慈 松，周楊林，林 倪

(1.清華大學能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院，北京 100084)(2.美國內(nèi)布拉斯加州大學林肯分校，林肯 68588)(3.上?？萍即髮W，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.清華大學能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院，北京 100084)(2.美國內(nèi)布拉斯加州大學林肯分校，林肯 68588)(3.上?？萍即髮W，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)負載的要求固定串并聯(lián)成一個電池系統(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的測不準問題、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，進而解決了一系列電池應(yīng)用問題。本文將重點討論基于可重構(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)模可再生能源(Renewable Energy Source of Electricity, RES-E)為主的分布式電源的使用，降低了對化石能源的依賴，有效減少大氣污染排放，儲能系統(tǒng)(Energy Storage System, ESS)技術(shù)的發(fā)展為電力和可移動能源應(yīng)用提供了更加廣闊的應(yīng)用前景[1]，并使得能量儲能系統(tǒng)更加適用于靈活、可重構(gòu)的固定大容量儲能式應(yīng)用場景。同時，在眾多的儲能形式中由于電化學儲能具有能量密度高、響應(yīng)速度快、維護成本低、靈活方便等優(yōu)點，是目前儲能技術(shù)的發(fā)展方向。并且在電池儲能應(yīng)用需求的驅(qū)動下，例如：電動汽車和電力網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模儲能等，使得電池儲能技術(shù)得到長足的發(fā)展、其成本也有所降低趨勢。

大規(guī)模的電池儲能系統(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，并達到電池儲能系統(tǒng)與負載要求匹配的電流電壓等物理屬性，大多數(shù)的電池儲能系統(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整流器為電池與負載之間提供控制接口[2]?！笆澜鐩]有兩個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也會存在差異[3]。

對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制，微小的電芯級差異性將逐漸增大，導致系統(tǒng)級的“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，電池系統(tǒng)的成本將會過高。依照特斯拉的解決方案，每個電池焊接一個保險絲，在電池單體由于自身性質(zhì)而導致的性能降低時，保險絲將會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，保險絲熔斷將會導致系統(tǒng)容量永久性損失，系統(tǒng)性能無法完全保證。針對電池單體性差異，美國宇航局NASA JPL實驗室和加州理工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，類似于計算機中的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，實現(xiàn)異構(gòu)電池的混搭使用，以實現(xiàn)更高級別的電池單體均衡策略；在不浪費系統(tǒng)資源的前提下，保證系統(tǒng)安全性，實現(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”細化系統(tǒng)級管控顆粒度，通過研發(fā)芯片等電子器件降低系統(tǒng)復雜度和成本。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態(tài)可逆過程。當電芯級的電流、溫度不均衡現(xiàn)象剛一出現(xiàn)時，就會被管控系統(tǒng)及時消除，不會任其累計到危機系統(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——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)進行詳細闡述。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算機網(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。隨著人們對軟件定義概念的逐步深入和普遍認識，軟件定義方法應(yīng)用在多個領(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現(xiàn)電池的運行與控制管理相分離，即信息與能量的深度解耦合，實現(xiàn)電池信息的邏輯集中控制、電池數(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)勢在于通過電池管理系控制層與電池層之間的接口，實現(xiàn)異構(gòu)電池接入儲能系統(tǒng)時的聯(lián)合管控，根據(jù)不同的用能需求(功率型、能量型)，合理配置儲能資源。將能量流和信息流解耦合，實現(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)計包括軟件和硬件兩個部分，滿足了可靠、高效、可擴展等特性。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、傳感器和保護元件組成，通過電流、電壓傳感器，采集每節(jié)單體電池的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，運行狀態(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、校準器等電氣元件，以及電流測量器、電壓測量器、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)，進而控制電池的交換系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。通過運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，通過時空兩維的細粒度復用，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、精準SOC狀態(tài)估計、可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)設(shè)計三個方面，下面分別從這三個方面進行了闡述。

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

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技術(shù)要求：一是采用多線程的控制模式，另一點是通過增加分布式控制器數(shù)量，實現(xiàn)扁平式和層次式控制模式，通過以上兩點技術(shù)要求實現(xiàn)電池時空兩維更加細粒度的復用?？刂铺幚硇酒姵啬芰抗芸谹PI，支持軟件控制的單體電池之間、不同儲能介質(zhì)之間的快速無縫切換，同時控制處理芯片設(shè)計需滿足低能耗、可執(zhí)行性、可用性和容錯性等要求。

