從固定到靈活：為什么可重構電池組在現代電動汽車中很重要

可重構電池組動態調整內部連接、電壓、電流分布和功率輸出。與傳統的固定電池組不同，它們可以隔離有故障的電池、平衡功率負載并響應動態能源需求。這些功能對于電動汽車 （EV） 以及可再生能源存儲和智能電網基礎設施變得越來越重要。

本文研究了可重新配置電動汽車電池組的主要功能，重點關注主動開關、選擇性平衡和動態負載管理等技術。它還回顧了大規模采用的主要障礙，并概述了電動汽車以外的新興應用，包括電網規模存儲和可再生能源集成。

主要功能

如圖 1 所示，可重構電池組通過實時調整串并聯連接將無源電池組轉變為自適應系統。

這些電池組屬于更廣泛的可重構電池系統 （RBS），它利用電力電子開關、智能電池管理系統 （BMS） 和控制算法來確定何時以及如何跨不同硬件拓撲重新配置電池組。

可重構電池組的核心功能包括：

• 通過隔離受損的單元或模塊而不禁用整個包來提供容錯能力。

• 通過重新分配電流來平衡負載，以平衡電池之間的充電狀態 （SoC）、電壓和溫度。

• 根據動態功率和能源需求在串聯和并聯路徑之間切換，實時重新配置。

• 通過在統一系統內協調半固體、鐵-空氣和鋰離子子組來支持潛在的混合化學成分。

• 通過設計實現快速模塊化更換，便于在 5 分鐘內更換電池組。

這些功能支持更長的續航里程、更長的循環壽命、更快的充電和更高的可靠性。

主動交換、平衡和負載管理

可重構電池組利用多項核心技術來支持實時適應、確保安全并延長使用壽命。

有源電池開關使用固態繼電器或 MOSFET H 橋來旁路或重新連接單個電池或模塊。這使得 BMS 能夠圍繞老化或故障的單元重新路由電流，保持電池組連續性，并根據負載條件調整電壓和配置。

如圖 2 所示，主動平衡通過均衡整個電池組的 SoC 來補充有源電池開關。

它不是將多余的能量作為熱量消散，而是使用雙向轉換器將電荷從高容量電池轉移到低容量電池。算法識別不平衡并確定其優先級，以減少開關、熱循環和長期退化。

動態負載管理協調這些功能。實時遙測使 BMS 能夠預測負載瞬變并重新配置電池組拓撲，以保持均勻的電流分布、安全的電壓和溫度范圍，以及在可變需求下高效運行。

實際電動汽車應用

越來越多的商業和預商業化項目表明，可重構電池技術已經超越了實驗室。盡管完全可重構的系統仍然有限，但一些制造商正在部署具有可重構元件的系統。示例包括：

• 寧德時代（中國）正在部署 1,000 多個使用模塊化、可重構電池組的電池更換站。每個充電站在幾分鐘內更換一個耗盡的模塊;然后，車載開關調整串并聯路徑以匹配車輛的電壓和電流，同時隔離弱電池并平衡負載。

• 比亞迪（中國）在其 1,000 V 刀片電池中融入了先進的分區和管理功能。熱獨立區域根據溫度、SoC 和性能激活電池，實現 5 分鐘、400 公里的快速充電，同時降低鍍鋰風險并支持混合化學成分。

• Pulsetrain GmbH（德國）集成了基于人工智能的動力總成，每隔幾毫秒評估一次電池健康狀況和負載預測，重新布線內部連接以減少電流峰值和溫度梯度。早期現場數據表明，電動公交車和送貨車等高負荷車輛的可用循環壽命延長了 80%。

擴展：挑戰與機遇

可重新配置的電池組為電動汽車制造商提供了關鍵的運營優勢，包括延長續航里程、延長循環壽命、更快的充電速度和更高的可靠性。然而，大規模采用仍然受到一些技術和經濟限制的限制。

成本是最直接的障礙之一。模塊化封裝結構、電力電子開關和智能 BMS 增加了系統復雜性并提高了物料清單 （BOM）。這些要求還帶來了集成挑戰，尤其是在空間和成本受限的汽車和電網環境中。

缺乏標準化造成了另一個障礙。如果沒有通用接口協議和兼容的硬件格式，制造商之間的互作性仍然有限。這種碎片化減緩了多供應商生態系統的采用速度，限制了設計靈活性，并使長期維護變得復雜。

熱管理和安全還需要比傳統電池系統更先進的策略，因為實時重新配置引入了額外的故障模式和控制層。

AI、自適應控制和先進材料

研究人員正在開發基于人工智能和機器學習的方法，以優化可重構電池組的性能并延長其使用壽命。例如，馬凱特大學的一個團隊最近展示了動態重新配置包拓撲以糾正 SoC 不平衡的 ML 算法。

該系統使用可控交換機網絡調整小區連接，以提高 SoC 的均勻性并延長運行時間。該框架將擴展卡爾曼濾波 （EKF） 與高保真電池模型相結合，以優化不同負載條件下的平衡精度。

賓夕法尼亞州立大學在 ARPA-E 的支持下開展的類似工作側重于自適應電池組，這些電池組可以淘汰老化的電池、重新分配電流并標記單元以進行更換。這種策略可以減少新電池組的過度設計，從而在不影響長期性能的情況下降低成本和重量。

材料和電池組架構的進步也支持可擴展性。固態和半固體化學物質受益于根據熱或機械限制隔離或分組電池的設計。高性能電極（例如硅陽極和高鎳陰極）可提高能量密度，而 3D 電池組結構可優化散熱和充電效率。

電網規模應用和可再生能源并網

分析師預計，到 2024 年，全球蘇格蘭皇家銀行市場價值將達到 82.7 億美元，復合年增長率為 15.29%，到 2034 年將達到 342.9 億美元。對適應性強、可擴展的儲能的需求推動了電動汽車、可再生基礎設施和智能能源管理系統的增長。開發可重構電池技術的主要參與者包括特斯拉、松下、LG 化學和 QuantumScape。

除了電動汽車之外，智能電網和可再生能源存儲運營商也越來越多地部署具有可重新配置功能的電池系統。這些系統提供相同的動態功能，支持大規模的長期存儲、負載平衡和混合化學品。

如圖 3 所示，Form Energy 的鐵空氣電池利用模塊化、可重新配置的架構，為公用事業規模的應用提供 100 小時的備用電源。該系統減少了維護，適應了混合化學成分，并在風能和太陽能發電的典型可變負載曲線下可靠運行。

在中國，WeLion部署了基于可重構模塊的200 MWh半固態陣列。這些電池組根據電網需求動態移動活動區域，從而實現調峰和延長放電。

總結

可重新配置的電動汽車電池組可動態調整內部連接，以滿足實時電力需求、隔離故障并延長續航里程和使用壽命。它們集成了主動開關、選擇性平衡和動態負載管理。人工智能和材料的進步繼續加速電動汽車、公用事業和可再生能源領域的采用。