電池更換可以滿足電動汽車續航里程和可靠性需求
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可更換電動汽車電池一直被廣泛討論，但在北美很少實施。然而，中國對這項技術做出了重大承諾，不斷變化的市場動態可能會使可更換電池成為更具吸引力的選擇。
在中國，可更換電動汽車電池已經從概念轉變為基石——尤其是對于商業車隊而言。蔚來汽車和寧德時代等公司已經建立了全國網絡，出租車、送貨車和網約車可以在幾分鐘內更換電池，從而減少停機時間并提高生產力。這是為高利用率車隊量身定制的系統。
與此同時，美國車隊部門正在迎頭趕上。由于可更換的車輛越來越少，而且幾乎沒有全國性的基礎設施，美國車隊仍然依賴插電式充電，這占用了車輛和時間。隨著聯邦電動汽車補貼的縮減，美國運營商面臨著最大化投資回報率的越來越大的壓力。快速、模塊化的電池更換可能是答案。對于無法等待數小時充電的車隊來說，中國的模式看起來不那么奇特，而更加重要。
美國可能遲到了電池交換游戲，但技術部分正在到位。像 Ample 這樣的新興企業正在引領潮流，其模塊化、自主換電站旨在改造各種電動汽車——無需重新設計。該公司聲稱其機器人系統可以在 10 分鐘內將耗盡的電池更換為新電池，并且在舊金山和馬德里等城市的試點不斷增加。對于車隊運營商來說，這可能會改變游戲規則。
美國的前進道路涉及兩大推動力：標準化和模塊化。SAE International 已開始起草可更換電池的協議，而組件供應商正在開發通用高壓連接器、智能 BMS 模塊和快速連接熱接口。能源部還一直在資助支持模塊化電池架構的適應性電動汽車平臺的研究。
支持電池更換的電子設計挑戰
設計一種允許在需要時更換電池（無論是手動還是在更換站）的電動汽車 （EV） 會帶來一系列以安全性、兼容性、通信和電源管理為中心的電子設計挑戰。與熱插拔（這意味著零停機時間）不同，該模型允許受控關機或空閑狀態，但仍需要強大而靈活的電子架構。
還有標準和合規因素需要考慮。熟悉一些更明顯的標準和法規是一個好的開始。例如，如果您正在為公共交換站進行工程設計，那么遵守安全和通信標準尤為重要。
在設計方面，目標是與 ISO 15118、IEC 62196 和任何區域電池交換協議兼容，例如與中國相關的蔚來規范。
ISO 15118 是一項國際標準，定義了電動汽車 （EV） 和充電站之間的通信，實現智能充電和即插即充等功能，帶來更便捷、更高效的電動汽車充電體驗。它促進雙向電力傳輸（車輛到電網或 V2G），并確保電動汽車和充電站之間的安全通信。
IEC 62196 是一套國際標準，定義了電動汽車傳導充電中使用的插頭、插座、車輛連接器和車輛插座的要求。這些標準確保電動汽車充電組件的互作性和兼容性。
電氣系統測試可能需要滿足 UNECE R100、SAE J1772 和 UL 2202 的要求。
采用可更換電池的設計挑戰
可更換電池的設計挑戰主要是任何電動汽車的挑戰，但也有一些重要的補充，主要集中在監控問題上：
高壓連接器的安全性和生命周期
電動汽車主電池通常在 400 至 800 V DC 和大電流下運行。通常，連接幾乎是永久性的。對于可更換電池，更頻繁的連接/斷開循環會引發安全性和耐用性問題。
設計人員可以通過電動汽車預充電電路來應對這一挑戰，以避免浪涌電流，采用額定插拔次數數千次的高耐用性連接器，并且最好采用順序觸點設計（例如，控制、接地、電源）。其他考慮因素包括電弧抑制和觸點磨損監測。
電氣隔離和聯鎖
對于設備的使用壽命和設備附近人員的安全來說，確保系統在拆卸電池之前斷電并電氣隔離極為關鍵。同樣，如果使用傳統的不可更換電池，這種情況在車輛的使用壽命中可能發生過一兩次，但更換使其成為核心設計要求。