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。對于眾多中等規(guī)模的電池網(wǎng)絡(luò)來說，一般采用一個控制處理芯片即可完成相應(yīng)的控制功能，不會對性能產(chǎn)生明顯影響。

3.2 精確SOC估算

電池儲能系統(tǒng)中，電池工作狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行可靠性。在電池運行狀態(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態(tài)拓撲重構(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，對電池SOC估計的方法運用較多的方法有內(nèi)阻法、電荷積累法、開路電壓法、負載電壓法、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，因為電池內(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)，因此一個內(nèi)阻狀態(tài)不能與SOC值嚴格對應(yīng)；對于系統(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)存在一一對應(yīng)的關(guān)系，OCV在電池SOC估算中被廣泛應(yīng)用，準確OCV測量需要在電池與負載斷開后相當長一段時間才能做到，因此并不能做到在線測量，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精度還會進一步提高，但由于算法的復雜程度高，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大的數(shù)據(jù)存儲和計算能力，儲存了電池全生命周期的數(shù)據(jù)，其中包括電池的使用時間，電池在不同工作狀態(tài)(充電、放電、休眠等)時的電流、電壓，另外還存儲了電池工作環(huán)境，比如溫度等。基于采集與積累到的數(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]實時SOC估算。精準的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

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?？芍貥?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，延長電池的可操作時間，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撲方案在理論上是可行的，但在實際中存在諸多挑戰(zhàn)。例如當電池在放電狀態(tài)時，改變電池的拓撲狀態(tài)將會產(chǎn)生高于正常電流數(shù)十倍的瞬時電流。因此，物理層電池連接設(shè)計需要加入眾多保護器件，并需要混搭使用不同類型的儲能器件(如：功率型儲能電池和能量型儲能電池)，用于保證滿足電池在線狀態(tài)(電池放電時)變化連接方式時產(chǎn)生的較強電流。

除此之外，在延長電池使用時間的研究中，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，以經(jīng)典四開關(guān)可重構(gòu)電池為例，如圖2所示，若實現(xiàn)電池單體1、2串聯(lián)與3、4串聯(lián)后并聯(lián)較為簡單。但是，如若實現(xiàn)1、3串聯(lián)與2、4串聯(lián)后并聯(lián)，將會較為復雜，將會有單體2被短路風險[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管控系統(tǒng)能力和降低管控成本及復雜度。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，實現(xiàn)了物理上把能量進行離散化處理，進而進行靈活的管控和調(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)計及功能，是把互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)中的屏蔽個體差異性的“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，通過時空兩維的細粒度復用，從系統(tǒng)級技術(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)模動態(tài)可重構(gòu)電池系統(tǒng)

為了達到應(yīng)用所需的電壓或者功率要求，大規(guī)模儲能電池在電力儲能和移動儲能中被廣泛采用，例如：電動汽車儲能、充電樁、IDC機房UPS儲能、基站機房儲能、家庭儲能、分布式電站儲能、主電網(wǎng)大電廠儲能等，大規(guī)模電池儲能其難度在于廣泛存在的電池單體差異性而導致的系統(tǒng)性能降低。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用普及，大規(guī)模電池儲能設(shè)備的技術(shù)需要改進，在大規(guī)模儲能設(shè)備中，依據(jù)軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)設(shè)計理念，研發(fā)出適宜自適應(yīng)方式動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)勢在必行，本課題組研究了如何對1792個電池能量管控節(jié)點進行有效管控，如何通過移動互聯(lián)網(wǎng)管控到每一節(jié)單體電池的狀態(tài)，實現(xiàn)毫秒級電池拓撲重構(gòu)，和微妙級單體電池通斷(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)用的場景比較普遍，同時也是提高電池使用效率的重要方式，以退役電動汽車動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)計的方法，開發(fā)電池能量交換機用于支持異構(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實現(xiàn)大規(guī)模異構(gòu)電池的遠程監(jiān)控。以鐵塔公司運維的基站UPS儲能為例，其自身具有1 GWh的鉛酸電池存量，閑時這些鉛酸電池并不會發(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，實現(xiàn)電池的遠程化、互聯(lián)網(wǎng)化管控，解決電池分布范圍廣泛，人工維護成本和難度較大的問題。同時，針對退役電動汽車動力電池梯次利用，并與家庭其他形式儲能電池結(jié)合的情況，采用電池能量交換機以DIY方式的方式構(gòu)建家庭儲能系統(tǒng)，解決家庭儲能產(chǎn)品成本過高的問題。

