軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)及其應(yīng)用

慈 松，周楊林，林 倪

(1.清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院，北京 100084)(2.美國(guó)內(nèi)布拉斯加州大學(xué)林肯分校，林肯 68588)(3.上海科技大學(xué)，上海 201210)

特約專欄

2017-09-20

慈 松，男，1970年生，研究員，Email:sci@unl.edu

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.10.02

軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)及其應(yīng)用

慈 松1，2，周楊林3，林 倪2

(1.清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院，北京 100084)(2.美國(guó)內(nèi)布拉斯加州大學(xué)林肯分校，林肯 68588)(3.上海科技大學(xué)，上海 201210)

自電池被發(fā)明200多年以來，電池系統(tǒng)一直是采用固定串并聯(lián)的系統(tǒng)架構(gòu)，即很多小容量的單體電池根據(jù)負(fù)載的要求固定串并聯(lián)成一個(gè)電池系統(tǒng)。然而，由于生產(chǎn)和工況引入的單體電池差異性，這種固定串并聯(lián)的系統(tǒng)架構(gòu)給電池系統(tǒng)帶來了很多應(yīng)用上問題，如SOC和SOH的測(cè)不準(zhǔn)問題、電池充放電均衡問題、電池的梯次利用問題及可靠性和安全性問題等。 借鑒軟件定義的理念和具體實(shí)現(xiàn)，軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)可以從根本上解決電池單體差異性與固定串并聯(lián)成組方式之間的不匹配問題，進(jìn)而解決了一系列電池應(yīng)用問題。本文將重點(diǎn)討論基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)原理及其應(yīng)用。

可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)；軟件定義電池系統(tǒng)；電池儲(chǔ)能系統(tǒng)；信息物理融合系統(tǒng)；可重構(gòu)電池網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

1 前 言

近年來，隨著大規(guī)?？稍偕茉?Renewable Energy Source of Electricity, RES-E)為主的分布式電源的使用，降低了對(duì)化石能源的依賴，有效減少大氣污染排放，儲(chǔ)能系統(tǒng)(Energy Storage System, ESS)技術(shù)的發(fā)展為電力和可移動(dòng)能源應(yīng)用提供了更加廣闊的應(yīng)用前景[1]，并使得能量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)更加適用于靈活、可重構(gòu)的固定大容量?jī)?chǔ)能式應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)，在眾多的儲(chǔ)能形式中由于電化學(xué)儲(chǔ)能具有能量密度高、響應(yīng)速度快、維護(hù)成本低、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展方向。并且在電池儲(chǔ)能應(yīng)用需求的驅(qū)動(dòng)下，例如：電動(dòng)汽車和電力網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模儲(chǔ)能等，使得電池儲(chǔ)能技術(shù)得到長(zhǎng)足的發(fā)展、其成本也有所降低趨勢(shì)。

大規(guī)模的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)均是由電池單體構(gòu)成，電池單體具有較低電壓和較低電流容量的限制。為了克服電池單體的弊端，并達(dá)到電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與負(fù)載要求匹配的電流電壓等物理屬性，大多數(shù)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是使用一定數(shù)量的電池單體串聯(lián)形成電池模塊，然后電池模塊通過串聯(lián)或者并聯(lián)的方式形成電池組。通常而言，DC/DC整流器為電池與負(fù)載之間提供控制接口[2]?！笆澜鐩]有兩個(gè)完全相同的單體電池”，這種由于每一電池模塊自身具有材料組成上的本質(zhì)差異，即使每一電池模塊內(nèi)的單體電池在相同的工作條件下工作，并以相同的電流、電壓工作，其SOC也會(huì)存在差異[3]。

