面向人群：产品研发工程师、合规认证工程师
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标准版本：UL 2595 First Edition (2013)，Section 10
1. 问题背景
锂电池组由多节电芯串联组成。理论上所有电芯应当同步充放电，但现实中电芯制造公差、自放电率差异、使用老化等因素会导致各电芯的荷电状态（SOC）逐渐分化。当一组电池中某些电芯 SOC 偏高、某些偏低时，充电过程中高 SOC 电芯可能提前达到电压上限，而充电器尚未停止——这就是 UL 2595 Section 10 要验证的核心风险。
2. 核心概念：Specified Operating Region
理解 Section 10 之前，必须先理解 Specified Operating Region（指定工作区域）。这是电芯制造商为每款电芯定义的安全边界，由三个参数共同构成：
| 参数 | 含义 | 来源 |
|---|---|---|
| Upper Limit Charging Voltage (ULCV) | 充电时允许的最高电压 | 电芯规格书，经 UL 1642 验证 |
| Maximum Charging Current (Ic) | 充电时允许的最大电流 | 电芯规格书，与温度相关 |
| Temperature Range | 充电时允许的温度范围 | 电芯制造商声明 |
Section 10 的核心要求可以概括为一句话：在整个正常充电过程中，任何电芯的电压、电流、温度均不得超出其 Specified Operating Region。
3. 测试流程
Section 10 的测试分为四个步骤，其中 Step 2（不平衡充电）是 UL 2595 独有的要求，IEC 标准中并无对应项。
3.1 测试条件总览
| 步骤 | 适用对象 | 电池状态 | 环境温度 |
|---|---|---|---|
| Step 1 | 所有锂电池系统 | 完全放电 | 20±5°C |
| Step 2 | 仅串联电池组 | 一节 50%，其余 0% | 20±5°C |
| Step 3 | 宽温产品 | 同 Step 1+2 | 最低/最高工作温度 |
| Step 4 | 常开型设备 | 持续工作 12h 后 | 20±5°C |
3.2 Step 1：基础充电测试
将完全放电的电池按说明书要求充电，全程监控每节电芯的电压、温度和充电电流。电压测量需使用 5kHz 低通滤波器（Section 5.5），电流测量取 1-5 秒平均值（Section 5.10），热电偶位置按 Section 5.8 要求贴在电芯最长边的外表面中点。
3.3 Step 2：不平衡充电测试（核心）
这是本文的重点。对于串联电池组：
- 将电池组完全放电
- 选取一节电芯，单独充电至约 50% SOC
- 其余电芯保持完全放电状态
- 将整组电池按说明书正常充电
- 监控所有电芯的电压、电流、温度
目的：模拟实际使用中最恶劣的不平衡场景——一节电芯 SOC 远高于其他电芯时，充电器是否仍能保证所有电芯不超出安全边界。
对于并联簇结构（series arrangement of parallel clusters），每个并联簇视为一个"电芯"处理（Section 5.13）。
3.4 Step 3：极端温度条件
如果产品说明书标明最低工作温度低于 4°C，或最高工作温度高于 40°C，则需在对应极端温度下重复 Step 1 和 Step 2。温度容差：低温 +0/-5°C，高温 +5/-0°C。
3.5 Step 4：长时待机后充电
针对手电筒、胶枪、风扇等可能被用户长时间开启后忘记关机的设备：让设备持续运行至少 12 小时后再充电。这模拟了电池深度放电后立即充电的场景。
4. 关键技术问题：50% 不平衡度能否降低？
50% 是一个相当严苛的测试条件。Section 10.6 提供了两条降低不平衡度的路径：
路径 A：循环老化实测
按制造商说明书反复充放电，直到电池容量衰减至额定容量的 80%。取老化结束时的实际不平衡度作为测试条件。如果你的电池在老化后最大不平衡度仅为 10%，那么测试时可以只用 10% 不平衡度。
路径 B：设计论证
如果电池包内置了主动均衡电路，或者在串联数较少（如 2S、3S）的系统中，可以证明实际使用中不会出现 50% 不平衡度。例如，某个 2S 系统在 10% 不平衡度时产品就已无法正常工作，那么 10% 就是实际可能的最大不平衡度。
选择建议
| 场景 | 推荐路径 | 理由 |
|---|---|---|
| 有均衡电路 | 路径 B | 均衡电路本身就是设计证明 |
| 无均衡电路、多串数 | 路径 A | 实测数据最有说服力 |
| 无均衡电路、少串数 | 路径 B | 产品功能限制本身就是证明 |
| 时间紧迫 | 直接 50% | 省去论证工作，一步到位 |
5. 监控要点
测试过程中，以下数据必须全程记录：
| 监控对象 | 方法 | 参考章节 |
|---|---|---|
| 每节电芯电压 | 5kHz 低通滤波，±1% 精度 | Section 5.5 |
| 每节电芯温度 | 24-30 AWG 热电偶，贴于最长边中点 | Section 5.8, 5.9 |
| 充电电流 | 1-5s 平均值 | Section 5.10 |
| 并联支路电流 | 仅当充电器输出电流可能超过单电芯 Ic 时 | Section 10.4(a) |
此外，测试前充满电的电池需静置 2-6 小时（Section 5.11）。
6. 常见误区
误区一："不平衡测试只针对劣质电芯"
电芯不平衡是必然发生的物理现象，与电芯质量无关。即使是同一批次、同一产线的电芯，在数百次循环后也会出现 SOC 分化。Section 10 测试的是 BMS 的均衡能力，而非电芯品质。
误区二："单串电池不需要做不平衡测试"
正确。Section 10.5 明确要求仅串联电池组需要不平衡测试。单电芯或纯并联电池组跳过 Step 2。
误区三："测试温度只要室温就行"
如果你的产品说明书写了 -10°C 到 50°C 的工作范围，那么低温测试在 -10°C（+0/-5°C），高温测试在 50°C（+5/-0°C）进行。不要只在室温下测试。
误区四："充电器限制总电压就够了"
这是最常见的错误认知。假设一个 4S 电池组，ULCV 为 4.25V/节，充电器总限压 16.8V（4.2V×4）。如果三节电芯在 3.8V、一节在 4.3V，总电压 15.7V 远低于 16.8V 限制，但那节 4.3V 的电芯已经超出 ULCV。必须监控每节电芯。
7. 设计建议清单
- 确认电芯规格书中 ULCV、Ic 和充电温度范围
- 评估是否需要 Step 3（宽温产品）和 Step 4（常开型设备）
- 决定不平衡度策略：直接 50% 还是论证降低
- 如选择降低，准备循环老化数据或设计论证报告
- 准备多通道电压/温度/电流数据采集系统
- 确保电压测量链路中有 5kHz 低通滤波器
- 准备 5.25V/8A DC 电源（如适用 USB 充电）
- 测试前确认电池已完成 2 次完整的充放电条件循环（Section 5.6）
8. 总结
Section 10 的不平衡充电测试是 UL 2595 中最具特色的要求之一，也是产品研发中容易被忽视的环节。核心逻辑：
- 电芯有安全边界（Specified Operating Region），由电芯制造商定义
- 正常充电不能越界，无论电池处于什么初始状态
- 不平衡是常态，测试必须覆盖 50% 不平衡度（或证明更低值合理）
- 监控到每节电芯，只看总电压不够
BMS 的均衡策略设计应从一开始就考虑这项测试——如果等到认证阶段才发现问题，返工成本会非常高。