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編者按：能源互聯(lián)網(wǎng)是一種將互聯(lián)網(wǎng)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、消費(fèi)以及能源市場(chǎng)深度融合的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形態(tài)。


在能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)將被廣泛用于各種工業(yè)、商業(yè)和居民場(chǎng)景，如可再生能源、電動(dòng)汽車和不間斷電源等。因此，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率、可靠性和安全性等主要性能指標(biāo)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)成功商業(yè)化部署至關(guān)重要。然而，電池單體差異性與固定串并聯(lián)的電池成組方式之間的不匹配關(guān)系所形成的大規(guī)模電池成組中的萊比錫最小因子效應(yīng)，即木桶短板效應(yīng)，極大損害了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，尤其是大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)壽命、安全性、可靠性和有效容量。近年來(lái)，歸功于材料科學(xué)的發(fā)展，高頻電力電子開(kāi)關(guān)器件日益普及，成本也日益降低。通過(guò)研發(fā)基于高頻開(kāi)關(guān)器件的電池能量交換背板，對(duì)電池模擬能量流進(jìn)行高速離散化和數(shù)字化處理，從而將電池單體之間的硬連接方式轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦蚩刂频娜嵝赃B接方式，進(jìn)而將模擬電池儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與信息互聯(lián)網(wǎng)業(yè)態(tài)無(wú)縫融合，支撐互聯(lián)網(wǎng)+電池的共享經(jīng)濟(jì)模式的P2P能量運(yùn)營(yíng)。本文將系統(tǒng)闡述新型數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架和相關(guān)行業(yè)應(yīng)用。

0 引言

能源互聯(lián)網(wǎng)是一種將互聯(lián)網(wǎng)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、消費(fèi)以及能源市場(chǎng)深度融合的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形態(tài)。能源互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)信息物理深度融合技術(shù)重新定義傳統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立的不同類型能源系統(tǒng)邊界，構(gòu)成以電力系統(tǒng)為核心的新型綜合能源供給利用體系，進(jìn)而有效解決大量雙向電源接入，負(fù)荷的多樣性、隨機(jī)性、突發(fā)性，能源資產(chǎn)閑置和能源投資利用率不高，電能替代過(guò)程中的電能質(zhì)量、分布式可再生能源波動(dòng)性等核心行業(yè)問(wèn)題，徹底改變我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)模式，實(shí)現(xiàn)能源清潔高效、安全便捷和可持續(xù)利用，從根本上保障國(guó)家能源安全[1-2]。

儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電曲線與負(fù)荷曲線間的快速動(dòng)態(tài)匹配，因此具有平抑波動(dòng)、匹配供需、削峰填谷、提高供電質(zhì)量的功能，是構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的核心裝置。2016年國(guó)家發(fā)改委、能源局、工信部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》(發(fā)改能源〔2016〕392號(hào)，簡(jiǎn)稱“指導(dǎo)意見(jiàn)”)中多處提及推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了新的定義，提出了集中式和分布式儲(chǔ)能應(yīng)用，賦予了能源更豐富的應(yīng)用方式。此外，電力儲(chǔ)能可以通過(guò)電能的線上線下互動(dòng)交易構(gòu)建電能的批發(fā)和現(xiàn)貨市場(chǎng)，夯實(shí)“互聯(lián)網(wǎng)+售電”的能源互聯(lián)網(wǎng)裝備基礎(chǔ)，從而有力支撐了《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見(jiàn)》(中發(fā)〔2015〕9號(hào))和發(fā)改委《關(guān)于推進(jìn)售電側(cè)改革的實(shí)施意見(jiàn)》的貫徹執(zhí)行。

然而需要看到的是，盡管近年來(lái)儲(chǔ)能介質(zhì)技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，行業(yè)應(yīng)用和裝機(jī)規(guī)模呈現(xiàn)出幾何級(jí)數(shù)的增長(zhǎng)，儲(chǔ)能領(lǐng)域依然存在著政策標(biāo)準(zhǔn)缺失、單位系統(tǒng)成本高、信息化水平低、用戶體驗(yàn)差、缺乏可復(fù)制的商業(yè)模式等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了儲(chǔ)能作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。2017年10月國(guó)家能源局《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》正式發(fā)布，指導(dǎo)意見(jiàn)為解決這些問(wèn)題提供了一系列很好的思路和方法，其中最為重要的一點(diǎn)就是提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的信息化管控水平，構(gòu)建儲(chǔ)能共建共享的新業(yè)態(tài)，支撐能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