對(duì)待電池單體的差異性，不同的電池管理系統(tǒng)廠商采取不盡相同的方法。按照傳統(tǒng)的電池管理方法，一般而言，每一電池模塊內(nèi)的電池單體保證嚴(yán)格意義上的相似，忽略電池單體差異性的存在。久而久之，由于沒有系統(tǒng)容納和管理單體電池差異性的機(jī)制，微小的電芯級(jí)差異性將逐漸增大，導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)的“短板效應(yīng)”，使得系統(tǒng)的容量逐漸減小，系統(tǒng)性能逐漸變差，在保證電池單體一致性的同時(shí)，電池系統(tǒng)的成本將會(huì)過高。依照特斯拉的解決方案，每個(gè)電池焊接一個(gè)保險(xiǎn)絲，在電池單體由于自身性質(zhì)而導(dǎo)致的性能降低時(shí)，保險(xiǎn)絲將會(huì)被熔斷以隔離故障電池，保證系統(tǒng)整體性能的完整性。但是問題依然存在，由于單體電池的接續(xù)過程不可逆，保險(xiǎn)絲熔斷將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)容量永久性損失，系統(tǒng)性能無法完全保證。針對(duì)電池單體性差異，美國(guó)宇航局NASA JPL實(shí)驗(yàn)室和加州理工CalTech提出了一種一次性可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的概念，用以解決航天飛機(jī)操作電池載荷問題[4]。顧名思義，該方案只能編程一次，通過這一次編程依據(jù)電池單體的狀態(tài)固化住電池連接的方式，類似于計(jì)算機(jī)中的ROM。這種方法雖然容納了電池單體的差異性，但是仍然不夠具有可持續(xù)性，并無法從根本上解決電池差異性帶來的影響。

那么，如何在容納單體電池差異性的前提下，使系統(tǒng)能夠根據(jù)電池自身特性，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)電池的混搭使用，以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的電池單體均衡策略；在不浪費(fèi)系統(tǒng)資源的前提下，保證系統(tǒng)安全性，實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的最大效用。上述已成為眾多電池管理系統(tǒng)生產(chǎn)商共同關(guān)注的問題。

采用互聯(lián)網(wǎng)思維，通過引入能夠屏蔽單體電池差異性的系統(tǒng)級(jí)技術(shù)(如互聯(lián)網(wǎng)技術(shù))來解決電池系統(tǒng)的短板效應(yīng)，采用“升維思考，降維貫通”細(xì)化系統(tǒng)級(jí)管控顆粒度，通過研發(fā)芯片等電子器件降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)可以屏蔽單體電池的物理和化學(xué)上的差異性，克服電池系統(tǒng)短板效應(yīng)。這種方案能夠做到防微杜漸，采用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，單體電池之間的物理連接是動(dòng)態(tài)可逆過程。當(dāng)電芯級(jí)的電流、溫度不均衡現(xiàn)象剛一出現(xiàn)時(shí)，就會(huì)被管控系統(tǒng)及時(shí)消除，不會(huì)任其累計(jì)到危機(jī)系統(tǒng)安全的程度，做到防患于未然。

本文基于軟件定義的方法，詳細(xì)闡述一種基于能量信息化思想的顛覆性的電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)——軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)，尤其是基于能量流和信息流緊密融合的電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和其在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。這種方法一改沿用至今300多年的固定串并聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu)，并且容納了電池單體的差異性， 實(shí)現(xiàn)了電池能量比特化和“互聯(lián)網(wǎng)+”。

第2節(jié)首先論述了軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)技術(shù)，介紹軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)中的信息與能量的聯(lián)合控制。第3節(jié)軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述。第4節(jié)介紹了融合了軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的能量流與信息流融合的相關(guān)的應(yīng)用。

2 軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)技術(shù)

軟件定義的方法最早在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中被提出并應(yīng)用，即為人們熟知的軟件定義網(wǎng)絡(luò)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有控制與功能相分離、開放式可編程接口和集中與分布式結(jié)合控制的三大優(yōu)勢(shì)。隨著人們對(duì)軟件定義概念的逐步深入和普遍認(rèn)識(shí)，軟件定義方法應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，并且發(fā)展成為新的理論和方法。

