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2 基于可重构电池网络的数字储能系统架构

如前所述，数字储能系统是以高频电池能量交换背板为基础构建的可重构大规模电池能量交换硬件系统，以动态可重构电池网络控制器为基础构建本地实时控制的智能软件系统，以软件定义的可编程接口为基础实现广域协同和能量云平台的新型信息物理能量系统[4]，这种“自下而上”的设计思路，贯通了电池单体与应用需求之间的各个环节，形成了基于云和大数据及智能硬件的一体化新型数字储能系统。接下来本文将详细讨论系统的主要组成部分。

2.1 动态可重构电池网络

动态可重构电池网络是数字储能系统的核心单元，其架构如图4所示。大规模可重构电池网络的设计和运行实质是复杂网络的动态优化和控制问题，而电池网络最优拓扑的动态生成是影响大规模复杂网络特性的重要因素。要解决大规模动态电池网络优化问题，实现对电池网络的细粒度高效管控，需要实时掌握网络节点的特性和状态及由网络节点构成的不同网络拓扑的特性和性能，继而通过网络拓扑的动态重构实现电池储能系统性能的整体优化[5-8]。

图4 数字电池储能系统架构

Fig.4 Digital battery energy storage system architecture

具体来说，在动态可重构电池网络单元中，通过电池能量交换背板对每个电池单体或模块的电流、电压和温度等信息进行实时测量，电池网络控制器可以在线精确估算电池的的健康状态(state of health，SOH)和荷电状态(state of ge，SOC)等状态信息，然后分析形成电池网络拓扑的最优控制策略，最后通过电池能量交换背板实现当前时刻最优电池网络拓扑。与互联网中的分布式组网类似，多个可重构电池网络系统可以进一步构成更大规模的动态可重构电池网络，使得快速构建任意规模的数字电池储能系统成为可能[9]。

传统电池管理系统(battery management system，BMS)与电池能量交换系统的比较如图5所示。由于在可重构电池网络中电池单体或模块之间的串并联拓扑可根据电池运行状况、负载需求、安全阈值等条件进行细粒度动态重构，实现了模拟电池能量流的离散化和数字化，从理论上解决了电池系统的短板效应问题，因此极大提升了电池系统的有效容量、循环寿命、安全性和可靠性，与传统电池管理系统有着本质区别，对贯穿电池行业产业链和价值链具有重大意义。

2.2 软件定义复合储能系统

如前所述，储能系统的功能定义和性能指标应与用户需求匹配。然而，受限于目前电池电化学体系和性能上的限制，在储能实际应用中尚无法采用一套物理储能系统同时满足功率型和能量型的应用，这种情况加大了储能系统的建造成本和部署难度。通过能量信息化技术，可以实现异构储能介质的数字化混用以解决储能介质体系和种类有限与用户需求多样性之间的矛盾，提升储能系统的整体经济性、能量密度和功率密度。

软件定义复合储能与信息存储体系的对照逻辑关系如图6所示，类比于信息存储体系中从顶端的寄存器到底端的云存储，不同信息存储介质的单位成本是快速递减的，但存储介质的存取时延是不断增大的。通过信息存储介质的数字化和虚拟化(格式化)，不同信息存储介质可以无缝融合在一起使用，共同支撑起各类计算任务对信息存储的要求。同样在能源互联网中，不同性质的能量存储介质适用于不同储能应用需求。基于能量信息化技术，可以针对不同储能应用需求，将多种物理化学性质迥异的储能介质进行数字化混用，实现一套物理储能系统同时满足多种储能应用需求，实现储能系统的价值最大化。

图5 传统电池管理系统与电池能量交换系统的比较

Fig.5 Comparison between traditional battery management system and battery energy exchange system

图6 软件定义复合储能与信息存储体系的对照逻辑关系

Fig.6 Comparison of software defined composite energy storage and information storage system

软件定义复合储能的提出对解决目前电池行业自身问题提供了新思路和新方法。目前，电池材料能量密度的发展严重滞后于电池系统应用需求，并且单一类型电池难以满足多样化应用需求以及负载动态变化。通过开发软件定义电池储能系统可以把不同厂家、不同批次、不同种类、不同电化学特性的储能介质集成到一个储能系统中，通过数字化能量管控系统来选择不同类型的储能介质以适应负荷和工况的变化。在许多储能应用场景中，由于负荷是时变的，需要储能系统在不同工况下提供不同的输出功率。例如，电动汽车在加速时和平稳行驶时需要的电池系统功率输出会有数倍或数十倍的差异;又如，电力系统通常需要电池储能系统用于调峰(能量型)或调频(功率型)等应用场景。传统的电池储能系统解决方案通常采用同厂家同批次同型号的电池单体组成电池系统，然而这样做的问题是如此构建的电池系统要么适用于功率型应用，要么适用于能量型应用，很难满足复杂应用需求。因此，传统电池系统在功率或容量方面采用超配的方式来满足应用需求的多样性，这不仅造成了电池系统成本高、体积大、重量大的问题，也造成了电池资源浪费的问题。针对此类问题，采用软件定义数字电池储能系统可以将功率型电池(如钛酸锂、三元锂电池等)和能量型电池(如磷酸铁锂、铅酸电池、铅碳电池等)及其他能量存储载体(如超级电容器等)无缝集成到一起形成一个高效储能供电系统，满足了不同工况对电池系统输出功率和工作时间的多样性要求，从而极大提升了电池系统的整体性能，并极大降低了电池系统的单位成本。

原标题：数字储能系统

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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