4.4 基于標準模塊的換電模式電動汽車

電動汽車電池運營模式是電動汽車行業(yè)一直在探索的問題，基于標準模塊的換電模式電動汽車在電動汽車電池運營中發(fā)揮著重要的作用。以統(tǒng)一管理、標準模塊的微混和低速電動汽車出租市場為例，模塊化換電的模式更加利于發(fā)揮電池使用的效用。在標準模塊的換電模式中，電池網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)與模塊化設(shè)計、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，還需進行原型系統(tǒng)與實車測試。換電模式的電動汽車運營，可支持靈活的電動汽車按需配置電池和電動車能量C2C/C2B的運營模式，真正實現(xiàn)了“車電分離，電池自選，自主換電，能量運營”。

4.5 基于互聯(lián)網(wǎng)管控的電池云平臺

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)，可以實時對電池的SOC和SOH進行監(jiān)督和預測，并通過電池管理系統(tǒng)中的硬件接口模塊將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳至云服務(wù)器，如圖4所示。當電池管理系統(tǒng)支持互聯(lián)網(wǎng)接口接入?yún)f(xié)議時，用戶或者管理者可以通過遠程的方式實現(xiàn)對電池儲能的控制，實現(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)行預先設(shè)定的電池動態(tài)均衡算法動態(tài)調(diào)整電池連接的拓撲結(jié)構(gòu)，也可以根據(jù)用戶個人喜好，制定特定的電池連接方式。電池“能量云”平臺的構(gòu)建，對于整合不同類型、不同用途的儲能設(shè)備起到輔助作用，方便實現(xiàn)分布式儲能與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)互動。

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

5 結(jié) 語

電池儲能系統(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)進展卻緩慢，借鑒能源互聯(lián)網(wǎng)思想，實現(xiàn)軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)的管控，將會改變電池自被發(fā)明300多年以來固定串并聯(lián)的系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)了儲能系統(tǒng)從模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)的演進。同時，軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)化管控需突破多項傳統(tǒng)電池管理技術(shù)中的瓶頸，例如：控制芯片設(shè)計、SOC精準估算、硬件電路設(shè)計等。軟件定義動態(tài)可重構(gòu)電池系統(tǒng)同時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，實現(xiàn)電池運行與控制的分離，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)計理念的應(yīng)用場景，如：電池能量網(wǎng)卡、大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)、電池能量交換機、標準模式的換電電動汽車、能量云管理等。

References

[1] Vazquez S, Lukic S M, Galvan E,etal.IEEETransactionsonIndustrialElectronics[J], 2011, 57(12):3881-3895.

[2] Tan N M L, Abe T, Akagi H.IEEETransactionsonPowerElectronics[J], 2012, 27(3):1237-1248.

[3] Kutkut N H, Divan D M.IEEETransactionsonIndustryApplications[J], 1995, 2(3):1008-1015.

[4] Alahmad M, Hess H, Mojarradi M,etal.JournalofPowerSources[J], 2008, 177(2):566-578.

[5] Lin Chengtao(林成濤), Wang Junping(王軍平), Chen Quanshi(陳全世).Battery(電池)[J], 2004, 34(5):376-378.

[6] Cao Q, Fesehaye D, Pham N,etal.Real-TimeSystemsSymposium[C]. Tokyo: Iron and Steel Institute of Japan, 2008: 123-133.

[7] Hoque M A, Siekkinen M, Koo J,etal.arXiv[J], 2016, 4:1-14.

[8] Lin N, Song C, Wu D.AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition[C]. Stockholm: IEEE, 2016:3189-3192.

[9] Song C, Lin N, Wu D.IEEEAccess[J], 2016, 4:1175-1189.

[10] Liang H, Kim E, Kang G S.InternationalConferenceonFutureEnergySystems[C]. Amsterdam:ACM, 2016:8.

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)