本系統(tǒng)中采用軟件定義的方法是為了實(shí)現(xiàn)電池的運(yùn)行與控制管理相分離，即信息與能量的深度解耦合，實(shí)現(xiàn)電池信息的邏輯集中控制、電池?cái)?shù)據(jù)和電池控制分離以及抽象的電池管理模型。軟件定義電池的最大優(yōu)勢(shì)在于通過電池管理系控制層與電池層之間的接口，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)電池接入儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)的聯(lián)合管控，根據(jù)不同的用能需求(功率型、能量型)，合理配置儲(chǔ)能資源。將能量流和信息流解耦合，實(shí)現(xiàn)能量與信息的深度融合。

軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)包括軟件和硬件兩個(gè)部分，滿足了可靠、高效、可擴(kuò)展等特性。其軟件部分為處理器支撐下的控制層，由可編程邏輯控制單元控制電池的連接和充放電行為，可編程接口為用戶提供與電池內(nèi)部連接邏輯相聯(lián)系的通道。其硬件部分由電池、傳感器和保護(hù)元件組成，通過電流、電壓傳感器，采集每節(jié)單體電池的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)通過控制層管理和傳輸，保存在控制層中的集中控制單元——處理器中。物理層由電池單體、智能開關(guān)、二極管器件、校準(zhǔn)器等電氣元件，以及電流測(cè)量器、電壓測(cè)量器、溫度傳感器等組成，各網(wǎng)絡(luò)元素由不同規(guī)則形成控制層處理器控制的電池網(wǎng)絡(luò)通路連接，即可重構(gòu)的電池網(wǎng)絡(luò)。

3 軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)其實(shí)際只是一種技術(shù)手段，是通過程序控制物理層電池智能開關(guān)，進(jìn)而控制電池的交換系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。通過運(yùn)行在處理器中的程序采集每節(jié)電池單體的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出電池單體的自身屬性，執(zhí)行相應(yīng)的電池單體均衡策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效用的最大化。將互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)中的屏蔽個(gè)體差異性的“盡力而為”的工作模式，及“軟件控制分組交換”的工作思想，引入到大規(guī)模電池成組中，通過時(shí)空兩維的細(xì)粒度復(fù)用，解決電池組中電池單體差異性的問題?？芍貥?gòu)電池的關(guān)鍵技術(shù)包括，系統(tǒng)控制處理器芯片的設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)SOC狀態(tài)估計(jì)、可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)三個(gè)方面，下面分別從這三個(gè)方面進(jìn)行了闡述。

3.1 軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)控制處理芯片設(shè)計(jì)

軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)控制處理芯片是控制層的核心組件，通過控制處理芯片用戶可以邏輯上集中控制電池操作，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的快速處理，便捷安全地管理電池網(wǎng)絡(luò)，提升電池管理系統(tǒng)的整體性能?？刂铺幚硇酒袃牲c(diǎn)技術(shù)要求：一是采用多線程的控制模式，另一點(diǎn)是通過增加分布式控制器數(shù)量，實(shí)現(xiàn)扁平式和層次式控制模式，通過以上兩點(diǎn)技術(shù)要求實(shí)現(xiàn)電池時(shí)空兩維更加細(xì)粒度的復(fù)用。控制處理芯片電池能量管控API，支持軟件控制的單體電池之間、不同儲(chǔ)能介質(zhì)之間的快速無縫切換，同時(shí)控制處理芯片設(shè)計(jì)需滿足低能耗、可執(zhí)行性、可用性和容錯(cuò)性等要求。

軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)控制處理芯片擁有全電池網(wǎng)絡(luò)信息，能夠處理電池網(wǎng)絡(luò)海量數(shù)據(jù)，因此需要具有較高的處理能力和多線程處理功能。對(duì)于眾多中等規(guī)模的電池網(wǎng)絡(luò)來說，一般采用一個(gè)控制處理芯片即可完成相應(yīng)的控制功能，不會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生明顯影響。

