电池包不再“一损俱损”：动态重构延寿超20%，还能降低全寿命成本

【研究背景】

当代交通运输系统仍高度依赖化石燃料，电动汽车被视为交通脱碳的重要路径，但高能量、高功率需求使电池包包含大量串并联电芯，制造差异和非均匀运行条件会导致电芯性能分化，使传统固定构型电池包受最弱电芯限制，甚至因单个电芯过早失效而导致整个模块或电池包报废。动态重构可通过开关硬件和实时控制改变电芯连接关系，实现更均匀利用、弱电芯旁路和故障隔离，但也面临硬件复杂、集成难度和初始成本增加等问题。现有研究多关注主动均衡和故障诊断，尚缺乏跨退化情景、环境条件和使用模式的系统性技术经济评估。

【内容简介】

近日，瑞典查尔姆斯理工大学Changfu Zou团队提出一种系统性的、不依赖具体电池技术的动态电池重构评估框架。研究结合大规模虚拟电芯群体、经实验验证的等效电路与半经验老化模型，在不同电池化学体系、拓扑结构、使用强度和温度分布下开展设计空间探索，并通过1000次蒙特卡洛模拟比较传统与可重构电池包的寿命差异。在此基础上，进一步开展系统级成本分析，定量评估寿命增益向经济收益的转化，并识别具有经济可行性的设计、使用和成本阈值。

相关研究成果以“System-level assessment of dynamic reconfiguration for lifetime and cost outcomes in electric vehicle battery packs”为题发表在《Nature Communications》。

【结果与讨论】

研究首先在代表性真实运行条件和设计情景下系统评估动态电池重构的潜力，考虑制造差异、热环境、使用模式、系统电压和电芯化学体系五类因素。制造差异由寿命初期（BOL）容量和电阻的电芯间离散程度表征；热环境由长期平均电芯温度和空间温度非均匀性表征；使用模式以静置时间比例描述；系统电压对应串联电芯数量；化学体系则分别考察磷酸铁锂（LFP）和锂镍锰钴氧化物（NMC）电芯。共评估240种情景，其中216种针对LFP、24种针对NMC；每种情景均进行1000次蒙特卡洛模拟，以获得寿命延长值χ的分布，并提取平均寿命延长χ̄及其标准偏差sχ。

如图1所示，每个可重构电池单元由一个电芯和两个可控开关组成，可在运行过程中独立接入或旁路电芯，从而动态改变电芯连接关系。相比固定拓扑的传统电池包（CBP），可重构电池包（RBP）能够绕过或隔离弱电芯，使电芯利用更加均匀，并缓解局部故障和非均匀老化带来的性能瓶颈。

图1 动态可重构电池包（RBP）的物理架构。

制造差异是影响重构收益的重要因素。电极涂布、材料载量、孔隙率和SEI形成等差异会造成电芯间性能分散，即使经过化成、分级和分选，电芯性能也会随时间逐渐分化。图2a表明，随着制造差异增大，LFP电芯χ̄的中位数由6.37%升至9.05%，sχ由1.41%升至1.94%，而两种测试条件下的变异系数基本相当。这说明，电池包异质性越强，动态重构通常越能发挥作用，且不会按比例放大结果不确定性。对于首次使用系统，动态重构虽不能取代基本质量控制，但可降低对昂贵筛选和分选的依赖，并允许更大容量离散范围的电芯得到有效利用；对于梯次利用电池，则可通过旁路性能较差电芯，更充分利用剩余容量，缓解不均衡并延长功能寿命。

热环境的影响主要体现在温度分布而非平均温度。图2b显示，当长期平均温度μT由25 °C升至45 °C时，χ̄中位数仅由7.72%略降至7.55%，sχ由1.70%降至1.69%，说明适度改变热管理设定点对重构收益影响有限。这种轻微下降并非由于电芯间差异减小，而是因为高温加速整体退化，缩短了重构缓解差异化老化的时间窗口。相比之下，图2c显示，更大的空间温度梯度会显著放大重构优势：当σT由0增至0.84 °C、对应整个电池包3σT=±2.5 °C时，χ̄中位数由6.20%升至10.17%，sχ由1.38%升至1.95%。这是因为局部高温会加速部分电芯退化，扩大容量和电阻失衡，而重构可通过旁路或隔离热应力过大的电芯进行缓解。因此，BTMS与动态重构具有互补性：前者在较慢时间尺度上降低平均温度和整体热失衡，后者在更快的电气时间尺度上缓解局部温度峰值和热梯度。

