從固定到靈活：為什么可重構(gòu)電池組在現(xiàn)代電動(dòng)汽車中很重要

可重構(gòu)電池組動(dòng)態(tài)調(diào)整內(nèi)部連接、電壓、電流分布和功率輸出。與傳統(tǒng)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(fù)載并響應(yīng)動(dòng)態(tài)能源需求。這些功能對(duì)于電動(dòng)汽車 （EV） 以及可再生能源存儲(chǔ)和智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施變得越來(lái)越重要。

本文研究了可重新配置電動(dòng)汽車電池組的主要功能，重點(diǎn)關(guān)注主動(dòng)開(kāi)關(guān)、選擇性平衡和動(dòng)態(tài)負(fù)載管理等技術(shù)。它還回顧了大規(guī)模采用的主要障礙，并概述了電動(dòng)汽車以外的新興應(yīng)用，包括電網(wǎng)規(guī)模存儲(chǔ)和可再生能源集成。

主要功能

如圖 1 所示，可重構(gòu)電池組通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整串并聯(lián)連接將無(wú)源電池組轉(zhuǎn)變?yōu)樽赃m應(yīng)系統(tǒng)。

這些電池組屬于更廣泛的可重構(gòu)電池系統(tǒng) （RBS），它利用電力電子開(kāi)關(guān)、智能電池管理系統(tǒng) （BMS） 和控制算法來(lái)確定何時(shí)以及如何跨不同硬件拓?fù)渲匦屡渲秒姵亟M。

可重構(gòu)電池組的核心功能包括：

• 通過(guò)隔離受損的單元或模塊而不禁用整個(gè)包來(lái)提供容錯(cuò)能力。

• 通過(guò)重新分配電流來(lái)平衡負(fù)載，以平衡電池之間的充電狀態(tài) （SoC）、電壓和溫度。

• 根據(jù)動(dòng)態(tài)功率和能源需求在串聯(lián)和并聯(lián)路徑之間切換，實(shí)時(shí)重新配置。

• 通過(guò)在統(tǒng)一系統(tǒng)內(nèi)協(xié)調(diào)半固體、鐵-空氣和鋰離子子組來(lái)支持潛在的混合化學(xué)成分。

• 通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)快速模塊化更換，便于在 5 分鐘內(nèi)更換電池組。

這些功能支持更長(zhǎng)的續(xù)航里程、更長(zhǎng)的循環(huán)壽命、更快的充電和更高的可靠性。

主動(dòng)交換、平衡和負(fù)載管理

可重構(gòu)電池組利用多項(xiàng)核心技術(shù)來(lái)支持實(shí)時(shí)適應(yīng)、確保安全并延長(zhǎng)使用壽命。

有源電池開(kāi)關(guān)使用固態(tài)繼電器或 MOSFET H 橋來(lái)旁路或重新連接單個(gè)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(xù)性，并根據(jù)負(fù)載條件調(diào)整電壓和配置。

如圖 2 所示，主動(dòng)平衡通過(guò)均衡整個(gè)電池組的 SoC 來(lái)補(bǔ)充有源電池開(kāi)關(guān)。

它不是將多余的能量作為熱量消散，而是使用雙向轉(zhuǎn)換器將電荷從高容量電池轉(zhuǎn)移到低容量電池。算法識(shí)別不平衡并確定其優(yōu)先級(jí)，以減少開(kāi)關(guān)、熱循環(huán)和長(zhǎng)期退化。

動(dòng)態(tài)負(fù)載管理協(xié)調(diào)這些功能。實(shí)時(shí)遙測(cè)使 BMS 能夠預(yù)測(cè)負(fù)載瞬變并重新配置電池組拓?fù)?，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(yùn)行。

實(shí)際電動(dòng)汽車應(yīng)用

越來(lái)越多的商業(yè)和預(yù)商業(yè)化項(xiàng)目表明，可重構(gòu)電池技術(shù)已經(jīng)超越了實(shí)驗(yàn)室。盡管完全可重構(gòu)的系統(tǒng)仍然有限，但一些制造商正在部署具有可重構(gòu)元件的系統(tǒng)。示例包括：

• 寧德時(shí)代（中國(guó)）正在部署 1,000 多個(gè)使用模塊化、可重構(gòu)電池組的電池更換站。每個(gè)充電站在幾分鐘內(nèi)更換一個(gè)耗盡的模塊;然后，車載開(kāi)關(guān)調(diào)整串并聯(lián)路徑以匹配車輛的電壓和電流，同時(shí)隔離弱電池并平衡負(fù)載。

• 比亞迪（中國(guó)）在其 1,000 V 刀片電池中融入了先進(jìn)的分區(qū)和管理功能。熱獨(dú)立區(qū)域根據(jù)溫度、SoC 和性能激活電池，實(shí)現(xiàn) 5 分鐘、400 公里的快速充電，同時(shí)降低鍍鋰風(fēng)險(xiǎn)并支持混合化學(xué)成分。

• Pulsetrain GmbH（德國(guó)）集成了基于人工智能的動(dòng)力總成，每隔幾毫秒評(píng)估一次電池健康狀況和負(fù)載預(yù)測(cè)，重新布線內(nèi)部連接以減少電流峰值和溫度梯度。早期現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明，電動(dòng)公交車和送貨車等高負(fù)荷車輛的可用循環(huán)壽命延長(zhǎng)了 80%。