3.2 精確SOC估算

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池工作狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。在電池運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)包括：電池荷電狀態(tài)(State of Charge, SOC)、功率衰落、容量衰落等，其中電池SOC參數(shù)最為重要，其精確估算是電池管理系統(tǒng)中最核心的技術(shù)。電池SOC和其他一些相關(guān)量的變化，是電池單體電量均衡和動(dòng)態(tài)拓?fù)渲貥?gòu)的重要依據(jù)。因此，SOC的精確估算是軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)管理技術(shù)的關(guān)鍵。

一般來說，對(duì)電池SOC估計(jì)的方法運(yùn)用較多的方法有內(nèi)阻法、電荷積累法、開路電壓法、負(fù)載電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法[5]等。內(nèi)阻法幾乎不能在電池管理系統(tǒng)中應(yīng)用，因?yàn)殡姵貎?nèi)阻不僅僅與SOC有關(guān)，還與溫度、電池劣化程度等因素有關(guān)，因此一個(gè)內(nèi)阻狀態(tài)不能與SOC值嚴(yán)格對(duì)應(yīng)；對(duì)于系統(tǒng)精度要求高的，較好的選擇即為電荷積累法，而電荷積累法的關(guān)鍵為后期的校正，后期校正常用的是電壓法；由于開路電壓(OCV)與電池荷電狀態(tài)(SOC)存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，OCV在電池SOC估算中被廣泛應(yīng)用，準(zhǔn)確OCV測(cè)量需要在電池與負(fù)載斷開后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間才能做到，因此并不能做到在線測(cè)量，但是目前大部分SOC估算是采用這種辦法。現(xiàn)階段研究的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法檢測(cè)精度還會(huì)進(jìn)一步提高，但由于算法的復(fù)雜程度高，目前未在傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)中得到具體應(yīng)用。

軟件定義電池系統(tǒng)控制處理芯片具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算能力，儲(chǔ)存了電池全生命周期的數(shù)據(jù)，其中包括電池的使用時(shí)間，電池在不同工作狀態(tài)(充電、放電、休眠等)時(shí)的電流、電壓，另外還存儲(chǔ)了電池工作環(huán)境，比如溫度等?；诓杉c積累到的數(shù)據(jù)為電池精確SOC估算提供了重要依據(jù)，可以采用電池在線式估算方法[6]實(shí)時(shí)SOC估算。精準(zhǔn)的SOC估算為重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)提供了重要的參考依據(jù)。

3.3 軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)物理層設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)電池管理方法電池以固定串并聯(lián)連接方式接入系統(tǒng)相比，軟件定義的可重構(gòu)電池系統(tǒng)物理層是由可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)組成。可重構(gòu)電池方法[6,7]提升了電池成組管理的性能，圖1中示出了經(jīng)典四開關(guān)可重構(gòu)電池組電路(即，每節(jié)單體電池周圍有四個(gè)開關(guān)相連)，通過控制開關(guān)的通斷狀態(tài)，可以改變電池的串并聯(lián)方式。

圖1 典型四開關(guān)可重構(gòu)電池組[10]Fig.1 Classic reconfigurable battery pack with four switches[10]

為了能夠提升電池的使用容量，延長(zhǎng)電池的可操作時(shí)間，控制處理芯片為電池的連接提供最優(yōu)的連接方案。然而，目前已有的改變電池拓?fù)浞桨冈诶碚撋鲜强尚械模趯?shí)際中存在諸多挑戰(zhàn)。例如當(dāng)電池在放電狀態(tài)時(shí)，改變電池的拓?fù)錉顟B(tài)將會(huì)產(chǎn)生高于正常電流數(shù)十倍的瞬時(shí)電流。因此，物理層電池連接設(shè)計(jì)需要加入眾多保護(hù)器件，并需要混搭使用不同類型的儲(chǔ)能器件(如：功率型儲(chǔ)能電池和能量型儲(chǔ)能電池)，用于保證滿足電池在線狀態(tài)(電池放電時(shí))變化連接方式時(shí)產(chǎn)生的較強(qiáng)電流。

