盖世汽车讯 包括轿车、公交车和列车在内的电动汽车（EV），能够显著减少交通运输行业产生的大量温室气体排放。然而，这些车辆的性能及长期可靠性，在很大程度上取决于为其提供动力的电池。

目前大多数电动汽车都采用锂离子电池组作为动力源。尽管电池制造商力求确保各电池单元（电芯）尽可能保持一致，但它们在容量（即电荷存储能力）和内阻（即对电流流动的阻碍程度）方面有时仍会存在差异。

同一电池组内各电芯间的这些差异——即所谓的“电芯间不一致性”——会随着电池的反复充放电而加剧。这种现象会逐渐削弱电池的整体性能，从而缩短电动汽车在需要充电前的续航里程。

据外媒报道，来自查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）、中国科学院、北京理工大学和极氪欧洲技术中心（Zeekr Technology Europe）的研究人员近期分析了电动汽车在实际运行工况下记录的电池数据，旨在进一步探究电芯间的不一致性如何随时间推移影响电动汽车的性能。

图片来源：期刊《自然-能源》

他们的研究结果发表在期刊《自然-能源》（Nature Energy）上，表明电芯间的差异确实会损害为轿车和公交车提供动力的电池组的整体容量及使用寿命。

该论文的合著者Changfu Zou表示：“电动汽车电池组包含许多必须协同工作的电芯，但这些电芯在老化过程中并不会保持完全一致。在串联电池组中，其性能最终可能受限于性能最差的电芯，这就像链条的强度取决于其最薄弱的环节一样。这一课题正是源于我们团队在电池管理和可重构电池领域长期的研究工作。”

过去，人们已对电芯间的不一致性进行了广泛研究，但主要局限于实验室环境。一些能源工程师也开发了旨在平衡电池组内各电芯性能的策略，以及支持在运行期间动态调整电芯间电气连接的重构架构。

尽管其中一些策略已取得令人鼓舞的成果，但利用实际车辆数据来探讨电芯间不一致性对电动汽车性能的长期影响，此类研究却鲜有涉及。

“对我而言，仅仅知道问题的存在是远远不够的，”Zou说道，“我们希望弄清楚，在多年的实际驾驶过程中，电池的健康状况、使用寿命、功率输出能力以及全生命周期的能量利用率究竟损失了多少。”

追踪实际工况下的电动汽车电池数据

Zou及其同事分析了从两支实际运营的电动汽车车队收集的数据。这些车队包括116辆搭载NMC（镍锰钴）电池的乘用车和17辆搭载LFP（磷酸铁锂）电池的公交车。

NMC和LFP是当今市场上主流的两种锂离子电池化学体系。NMC电池的正极材料由镍、锰和钴构成，而LFP电池的正极材料则为磷酸铁锂。

他们分析的运营数据是在车辆长达三年多的日常使用过程中收集的；其中部分车辆的行驶里程已高达30万公里（18.6万英里）。

“我们选择了合适的充电时段来估算单个电芯的容量和内阻，”Zou说道，“容量反映了电芯尚能储存多少能量，而内阻则与其功率输出能力密切相关。主要挑战之一在于，如何将电芯的实际老化与温度、电流及荷电状态（SOC）等运行条件所引起的表观变化区分开来。”

为了在相同的基准条件下比较各电芯，研究人员还利用机器学习模型对数据进行了分析。他们引入了六项关键指标，用以量化电芯间的不一致性如何影响电池组的整体性能。

“最让我惊讶的并不是电芯不一致性这一问题本身，而是这种不一致性在车辆整个生命周期内所产生的累积效应竟如此显著，”Zou说道，“在这两个车队中，这种效应导致电池组的使用寿命缩短了约18%至23%，功率输出能力下降了约13%至15%。当电池组达到退役标准时，乘用车电池组中约五分之一的潜在全生命周期能量未被利用，而公交车电池组中这一比例则超过了四分之一。”

该团队的分析结果并不意味着每辆乘用车或公交车在行驶过程中都会损失19%或27%的电池能量。相反，这表明当性能最差的电芯开始限制整个电池组的性能时，那些状态较好的电芯其实仍保有可用容量，并具备相当长的剩余使用寿命。

“我们还发现，荷电状态（SOC）的不平衡通常只会导致可用充电容量减少不到2%，”Zou补充道，“真正更严重的问题在于电芯的老化速率各不相同。对我而言，最明确的启示在于：电池管理系统不仅要确保各电芯的电量保持均衡，还应设法让它们的老化过程尽可能保持同步。”

引领电动汽车电池技术的进步

这项研究结果证实，电芯间的不一致性会限制当前电动汽车所使用的两类锂离子电池的性能与寿命。这些发现有望推动未来的研发工作，致力于打造性能更均一、更耐用的电动汽车充电电池。

“我们的研究结果为提升制造一致性、优化电芯筛选与成组、改进热管理、均衡控制以及电芯级监测等方面提供了定量依据，”Zou表示，“此外，这些发现还有助于判断何时值得为采用更先进的解决方案（例如可重构电池系统）而承担额外的成本与复杂性。”

研究人员希望他们的工作能激励其他团队在实际应用场景中评估电动汽车电池的性能。作为后续研究的一部分，他们计划评估各种策略在缓解电芯间不一致性影响方面的潜力。

“对于我们查尔姆斯理工大学的研究小组来说，下一步将从单纯测量问题转向积极缓解问题，”Zou 补充道，“我特别看好的一个方向是可重构电池系统。这类系统能够根据各个电芯或电芯组的状态及预期寿命，动态调整其使用方式。我们目前正沿着这一方向开展研究。”