擴(kuò)展：挑戰(zhàn)與機(jī)遇

可重新配置的電池組為電動(dòng)汽車制造商提供了關(guān)鍵的運(yùn)營(yíng)優(yōu)勢(shì)，包括延長(zhǎng)續(xù)航里程、延長(zhǎng)循環(huán)壽命、更快的充電速度和更高的可靠性。然而，大規(guī)模采用仍然受到一些技術(shù)和經(jīng)濟(jì)限制的限制。

成本是最直接的障礙之一。模塊化封裝結(jié)構(gòu)、電力電子開(kāi)關(guān)和智能 BMS 增加了系統(tǒng)復(fù)雜性并提高了物料清單 （BOM）。這些要求還帶來(lái)了集成挑戰(zhàn)，尤其是在空間和成本受限的汽車和電網(wǎng)環(huán)境中。

缺乏標(biāo)準(zhǔn)化造成了另一個(gè)障礙。如果沒(méi)有通用接口協(xié)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(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)的采用速度，限制了設(shè)計(jì)靈活性，并使長(zhǎng)期維護(hù)變得復(fù)雜。

熱管理和安全還需要比傳統(tǒng)電池系統(tǒng)更先進(jìn)的策略，因?yàn)閷?shí)時(shí)重新配置引入了額外的故障模式和控制層。

AI、自適應(yīng)控制和先進(jìn)材料

研究人員正在開(kāi)發(fā)基于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，以優(yōu)化可重構(gòu)電池組的性能并延長(zhǎng)其使用壽命。例如，馬凱特大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)最近展示了動(dòng)態(tài)重新配置包拓?fù)湟约m正 SoC 不平衡的 ML 算法。

該系統(tǒng)使用可控交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整小區(qū)連接，以提高 SoC 的均勻性并延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。該框架將擴(kuò)展卡爾曼濾波 （EKF） 與高保真電池模型相結(jié)合，以優(yōu)化不同負(fù)載條件下的平衡精度。

賓夕法尼亞州立大學(xué)在 ARPA-E 的支持下開(kāi)展的類似工作側(cè)重于自適應(yīng)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(biāo)記單元以進(jìn)行更換。這種策略可以減少新電池組的過(guò)度設(shè)計(jì)，從而在不影響長(zhǎng)期性能的情況下降低成本和重量。

材料和電池組架構(gòu)的進(jìn)步也支持可擴(kuò)展性。固態(tài)和半固體化學(xué)物質(zhì)受益于根據(jù)熱或機(jī)械限制隔離或分組電池的設(shè)計(jì)。高性能電極（例如硅陽(yáng)極和高鎳陰極）可提高能量密度，而 3D 電池組結(jié)構(gòu)可優(yōu)化散熱和充電效率。

電網(wǎng)規(guī)模應(yīng)用和可再生能源并網(wǎng)

分析師預(yù)計(jì)，到 2024 年，全球蘇格蘭皇家銀行市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到 82.7 億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為 15.29%，到 2034 年將達(dá)到 342.9 億美元。對(duì)適應(yīng)性強(qiáng)、可擴(kuò)展的儲(chǔ)能的需求推動(dòng)了電動(dòng)汽車、可再生基礎(chǔ)設(shè)施和智能能源管理系統(tǒng)的增長(zhǎng)。開(kāi)發(fā)可重構(gòu)電池技術(shù)的主要參與者包括特斯拉、松下、LG 化學(xué)和 QuantumScape。

除了電動(dòng)汽車之外，智能電網(wǎng)和可再生能源存儲(chǔ)運(yùn)營(yíng)商也越來(lái)越多地部署具有可重新配置功能的電池系統(tǒng)。這些系統(tǒng)提供相同的動(dòng)態(tài)功能，支持大規(guī)模的長(zhǎng)期存儲(chǔ)、負(fù)載平衡和混合化學(xué)品。

如圖 3 所示，F(xiàn)orm Energy 的鐵空氣電池利用模塊化、可重新配置的架構(gòu)，為公用事業(yè)規(guī)模的應(yīng)用提供 100 小時(shí)的備用電源。該系統(tǒng)減少了維護(hù)，適應(yīng)了混合化學(xué)成分，并在風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電的典型可變負(fù)載曲線下可靠運(yùn)行。

在中國(guó)，WeLion部署了基于可重構(gòu)模塊的200 MWh半固態(tài)陣列。這些電池組根據(jù)電網(wǎng)需求動(dòng)態(tài)移動(dòng)活動(dòng)區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)峰和延長(zhǎng)放電。

總結(jié)

可重新配置的電動(dòng)汽車電池組可動(dòng)態(tài)調(diào)整內(nèi)部連接，以滿足實(shí)時(shí)電力需求、隔離故障并延長(zhǎng)續(xù)航里程和使用壽命。它們集成了主動(dòng)開(kāi)關(guān)、選擇性平衡和動(dòng)態(tài)負(fù)載管理。人工智能和材料的進(jìn)步繼續(xù)加速電動(dòng)汽車、公用事業(yè)和可再生能源領(lǐng)域的采用。