除此之外，在延長(zhǎng)電池使用時(shí)間的研究中，更多希望電池以并聯(lián)使用，然而，由于固然存在的電池不均衡性，最差的電池單體決定電池成組性能，從而影響了整體性能的提升。因此，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池組連接方式，是提升電池管理性能的物理基礎(chǔ)。然而，電池可重構(gòu)技術(shù)存在眾多難點(diǎn)，以經(jīng)典四開關(guān)可重構(gòu)電池為例，如圖2所示，若實(shí)現(xiàn)電池單體1、2串聯(lián)與3、4串聯(lián)后并聯(lián)較為簡(jiǎn)單。但是，如若實(shí)現(xiàn)1、3串聯(lián)與2、4串聯(lián)后并聯(lián)，將會(huì)較為復(fù)雜，將會(huì)有單體2被短路風(fēng)險(xiǎn)[10]。

圖2 調(diào)節(jié)開關(guān)狀態(tài)控制電池連接方式[10]Fig.2 Adjust cell connectivity by controlling the states of switches[10]

因此，軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)物理層設(shè)計(jì)需要可靠的可重構(gòu)電池電路，既保證電池單體之間易于實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)電池，也需要確保電池工作狀態(tài)的安全性要求。

4 軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景

軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)融入了能量信息化與互聯(lián)網(wǎng)化管控的理念，一改沿用多年的固定串并聯(lián)電池的連接模式。目前融合了軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)理念的設(shè)計(jì)方案在相關(guān)領(lǐng)域都能夠得到應(yīng)用，以下將介紹可其在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用場(chǎng)景。

4.1 軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)能量網(wǎng)卡

軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)控制處理芯片能夠加強(qiáng)管控系統(tǒng)能力和降低管控成本及復(fù)雜度。以控制管控芯片為基礎(chǔ)的能量網(wǎng)卡，作為能源互聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵器件，實(shí)現(xiàn)了物理上把能量進(jìn)行離散化處理，進(jìn)而進(jìn)行靈活的管控和調(diào)度的裝置，是眾多用能終端接入能源互聯(lián)網(wǎng)的入口。軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)能量網(wǎng)卡的設(shè)計(jì)及功能，是把互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)中的屏蔽個(gè)體差異性的“盡力而為”和“軟件控制分組交換”的工作模式，創(chuàng)新性地引入大規(guī)模電池成組中，通過時(shí)空兩維的細(xì)粒度復(fù)用，從系統(tǒng)級(jí)技術(shù)解決如何在電池組中屏蔽單體電池差異性的難題。

以目前已有的軟件定義可重構(gòu)電池管理系統(tǒng)能量網(wǎng)卡原型為例，其關(guān)鍵部分組成包括：超級(jí)電容陣列、電池網(wǎng)絡(luò)、智能電池組管理專用處理器、電池操作系統(tǒng)和API等，如圖3所示。由此種單體模塊組成的大規(guī)模電池系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和通信基站中分布式直流不間斷電源供電。以已部署在聯(lián)通移動(dòng)基站中的直流不間斷電源為例，在基站有記錄的6次停電，每次停電從0.5～20 min不等，該系統(tǒng)保障了基站的無中斷運(yùn)行。

圖3 軟件定義電池能量網(wǎng)卡Fig.3 Software-defined battery energy storage

4.2 大規(guī)模動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池系統(tǒng)