這意味著要結合隔離檢測電路（例如，絕緣監測設備 - IMD - 可以監測電氣系統中的絕緣電阻，以防止故障并確保安全。此外，通過整合互鎖環路（除非所有機械和電氣條件都安全），否則可以禁用高壓繼電器，以及具有邏輯鎖定功能的接地故障檢測，從而獲得額外的安全層。
電池識別和兼容性
電池更換的阻力之一是車主擔心更換的電池可能有缺陷，從而無法提供足夠的續航里程和功率，甚至對車輛造成損壞。已發表的報告表明，這種擔憂在中國是有效的。因此，具有更換功能的系統必須檢測已安裝的電池并快速可靠地驗證其安全性和兼容性。
這一目標可以借助電池 ID 芯片、EEPROM 或 RFID 進行版本控制來實現;數字握手協議（例如 CAN、ISO 15118）;如果可能，車輛控制單元必須驗證可以推斷的化學成分、容量和電壓范圍。
模塊化電池管理系統 （BMS） 集成
更換電池的 BMS 必須與車輛無縫通信。考慮到硬件和軟件的潛在差異，這說起來容易做起來難。
因此，為了滿足可更換的要求，設計應包括車輛端的固件，該固件靈活且可以支持多種 BMS 變體。在溝通不暢的情況下，還應納入實時錯誤檢測和回退狀態。
重新調整充電狀態 （SOC）
電動汽車系統通常經過優化，可以與特定的電池組配合使用，該電池組可能以可預測的方式老化或在某些電池中出現弱點。由于更換的電池的 SOC 可能與先前電池組中的值非常不同，因此需要結合能夠快速評估和適應的恢復功能。設計人員通常依賴四種主要的 SOC 測定方法（見表）。
所描述的四種估計充電狀態 （SOC） 方法（基于電壓、電流積分、卡爾曼濾波和庫侖計數）中的每一種都有優點和缺點。然而，總的來說，卡爾曼濾波的復雜性為交換應用程序提供了優勢。
這意味著設計應支持快速 SOC 初始化和校正邏輯、日志記錄和分析，以檢測異常 SoC 轉換，并可選地支持負載預測和功率上升延遲以穩定電壓。
熱監測和接口驗證
正如更換的電池可能具有獨特的電氣特性一樣，更換的電池的熱特性也將是獨一無二的。因此，挑戰在于確保電池與車輛的冷卻/加熱系統熱集成。
這意味著要結合傳感器來實時監控電池入口/出口溫度，故障檢測以快速識別冷卻接口是否不工作，以及可能的軟件控制的 HVAC 適配，以管理不同的熱需求。
用于物理互連的機械和傳感器反饋
大型、笨重的電池組件通常需要放置在難以觸及的位置，但必須安全固定并正確放置。車輛必須能夠在為電路通電之前確認物理對準并確保鎖定。
雖然具體選擇會因設計挑戰而異，但可能采用的候選者包括冗余限位開關、霍爾傳感器或稱重傳感器、接觸器關閉前明確的鎖定確認，以及可能為服務技術人員提供顯示連接狀態和物理鎖定狀態的視覺診斷提示。
交換期間的系統電源管理
電池更換的第 22 條軍規是，在運行過程中保持許多核心車輛電子功能可用非常重要。或者，至少，這些功能應該在交換后快速重新啟動和恢復。
這一目標可以通過多種方式實現，例如通過低壓（例如 12 V）提供臨時輔助電源或在電池更換期間提供電動汽車超級電容器備用電源。
除了這些硬件選擇之外，還可以通過整合電力電子和車輛控制單元的快速啟動架構，以及驅動逆變器和 DC-DC 系統的所謂優雅關斷/啟動序列來進一步協助交換活動。
軟件和診斷
軟件是最后（但并非最不重要的）考慮因素。顯然，系統必須在其邏輯、UI 和診斷中適應電池交換方案。這可能需要一些努力來確定和合并。
最佳設計要求可能包括能夠適當響應電池丟失情況的容錯軟件層。還可以考慮將這些功能與車載事件記錄、錯誤報告和用戶通知以及無線 （OTA） 更新基礎設施相結合，以實現 BMS 和車輛軟件兼容性。
正如本文開頭所指出的，北美在采用換電技術方面遠遠落后于中國。而且由于北美的監管和經濟因素不同，它最終可能無法“迎頭趕上”。因此，在電池更換可能適合的更有限的場景中，這些建議中的大多數都會有用，但可能不是全部。
（本文登于《EEPW》202510期）
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