从固定到灵活：为什么可重构电池组在现代电动汽车中很重要

作者：时间：2025-08-08 来源：

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可重构电池组动态调整内部连接、电压、电流分布和功率输出。与传统的固定电池组不同，它们可以隔离有故障的电池、平衡功率负载并响应动态能源需求。这些功能对于电动汽车 （EV）以及可再生能源存储和智能电网基础设施变得越来越重要。

本文研究了可重新配置电动汽车电池组的主要功能，重点关注主动开关、选择性平衡和动态负载管理等技术。它还回顾了大规模采用的主要障碍，并概述了电动汽车以外的新兴应用，包括电网规模存储和可再生能源集成。

主要功能

如图 1 所示，可重构电池组通过实时调整串并联连接将无源电池组转变为自适应系统。

图 1.可重构电池系统使用可控开关、嵌入式控制器和模块化电池组拓扑来管理电流并优化性能。（图片：UNL Digital Commons)

这些电池组属于更广泛的可重构电池系统（RBS），它利用电力电子开关、智能电池管理系统（BMS）和控制算法来确定何时以及如何跨不同硬件拓扑重新配置电池组。

可重构电池组的核心功能包括：

通过隔离受损的单元或模块而不禁用整个包来提供容错能力。
通过重新分配电流来平衡负载，以平衡电池之间的充电状态（SoC）、电压和温度。
根据动态功率和能源需求在串联和并联路径之间切换，实时重新配置。
通过在统一系统内协调半固体、铁-空气和锂离子子组来支持潜在的混合化学成分。
通过设计实现快速模块化更换，便于在 5 分钟内更换电池组。

这些功能支持更长的续航里程、更长的循环寿命、更快的充电和更高的可靠性。

主动交换、平衡和负载管理

可重构电池组利用多项核心技术来支持实时适应、确保安全并延长使用寿命。

有源电池开关使用固态继电器或 MOSFET H 桥来旁路或重新连接单个电池或模块。这使得 BMS 能够围绕老化或故障的单元重新路由电流，保持电池组连续性，并根据负载条件调整电压和配置。

图 2.主动平衡系统在电池之间重新分配电荷，以平衡充电状态（SoC）并减少能量损失。（图片：Monolithic Power)

如图 2 所示，主动平衡通过均衡整个电池组的 SoC 来补充有源电池开关。

它不是将多余的能量作为热量消散，而是使用双向转换器将电荷从高容量电池转移到低容量电池。算法识别不平衡并确定其优先级，以减少开关、热循环和长期退化。

动态负载管理协调这些功能。实时遥测使 BMS 能够预测负载瞬变并重新配置电池组拓扑，以保持均匀的电流分布、安全的电压和温度范围，以及在可变需求下高效运行。

实际电动汽车应用

越来越多的商业和预商业化项目表明，可重构电池技术已经超越了实验室。尽管完全可重构的系统仍然有限，但一些制造商正在部署具有可重构元件的系统。示例包括：

宁德时代（中国）正在部署 1,000 多个使用模块化、可重构电池组的电池更换站。每个充电站在几分钟内更换一个耗尽的模块;然后，车载开关调整串并联路径以匹配车辆的电压和电流，同时隔离弱电池并平衡负载。
比亚迪（中国）在其 1,000 V 刀片电池中融入了先进的分区和管理功能。热独立区域根据温度、SoC 和性能激活电池，实现 5 分钟、400 公里的快速充电，同时降低镀锂风险并支持混合化学成分。
Pulsetrain GmbH（德国）集成了基于人工智能的动力总成，每隔几毫秒评估一次电池健康状况和负载预测，重新布线内部连接以减少电流峰值和温度梯度。早期现场数据表明，电动公交车和送货车等高负荷车辆的可用循环寿命延长了 80%。

扩展：挑战与机遇

可重新配置的电池组为电动汽车制造商提供了关键的运营优势，包括延长续航里程、延长循环寿命、更快的充电速度和更高的可靠性。然而，大规模采用仍然受到一些技术和经济限制的限制。

成本是最直接的障碍之一。模块化封装结构、电力电子开关和智能 BMS 增加了系统复杂性并提高了物料清单（BOM）。这些要求还带来了集成挑战，尤其是在空间和成本受限的汽车和电网环境中。

缺乏标准化造成了另一个障碍。如果没有通用接口协议和兼容的硬件格式，制造商之间的互作性仍然有限。这种碎片化减缓了多供应商生态系统的采用速度，限制了设计灵活性，并使长期维护变得复杂。

热管理和安全还需要比传统电池系统更先进的策略，因为实时重新配置引入了额外的故障模式和控制层。

AI、自适应控制和先进材料

研究人员正在开发基于人工智能和机器学习的方法，以优化可重构电池组的性能并延长其使用寿命。例如，马凯特大学的一个团队最近展示了动态重新配置包拓扑以纠正 SoC 不平衡的 ML 算法。

该系统使用可控交换机网络调整小区连接，以提高 SoC 的均匀性并延长运行时间。该框架将扩展卡尔曼滤波（EKF）与高保真电池模型相结合，以优化不同负载条件下的平衡精度。

宾夕法尼亚州立大学在 ARPA-E 的支持下开展的类似工作侧重于自适应电池组，这些电池组可以淘汰老化的电池、重新分配电流并标记单元以进行更换。这种策略可以减少新电池组的过度设计，从而在不影响长期性能的情况下降低成本和重量。

材料和电池组架构的进步也支持可扩展性。固态和半固体化学物质受益于根据热或机械限制隔离或分组电池的设计。高性能电极（例如硅阳极和高镍阴极）可提高能量密度，而 3D 电池组结构可优化散热和充电效率。

电网规模应用和可再生能源并网

分析师预计，到 2024 年，全球苏格兰皇家银行市场价值将达到 82.7 亿美元，复合年增长率为 15.29%，到 2034 年将达到 342.9 亿美元。对适应性强、可扩展的储能的需求推动了电动汽车、可再生基础设施和智能能源管理系统的增长。开发可重构电池技术的主要参与者包括特斯拉、松下、LG 化学和 QuantumScape。

除了电动汽车之外，智能电网和可再生能源存储运营商也越来越多地部署具有可重新配置功能的电池系统。这些系统提供相同的动态功能，支持大规模的长期存储、负载平衡和混合化学品。

如图 3 所示，Form Energy 的铁空气电池利用模块化、可重新配置的架构，为公用事业规模的应用提供 100 小时的备用电源。该系统减少了维护，适应了混合化学成分，并在风能和太阳能发电的典型可变负载曲线下可靠运行。