為了達(dá)到應(yīng)用所需的電壓或者功率要求，大規(guī)模儲(chǔ)能電池在電力儲(chǔ)能和移動(dòng)儲(chǔ)能中被廣泛采用，例如：電動(dòng)汽車儲(chǔ)能、充電樁、IDC機(jī)房UPS儲(chǔ)能、基站機(jī)房?jī)?chǔ)能、家庭儲(chǔ)能、分布式電站儲(chǔ)能、主電網(wǎng)大電廠儲(chǔ)能等，大規(guī)模電池儲(chǔ)能其難度在于廣泛存在的電池單體差異性而導(dǎo)致的系統(tǒng)性能降低。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用普及，大規(guī)模電池儲(chǔ)能設(shè)備的技術(shù)需要改進(jìn)，在大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)備中，依據(jù)軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，研發(fā)出適宜自適應(yīng)方式動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)勢(shì)在必行，本課題組研究了如何對(duì)1792個(gè)電池能量管控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效管控，如何通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)管控到每一節(jié)單體電池的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)電池拓?fù)渲貥?gòu)，和微妙級(jí)單體電池通斷(上線或下線)，并研究了如何通過電池系統(tǒng)非線性的線性近似，實(shí)現(xiàn)了能量與信息的真正融合。

4.3 軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)電池能量交換系統(tǒng)

在生活中，異型的電池在同一系統(tǒng)中應(yīng)用的場(chǎng)景比較普遍，同時(shí)也是提高電池使用效率的重要方式，以退役電動(dòng)汽車動(dòng)力電池和鉛酸電池接入同一電池管理系統(tǒng)為例，由于電池性質(zhì)不同的原因，通過一般的電池管理系統(tǒng)較難做到管控與電池的分離。采用軟件定義電池可重構(gòu)電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，開發(fā)電池能量交換機(jī)用于支持異構(gòu)電池，在容納了電池的差異性基礎(chǔ)上，可將大量閑置碎片化的電池存量盤活，通過電池能量交換機(jī)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模異構(gòu)電池的遠(yuǎn)程監(jiān)控。以鐵塔公司運(yùn)維的基站UPS儲(chǔ)能為例，其自身具有1 GWh的鉛酸電池存量，閑時(shí)這些鉛酸電池并不會(huì)發(fā)揮功效，但作為備用電源必須保持保持鉛酸電池的有效使用性。因此，可以通過開發(fā)支持“管電”分離的管控模式，以信息輕資產(chǎn)增量盤活電池的重資產(chǎn)存量，實(shí)現(xiàn)電池的遠(yuǎn)程化、互聯(lián)網(wǎng)化管控，解決電池分布范圍廣泛，人工維護(hù)成本和難度較大的問題。同時(shí)，針對(duì)退役電動(dòng)汽車動(dòng)力電池梯次利用，并與家庭其他形式儲(chǔ)能電池結(jié)合的情況，采用電池能量交換機(jī)以DIY方式的方式構(gòu)建家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)，解決家庭儲(chǔ)能產(chǎn)品成本過高的問題。

4.4 基于標(biāo)準(zhǔn)模塊的換電模式電動(dòng)汽車

電動(dòng)汽車電池運(yùn)營(yíng)模式是電動(dòng)汽車行業(yè)一直在探索的問題，基于標(biāo)準(zhǔn)模塊的換電模式電動(dòng)汽車在電動(dòng)汽車電池運(yùn)營(yíng)中發(fā)揮著重要的作用。以統(tǒng)一管理、標(biāo)準(zhǔn)模塊的微混和低速電動(dòng)汽車出租市場(chǎng)為例，模塊化換電的模式更加利于發(fā)揮電池使用的效用。在標(biāo)準(zhǔn)模塊的換電模式中，電池網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)與模塊化設(shè)計(jì)、電池網(wǎng)絡(luò)成組核心技術(shù)是換電模式的關(guān)鍵技術(shù)，在突破關(guān)鍵技術(shù)后，還需進(jìn)行原型系統(tǒng)與實(shí)車測(cè)試。換電模式的電動(dòng)汽車運(yùn)營(yíng)，可支持靈活的電動(dòng)汽車按需配置電池和電動(dòng)車能量C2C/C2B的運(yùn)營(yíng)模式，真正實(shí)現(xiàn)了“車電分離，電池自選，自主換電，能量運(yùn)營(yíng)”。

