压平衡至关重要。例如，在一些实际案例中，由于没有及时处理电压不平衡问题，导致电池组在使用过程中发生过热甚至起火，给使用者带来了巨大的损失。
二、磷酸铁锂电池组电压不平衡原因
1. 电极反应速率差异
磷酸铁锂电池的正负极材料在反应速率上存在差异。正极反应速率较快，而负极反应速率较慢。在电池充放电过程中，这种反应速率的不同会导致电池内部正负极之间的电压不平衡。例如，当电池充电时，正极材料迅速接收电子，而负极材料的反应相对滞后，使得正负极之间的电势差逐渐增大。随着使用时间的增加，这种差异会不断累积，最终导致电池组电压不平衡。
2. 电解液浓度差异
电池内部电解液的浓度分布不均匀是造成压差的重要原因之一。电极附近的电解液浓度较高，而远离电极的区域浓度较低。这是因为在充放电过程中，离子在电解液中的迁移速度有限，无法保证电解液浓度的均匀分布。这种浓度差异会影响离子的传输速率，进而造成电极之间的电压差。例如，浓度高的区域离子传输速度快，电极反应相对活跃，电压较高；而浓度低的区域则相反，电压较低。
3. 电池内部电阻差异
电池内部的接触电阻和内部电阻等因素会导致电场分布不均匀，从而引发压差问题。内部电阻的存在使得电流在电池内部流动时会产生能量损耗，导致不同位置的电压不同。例如，电阻较大的区域电流通过时会产生较大的压降，使得该区域的电压相对较低；而电阻较小的区域电压则相对较高。这种不均匀的电场分布会随着使用时间的增加而加剧，进一步增大压差。
4. 电池老化
随着使用时间的增加，电池老化过程会对压差产生显著影响。电池内部的电解液会发生变化，如水分的挥发、电解质的分解等，这些变化会影响离子的传输速率和电极反应。同时，正极材料的结晶也会导致电池内部压力增大，进而影响电池的性能。例如，老化的电池在充放电过程中，由于电解液的变化和正极材料的结晶，会使得电池的内阻增大，电压下降速度加快，从而加剧压差问题。
5. 电池不均衡
单体电池之间的电压不均匀是压差增大的重要原因。在电池组中，由于各个单体电池的生产工艺、使用环境等因素的不同，其性能会存在一定的差异。例如，一些单体电池可能在生产过程中存在微小的缺陷，导致其容量、内阻等参数与其他电池不同。在使用过程中，这些差异会逐渐放大，使得单体电池之间的电压不均匀，进而导致整个电池组的压差增大。
三、磷酸铁锂电池组如何检测电压不平衡
1. 电压不一致检测方法
在检测磷酸铁锂电池组的电压不一致性时，可以采用以下方法。在化成后，让电池经历同样的充放电过程，然后静置足够时间，并确保在同样的环境温度下，将待评价电芯充电到相同的 SOC。此时测量其开路电压，所体现出来的电压差距，就是单体电芯的电压不一致性。有研究表明，单体电芯的开路电压符合正态分布，这意味着我们所有提高一致性的努力，只能改变参数的集中度。
2. 内阻不一致检测方法
电芯内阻是电芯功率特性的重要表征，也是电芯成组后，电芯性能参数进一步离散化的原因之一。内阻不一致可以造成温升不一致，进而引发其他参数进一步离散化。通过检测电芯内阻，可以分析其对温升及其他参数离散化的影响，从而判断电池组的一致性。例如，当内阻较大时，电流通过会产生较大的压降，导致该区域的温度升高，与其他区域形成差异。
3. 容量不一致检测方法
容量一般都会作为电芯分组的初选内容，是电芯不一致最重要的参数表现。按照目前的寿命衡量标准，可用容量和寿命紧密联系在一起。造成容量不一致的原因很多，且多数都是制造过程的不一致的结果。可以通过对电池进行充放电测试，记录不同电芯的容量变化，来检测容量不一致性。
4. 温升不一致检测方法
每只电芯内部电化学物质制造过程对发热量有影响，同时，每一只电芯在锂离子电池组中所处位置不同，造成其散热条件的差异，最终也会导致电芯温升不一致。例如，内阻较大的电芯发热量大，而处于散热不良位置的电芯温度也会较高。可以通过温度传感器监测每只电芯的温度变化，来检测温升不一致性。
四、磷酸铁锂电池组电压不平衡解决方法
1. 容量不足单体的处理
对于放电电压低的单体，可进行单独容量测试。如果容量正常，无需更换。可以使用保护板有均衡电路的方法，采取浅放勤充的策略。保护板的均衡电路虽然均衡速度较慢，但多进行几次充电放电过程，看看能否使电压达到一致。例如，在实际操作中，可以先将电池充满电，然后进行小电流放电，重复这个过程，有助于提高电池的一致性。