從技術(shù)發(fā)展升級(jí)換代層面看，現(xiàn)有儲(chǔ)能系統(tǒng)本質(zhì)上是模擬系統(tǒng)，其核心特征為模擬連續(xù)的能量流，并且儲(chǔ)能系統(tǒng)中模擬能量流和數(shù)字信息流是在不同時(shí)空尺度上相互獨(dú)立存在和運(yùn)行的，缺乏能量流與信息流相同尺度上的深度融合。以目前發(fā)展速度最為迅猛的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的連續(xù)能量流通過(guò)固定串并聯(lián)能量回路，而電池管理系統(tǒng)則是疊加在固定串并聯(lián)能量回路上的數(shù)字系統(tǒng)，形成能量和信息處理不匹配的“疊加性”問(wèn)題。由于缺乏能量流和信息流在相同時(shí)空尺度上的互動(dòng)和管控，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)“短板效應(yīng)”，進(jìn)而極大影響了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能，突出問(wèn)題表現(xiàn)為用戶體驗(yàn)到的系統(tǒng)循環(huán)壽命遠(yuǎn)低于單體電芯的循環(huán)壽命，單位電量轉(zhuǎn)移的系統(tǒng)成本過(guò)高，無(wú)法形成不依賴于補(bǔ)貼的電池儲(chǔ)能商業(yè)模式。因此，如同其他行業(yè)中模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)的演進(jìn)路徑一樣，儲(chǔ)能系統(tǒng)向數(shù)字時(shí)代邁進(jìn)的趨勢(shì)是不可避免的。通過(guò)能量信息化技術(shù)促進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)與信息技術(shù)的深度融合，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)字化和軟件定義化，進(jìn)而與云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密融合，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)化管控，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)維的自動(dòng)化程度和儲(chǔ)能資源的利用效率，充分發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的多元化作用。

此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)字化和軟件定義化還可以盤(pán)活利用碎片化閑置儲(chǔ)能資源，構(gòu)建基于能源互聯(lián)網(wǎng)的共建共享儲(chǔ)能商業(yè)新模式。例如，目前用戶側(cè)存在數(shù)億kWh的分散閑置電池儲(chǔ)能資源，如電動(dòng)汽車動(dòng)力電池、通信基站電池、各種不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)電池、梯次利用電池等。通過(guò)采用電池能量交換系統(tǒng)和電池能量管控云平臺(tái)等能源互聯(lián)網(wǎng)的核心裝備，可以將海量的碎片化閑置電池儲(chǔ)能資源盤(pán)活為電網(wǎng)可以調(diào)度利用的大規(guī)模分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于“虛擬電廠”的配電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)。通過(guò)基于共享經(jīng)濟(jì)模式的閑散電池資產(chǎn)的細(xì)粒度復(fù)用和共用，極大降低了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的單位成本和運(yùn)維成本，催生出“互聯(lián)網(wǎng)+電池”的儲(chǔ)能系統(tǒng)的后付費(fèi)共享商業(yè)模式，有力支撐了儲(chǔ)能系統(tǒng)的推廣應(yīng)用和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

本文將系統(tǒng)地闡述數(shù)字電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本原理和方法，尤其是基于能量流和信息流緊密融合的數(shù)字電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和系統(tǒng)架構(gòu)相關(guān)行業(yè)應(yīng)用。本文第一節(jié)論述了能量信息化處理的原理和方法;第二節(jié)論述了基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字電池儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理和信息與能量耦合控制機(jī)制;第三節(jié)介紹了數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用案例并對(duì)系統(tǒng)成本、可靠性、安全性等進(jìn)行了討論;第四節(jié)對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。

1 能量信息化處理

能量信息化是能量信息融合技術(shù)的基礎(chǔ)與核心，同時(shí)也是能源系統(tǒng)提高能效、實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同互補(bǔ)利用的核心技術(shù)[3]。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)從模擬系統(tǒng)到數(shù)字系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，即需要在物理上把模擬能量流進(jìn)行離散化和數(shù)字化，將能量轉(zhuǎn)化成與計(jì)算資源、帶寬資源以及存儲(chǔ)資源一樣，進(jìn)行靈活的管理與調(diào)控，實(shí)現(xiàn)未來(lái)個(gè)性化定制的能量運(yùn)營(yíng)服務(wù)。