使用模式的影响相对较小。图2d中，高利用率条件主要受循环老化主导，低利用率条件主要受日历老化主导，但LFP电芯χ̄中位数仅由7.32%升至7.77%，sχ由1.65%升至1.71%。这表明，无论电池进行高强度循环还是长时间闲置，RBP相较CBP均能稳定延长寿命。

系统电压则具有更显著的影响。图2e表明，随着串联电芯数量增加，χ̄中位数由3.85%升至10.31%，而sχ由1.76%降至1.52%，说明高电压架构不仅寿命延长更明显，而且结果更稳定。在CBP中，串联电芯越多，至少出现一个容量或电阻严重失配、或提前达到寿命终点（EOL）的弱电芯的概率越高，而单个弱电芯即可触发整个电池包提前失效；RBP则可选择性旁路或隔离性能较差电芯，因此串联电芯越多，其重构灵活性和整体收益越高。

不同化学体系的比较进一步显示，NMC通常比LFP获得更大的寿命增益。制造差异增大时，NMC电池包χ̄中位数由7.86%升至18.75%，sχ由1.84%升至4.62%，表明重构在本征老化差异更强的NMC体系中更加有效，但情景间变化也更明显。使用模式对NMC的影响与LFP略有不同：当静置比例tᵣₑₛₜ由0.2增至0.95时，寿命延长由10.56%降至9.76%，这可能与NMC更易发生日历老化有关。图2f显示，在低电压和400 V系统中，NMC的χ̄中位数分别为8.78%和16.21%，均高于LFP的6.39%和9.41%；800 V NMC系统的寿命延长中位数达到17.95%，标准偏差为2.88%。

图2 寿命延长对关键系统和环境因素的敏感性。

为评估真实应用意义，研究将动态重构的寿命延长结果映射到来自15家制造商的20款代表性EV车型。图3显示，重构收益随系统电压升高而增加，但呈对数而非线性趋势。奥迪Q5等轻度混合动力汽车约为47.6 V，寿命增益约7%；特斯拉Model Y和比亚迪海狮等300–400 V主流BEV约可延长10%；保时捷Taycan、起亚EV9和Iveco S-eWay等500–750 V高电压平台的收益超过24%。在相同电压水平下，NMC车型始终高于LFP车型，说明动态重构特别适合长续航、高性能和商用高电压EV。

图3 动态重构在代表性电动汽车（EV）车型中实现的估算平均寿命延长（χ̄）。

技术收益能否转化为实际优势最终取决于经济可行性。研究比较了RBP和CBP的净现值成本（NPC），综合考虑初始投资、运行维护、能源损耗、电池更换和残值，并对车辆寿命、年行驶里程L、RBP初始成本因子ν、贴现率、O&M成本率、欧姆损耗增幅δloss、标称电池包能量Eₚₐcₖⁿᵒᵐ和化学体系进行敏感性分析。

图4a所示基准情景采用80 kWh LFP电池包和18.8年EV寿命。RBP因额外功率电子器件而具有更高初始成本、更换成本及略高能源损耗，但能够通过推迟电池更换和保留更高残值进行补偿：更换时间推迟1.1年，残值比CBP高19%以上。图4c显示，基准情景下RBP与CBP在9.1年后实现成本持平，到车辆寿命终点累计节省941欧元，相当于CBP全寿命成本的5.61%和初始成本的11.95%。最有利情景下，图4b显示2.4年即可实现盈亏平衡，并节省3584欧元；最不利情景中，图4d显示RBP始终无法收回额外成本，反而比CBP多支出2258欧元，说明RBP并非在所有条件下都具有经济优势。