4.5 基于互聯(lián)網(wǎng)管控的電池云平臺(tái)

軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)能夠采集大量的單體電池的狀態(tài)，可以實(shí)時(shí)對(duì)電池的SOC和SOH進(jìn)行監(jiān)督和預(yù)測(cè)，并通過電池管理系統(tǒng)中的硬件接口模塊將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳至云服務(wù)器，如圖4所示。當(dāng)電池管理系統(tǒng)支持互聯(lián)網(wǎng)接口接入?yún)f(xié)議時(shí)，用戶或者管理者可以通過遠(yuǎn)程的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電池儲(chǔ)能的控制，實(shí)現(xiàn)電池管控的互聯(lián)網(wǎng)化管理?？刂浦噶钔ㄟ^互聯(lián)網(wǎng)通信傳至硬件設(shè)備，可以執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的電池動(dòng)態(tài)均衡算法動(dòng)態(tài)調(diào)整電池連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也可以根據(jù)用戶個(gè)人喜好，制定特定的電池連接方式。電池“能量云”平臺(tái)的構(gòu)建，對(duì)于整合不同類型、不同用途的儲(chǔ)能設(shè)備起到輔助作用，方便實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)互動(dòng)。

圖4 電池能量云平臺(tái)Fig.4 Battery energy cloud platform

5 結(jié) 語(yǔ)

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越普遍，但是電池系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)展卻緩慢，借鑒能源互聯(lián)網(wǎng)思想，實(shí)現(xiàn)軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)的管控，將會(huì)改變電池自被發(fā)明300多年以來固定串并聯(lián)的系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能系統(tǒng)從模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)的演進(jìn)。同時(shí)，軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)化管控需突破多項(xiàng)傳統(tǒng)電池管理技術(shù)中的瓶頸，例如：控制芯片設(shè)計(jì)、SOC精準(zhǔn)估算、硬件電路設(shè)計(jì)等。軟件定義動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池系統(tǒng)同時(shí)還依賴于電池軟件與硬件的無縫結(jié)合，并深度剖析能量的信息屬性，實(shí)現(xiàn)電池運(yùn)行與控制的分離，即信息與能量的深度解耦合。軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)的架構(gòu)采用互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)中的屏蔽個(gè)體差異性的“盡力而為”的工作模式，及“軟件控制分組交換”的工作思想。本文介紹了基于軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用場(chǎng)景，如：電池能量網(wǎng)卡、大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、電池能量交換機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)模式的換電電動(dòng)汽車、能量云管理等。

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Software-Defined Reconfigurable Battery System and Its Applications

CI Song1,2, ZHOU Yanglin3, LIN Ni2

(1.Energy Internet Research Institute, Tsinghua University, Beijing 100084, China)(2.University of Nebraska-Lincoln, Lincoln NE68588, USA)(3.Shanghai Tech University, Shanghai 201210, China)

Since battery was invented, the fixed series-parallel battery cell connection has not been changed over 300 years. However, due to the existence of cell difference, this fixed series-parallel cell connection brings up many application problems, such as energy conversion efficiency, SOC and SOH estimation, cell balance of battery charge and discharge, safety and reliability. With the inspiration of software-defined concept, in this paper, a software-defined battery system based on dynamic reconfigurable battery network will be proposed in detail. In software-defined battery system, the battery cell topology can be dynamically reconfigured in the real-time fashion based on the states of battery cells and the working condition of a battery system. Therefore, the aforementioned battery application problems will be solved under the technical framework of software-defined battery.

dynamical reconfigurable battery networks; software-defined battery systems; battery energy storage system; cyber-physical system; reconfigurable battery network application

TM91

A

1674-3962(2017)10-0694-06

(編輯 吳 琛)