2. 并联处理
单元电压低的和电压高的可以进行并联处理。这种方法可以在一定程度上解决电压不平衡的问题。例如，可以按照以下步骤进行操作：首先，确定电压低和电压高的单体电池，然后将它们通过合适的连接方式进行并联。在并联过程中，要注意连接的稳定性和安全性，避免出现短路等问题。并联后，电压高的电池会向电压低的电池放电，强制实现均衡。但如果并联后仍然不能达到一致，可能是电池的内阻已经增大，需要考虑更换电池。
3. 充电器调整
合理选择充电器对于解决磷酸铁锂电池组电压不平衡问题非常重要。例如，可以使用 3.65 的充电器。在整组电池充满后，测量单体电压落后的电池，对其进行补充电，将落后的电池全部补满。待电量用完后，再整组充满并补充落后的单体。如此循环几次后，再使用保护板进行均衡。如果单体差异太大，还是及早更换为好。此外，为了提高充电效果，可以选择原厂的专用充电器，避免使用劣质充电器对电池造成损害。同时，要注意充电环境的温度，避免在过高温度下充电，以免影响电池性能。
五、磷酸铁锂电池组的维护与电压平衡
1. 安装注意事项
在安装磷酸铁锂电池组时，有以下几个重要事项需要注意。首先，安装前必须测量开路电压，开路电压差不能大于 50mV，并做好电池测试记录。这是因为如果开路电压差异过大，可能会导致电池组在使用过程中出现电压不平衡的问题。其次，由于磷酸铁锂电池组在出厂时一般是 60% 左右的荷电量，且如果安装日期距出厂日期时间较远，电池组经过长期自放电，容量会有损失。所以，安装初始时应对锂电池组进行补充电。此外，用假负载可以对电池组按 0.1C10 (A) 和 0.2C5 (A) 小时率进行容量试验，放电过程中必须严格检测电池单体电压，确保电池性能符合要求。
2. 工作环境要求
磷酸铁锂电池组的运行环境对其性能和寿命有着重要影响。室温温度不宜超过 55℃，建议环境温度保持在 0℃～55℃之间。这是因为过高的温度会加速电池老化，降低电池性能，甚至可能引发安全问题。同时，要避免阳光对电池直射，朝阳窗户应作遮阳处理，防止电池因过热而受损。此外，还应确保锂电池组之间预留足够的维护空间，以便在需要时进行检查和维护。
3. 使用注意事项
在使用磷酸铁锂电池组时，不同规格、不同型号的电池禁止在同一直流供电系统中使用，新旧程度不同的蓄电池也不应在同一直流供电系统中混用。如果具备动力及环境集中监控系统，应通过该系统与电池管理系统（BMS）实时对电池组的总电压、电流、单体模块电压、温度、容量进行监测。同时，通过电池监测装置了解电池充放电曲线及性能，定期进行实际测量，发现故障及时处理。
4. 经常检查项目
应经常检查磷酸铁锂电池的极柱、连接条是否松动，是否有损伤、变形或腐蚀等现象。连接处有无松动，电池壳体有无损伤、渗漏和变形，电池及连接处温升是否异常。根据厂家提供的技术参数和现场环境条件，检查电池组及单体模块电压是否满足要求，检测电池组间歇浮充时的充电电流是否在要求的范围内。检测电池组的充电限流值设置是否正确，俭测电池组的低压告警和高压告警设置是否正确。
5. 充电和浮充电压要求
磷酸铁锂电池组间歇式充电压一般设置为单体电池 3.60～3.76V，高压直流输出电压为 278V。每月应测量电池组电压和单体电池的端电压与电池监控显示对比，发现问题及时处理。同时，要合理选择充电器，如使用 3.65 的充电器，在整组电池充满后，测量单体电压落后的电池，对其进行补充电，将落后的电池全部补满。待电量用完后，再整组充满并补充落后的单体。如此循环几次后，再使用保护板进行均衡。如果单体差异太大，还是及早更换为好。此外，为了提高充电效果，可以选择原厂的专用充电器，避免使用劣质充电器对电池造成损害。同时，要注意充电环境的温度，避免在过高温度下充电，以免影响电池性能。
朗凯威 www.langkawipower.com
时间 2024/1½9
审核编辑 黄宇
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