图4 可重构电池包（RBP）相对于传统电池包（CBP）的成本构成和累计净现值成本轨迹。正的ΔNPC表示RBP相对于CBP实现了全寿命周期成本节省；NPC，净现值成本。

敏感性分析表明，标称电池包能量Eₚₐcₖⁿᵒᵐ是最重要的经济因素，Spearman相关系数ρ=0.61。图5b给出的线性回归结果显示，成本盈亏平衡阈值为49.72 kWh，低于该值时RBP不太可能取得全寿命成本优势。因此，长续航乘用车和重型EV具有更大潜力。年行驶里程L与ΔNPC呈负相关（ρ=−0.47），图5c给出的盈亏平衡阈值为52,748 km；多数真实EV远低于该值。RBP初始成本因子ν同样与ΔNPC负相关（ρ=−0.37），图5d给出的盈亏平衡阈值为11.82%。

进一步的二维设计空间分析见图5e：当ν低于约7.16%、年行驶里程低于12,150 km时，至少99.7%的测试情景均满足ΔNPC>0，因此这一范围可作为稳健且保守的实施指南。图5f进一步显示，在有利设计区域内，LFP和NMC的中位节省金额分别增至1040欧元和1209欧元，最大值分别超过3200欧元和3500欧元；NMC的更高收益主要来自其更大的寿命延长。此外，针对不同欧洲电价和车辆能耗开展的敏感性分析显示，对于容量不低于50 kWh的大型电池包，在全部测试条件下，具有经济优势的情景始终占多数，而小型电池包的经济可行性对这些参数更加敏感。

图5 可重构电池包（RBP）全寿命成本收益（ΔNPC）的敏感性分析。NPC，净现值成本；CBP，传统电池包。

对于重构粒度，本文结果基于完全电芯级重构，即每个电芯均可独立接入或旁路，因此代表可实现性能的上限。实际工业研究更多采用电芯簇级或电池串级重构，以在性能增益、硬件复杂性、封装和可靠性之间折中。粒度越粗，系统越难识别并隔离局部退化，因此可实现的寿命和经济收益与架构能够解析异质性的层级直接相关。重构不应被视为“有或无”的二元选择，而应视为由架构分辨率定义的连续体。

经济模型采用SOH与残值线性映射、寿命延长均匀分布以及固定欧姆损耗范围等静态假设，主要用于识别主导趋势、盈亏平衡阈值和设计边界，而不是预测具体市场结果。实际梯次利用价值还受单个电芯退役状态、认证框架、系统集成标准和责任体系影响，因此在可直接进行电池包级再利用的场景中，本文对RBP残值收益的估计可能偏保守。

与更严格分选、容量冗余、主动/被动均衡和模块化更换等策略相比，动态重构的独特之处在于直接通过拓扑结构处理异质性。前述策略分别作用于制造、设计、运行或维护的特定阶段，而动态重构能够改变非均匀性在运行过程中如何传播、被容忍和被管理，把结构刚性的电池包转变为可根据电芯状态进行电气自适应的系统。

尽管本文以EV为背景，但该框架并不限于交通运输领域，也可扩展至固定式储能等具有不同占空比、功率曲线和运行约束的系统。不过，不同领域具有各自的安全、安装、认证、集成和责任要求，因此需要根据具体约束重新参数化，而不能直接移植基于EV得到的结果。

【结论】

本研究建立了评估动态电池重构寿命与成本效益的定量框架。结果表明，RBP可在不同架构、化学体系和使用模式下延长寿命，高电压、较强电芯异质性和较大热梯度下优势更显著。经济分析显示，约50 kWh以上电池包更可能获得成本收益；当额外初始成本低于7.16%、年行驶里程低于12,150 km时，RBP几乎普遍具有经济优势。

Škegro, A., Wik, T., Bijlenga, B. et al. System-level assessment of dynamic reconfiguration for lifetime and cost outcomes in electric vehicle battery packs. Nat Commun17, 5980 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-74951-8

文章来源：能源学人