电动汽车（EV）的普及被视为减少交通运输领域温室气体排放的关键途径，但其实际性能与可靠性高度依赖于动力电池系统的表现。近期，一项基于真实世界运行数据的研究揭示了电池内部“细胞不一致性”对电动车续航里程及使用寿命的显著影响。
该研究由查尔默斯理工大学、中国科学院、北京理工学院以及极氪科技欧洲公司（Zeekr Technology Europe）的研究人员共同完成，成果已发表于《自然能源》（Nature Energy）杂志。研究发现，随着充放电循环的增加，同一电池包内不同电芯在容量和内阻上的差异会逐渐扩大，这种“细胞对细胞的不一致性”最终会限制整个电池组的性能。
木桶效应：最弱电芯决定整体寿命
尽管制造商致力于生产高度一致的电池单元，但在实际使用中，电芯之间仍存在细微差别。论文合著者、查尔默斯理工大学的 Changfu Zou 指出：“电动汽车电池组包含许多必须协同工作的电芯，但这些电芯会随着老化变得不再相同。电池组的性能最终受限于最弱的电芯，这就像链条的强度取决于最薄弱的环节。”
此前关于电芯不一致性的研究多集中在实验室环境或理论模型中，缺乏长期实际车辆运行数据的支撑。虽然业界已开发出平衡策略和可重构架构来缓解这一问题，但其在真实驾驶场景下的长期影响尚不明确。Zou 表示：“仅仅知道问题存在是不够的，我们需要量化在多年的实际驾驶过程中，电池健康度、寿命、功率以及全生命周期能量究竟损失了多少。”
基于三年运营数据的实证分析
为了填补这一空白，研究团队分析了两个现实世界电动汽车车队的运营数据。样本包括 116 辆配备 NMC（镍锰钴氧化物）电池的乘用车和 17 辆配备 LFP（磷酸铁锂）电池的公交车。NMC 和 LFP 是目前市场主流的两种锂离子电池化学体系。
数据采集跨度超过三年，部分车辆的行驶里程高达 300,000 公里（约 186,000 英里）。研究人员通过机器学习模型处理数据，引入了六个关键指标，以量化电芯不一致性对电池组整体性能的影响。为了准确比较不同电芯的状态，团队还克服了将实际老化效应与温度、电流及充电状态等操作变量引起的波动分离开的技术挑战。
Zou 强调：“我们选择了合适的充电时间来估计单个电芯的容量和内阻。容量决定了电芯能存储多少能量，而内阻则与其提供电力的能力密切相关。”
寿命缩短近四分之一，大量潜在能量未被利用
分析结果显示，电芯间的不一致性对电池组寿命的影响远超预期。在两个车队中，这种不一致性导致电池包寿命缩短了约 18–23%，功率能力降低了约 13–15%。
更令人关注的是能量利用率的问题。当电池包达到退役标准时，乘用车中约有五分之一的潜在寿命能量资源因最弱电芯的限制而未被利用；而在公交车中，这一比例超过四分之一。Zou 表示：“最令我惊讶的不是电芯不一致性很重要，而是这种影响在车辆整个生命周期内累积后变得如此巨大。”
需要澄清的是，这并不意味着每次出行都会损失 19% 或 27% 的能量。相反，健康的电芯仍保有可用容量，只是当最弱的电芯开始限制整个电池包的性能时，系统不得不提前终止使用周期。此外，研究还发现，充电状态不平衡通常仅使可用充电容量减少不到 2%，真正的瓶颈在于电芯老化速度的差异。
从被动监测到主动重构
这项研究证实，电芯间的不一致性是制约当前两类主流锂离子电池性能与寿命的关键因素。这些数据为改进制造一致性、优化电芯筛选与分组、提升热管理效率以及加强电芯级监测提供了定量支持。
未来，解决思路可能转向更先进的技术方案，如可重构电池系统。这类系统允许工程师在运行时改变电池之间的电气连接，根据个体电芯或电芯组的状态和预测寿命动态调整其使用方式。
“对于我们在查尔默斯理工大学的研究小组来说，下一步将从测量问题转向积极缓解问题，”Zou 补充道，“一个特别有前途的方向是可重新配置的电池系统。我们已经在这方面进行了探索，并量化了动态重构在延长电池寿命和降低全生命周期成本方面的潜力。”
此外，研究团队还在《Joule》杂志上发表了一篇观点文章，概述了交流原生（AC-native）电池架构如何通过改善电芯级监控、能源路由和故障隔离来提升系统效能。