能源信息化的可行性依賴于先進(jìn)電力電子技術(shù)與信息通信技術(shù)的快速發(fā)展，其物理基礎(chǔ)是基于片上系統(tǒng)的數(shù)字能量控制器和高速電力電子開(kāi)關(guān)器件的數(shù)字電池能量交換系統(tǒng)，高頻電力電子開(kāi)關(guān)器件的比較如圖1所示。

在數(shù)字化電池能量交換系統(tǒng)中，模擬能量流被以網(wǎng)絡(luò)化連接的高頻MOSFET電力電子開(kāi)關(guān)離散化成為時(shí)間序列上的“能量片”(energy slice)，離散化后的“能量片”上附加其他信息數(shù)據(jù)，如電池資產(chǎn)的所有者、電池電荷狀態(tài)、電池健康狀態(tài)等信息。通過(guò)采用程序控制的電池網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)來(lái)自不同電芯的“能量片”進(jìn)行重組和優(yōu)化，去除電池能量產(chǎn)生和使用過(guò)程中的不確定性和非線性，徹底屏蔽了電池物理和化學(xué)上的差異性，克服短板效應(yīng)，進(jìn)而提升了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)性能，可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)對(duì)電池管理技術(shù)的范式創(chuàng)新原理圖如圖2所示。



Fig.1 Comparison of high frequency power electronic switching devices

電池能量信息化技術(shù)帶來(lái)的另一個(gè)革命性變化就是通過(guò)電池能量交換系統(tǒng)將傳統(tǒng)模擬電池系統(tǒng)“格式化”為數(shù)字儲(chǔ)能資產(chǎn)，從而將電池能量變?yōu)榛ヂ?lián)網(wǎng)可視可管的網(wǎng)絡(luò)資源，進(jìn)而無(wú)縫地融入互聯(lián)網(wǎng)業(yè)態(tài)?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)字儲(chǔ)能技術(shù)盤(pán)活閑散電池存量資產(chǎn)，突破地域分布的限制，有效整合各種形態(tài)和特性的備用電池儲(chǔ)能資產(chǎn)，提升能源投資和資產(chǎn)利用率，實(shí)現(xiàn)共享經(jīng)濟(jì)模式下的儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，進(jìn)而推動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+電池”的能量服務(wù)模式?；跀?shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬電廠如圖3所示

Fig.2 Reconfigurable battery network paradigm innovation for battery management technology

Fig.3 Virtual power plant based on digital energy storage system

2 基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)

如前所述，數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)是以高頻電池能量交換背板為基礎(chǔ)構(gòu)建的可重構(gòu)大規(guī)模電池能量交換硬件系統(tǒng)，以動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)控制器為基礎(chǔ)構(gòu)建本地實(shí)時(shí)控制的智能軟件系統(tǒng)，以軟件定義的可編程接口為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)廣域協(xié)同和能量云平臺(tái)的新型信息物理能量系統(tǒng)[4]，這種“自下而上”的設(shè)計(jì)思路，貫通了電池單體與應(yīng)用需求之間的各個(gè)環(huán)節(jié)，形成了基于云和大數(shù)據(jù)及智能硬件的一體化新型數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)。接下來(lái)本文將詳細(xì)討論系統(tǒng)的主要組成部分。

2.1 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)

動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)是數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心單元，其架構(gòu)如圖4所示。大規(guī)?？芍貥?gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行實(shí)質(zhì)是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化和控制問(wèn)題，而電池網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)生成是影響大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性的重要因素。要解決大規(guī)模動(dòng)態(tài)電池網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池網(wǎng)絡(luò)的細(xì)粒度高效管控，需要實(shí)時(shí)掌握網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的特性和狀態(tài)及由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶匦院托阅?，繼而通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的整體優(yōu)化[5-8]。

Fig.4 Digital battery energy storage system architecture

具體來(lái)說(shuō)，在動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)單元中，通過(guò)電池能量交換背板對(duì)每個(gè)電池單體或模塊的電流、電壓和溫度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，電池網(wǎng)絡(luò)控制器可以在線精確估算電池的的健康狀態(tài)(state of health，SOH)和荷電狀態(tài)(state of ge，SOC)等狀態(tài)信息，然后分析形成電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖顑?yōu)控制策略，最后通過(guò)電池能量交換背板實(shí)現(xiàn)當(dāng)前時(shí)刻最優(yōu)電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｅc互聯(lián)網(wǎng)中的分布式組網(wǎng)類似，多個(gè)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以進(jìn)一步構(gòu)成更大規(guī)模的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)，使得快速構(gòu)建任意規(guī)模的數(shù)字電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成為可能[9]。

傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)與電池能量交換系統(tǒng)的比較如圖5所示。由于在可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)中電池單體或模塊之間的串并聯(lián)拓?fù)淇筛鶕?jù)電池運(yùn)行狀況、負(fù)載需求、安全閾值等條件進(jìn)行細(xì)粒度動(dòng)態(tài)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了模擬電池能量流的離散化和數(shù)字化，從理論上解決了電池系統(tǒng)的短板效應(yīng)問(wèn)題，因此極大提升了電池系統(tǒng)的有效容量、循環(huán)壽命、安全性和可靠性，與傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)有著本質(zhì)區(qū)別，對(duì)貫穿電池行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈具有重大意義。

2.2 軟件定義復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)

如前所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能定義和性能指標(biāo)應(yīng)與用戶需求匹配。然而，受限于目前電池電化學(xué)體系和性能上的限制，在儲(chǔ)能實(shí)際應(yīng)用中尚無(wú)法采用一套物理儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)滿足功率型和能量型的應(yīng)用，這種情況加大了儲(chǔ)能系統(tǒng)的建造成本和部署難度。通過(guò)能量信息化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)儲(chǔ)能介質(zhì)的數(shù)字化混用以解決儲(chǔ)能介質(zhì)體系和種類有限與用戶需求多樣性之間的矛盾，提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性、能量密度和功率密度。

軟件定義復(fù)合儲(chǔ)能與信息存儲(chǔ)體系的對(duì)照邏輯關(guān)系如圖6所示，類比于信息存儲(chǔ)體系中從頂端的寄存器到底端的云存儲(chǔ)，不同信息存儲(chǔ)介質(zhì)的單位成本是快速遞減的，但存儲(chǔ)介質(zhì)的存取時(shí)延是不斷增大的。通過(guò)信息存儲(chǔ)介質(zhì)的數(shù)字化和虛擬化(格式化)，不同信息存儲(chǔ)介質(zhì)可以無(wú)縫融合在一起使用，共同支撐起各類計(jì)算任務(wù)對(duì)信息存儲(chǔ)的要求。同樣在能源互聯(lián)網(wǎng)中，不同性質(zhì)的能量存儲(chǔ)介質(zhì)適用于不同儲(chǔ)能應(yīng)用需求。基于能量信息化技術(shù)，可以針對(duì)不同儲(chǔ)能應(yīng)用需求，將多種物理化學(xué)性質(zhì)迥異的儲(chǔ)能介質(zhì)進(jìn)行數(shù)字化混用，實(shí)現(xiàn)一套物理儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)滿足多種儲(chǔ)能應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)值最大化。

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

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

軟件定義復(fù)合儲(chǔ)能的提出對(duì)解決目前電池行業(yè)自身問(wèn)題提供了新思路和新方法。目前，電池材料能量密度的發(fā)展嚴(yán)重滯后于電池系統(tǒng)應(yīng)用需求，并且單一類型電池難以滿足多樣化應(yīng)用需求以及負(fù)載動(dòng)態(tài)變化。通過(guò)開(kāi)發(fā)軟件定義電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以把不同廠家、不同批次、不同種類、不同電化學(xué)特性的儲(chǔ)能介質(zhì)集成到一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，通過(guò)數(shù)字化能量管控系統(tǒng)來(lái)選擇不同類型的儲(chǔ)能介質(zhì)以適應(yīng)負(fù)荷和工況的變化。在許多儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景中，由于負(fù)荷是時(shí)變的，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同工況下提供不同的輸出功率。例如，電動(dòng)汽車在加速時(shí)和平穩(wěn)行駛時(shí)需要的電池系統(tǒng)功率輸出會(huì)有數(shù)倍或數(shù)十倍的差異;又如，電力系統(tǒng)通常需要電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用于調(diào)峰(能量型)或調(diào)頻(功率型)等應(yīng)用場(chǎng)景。傳統(tǒng)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)解決方案通常采用同廠家同批次同型號(hào)的電池單體組成電池系統(tǒng)，然而這樣做的問(wèn)題是如此構(gòu)建的電池系統(tǒng)要么適用于功率型應(yīng)用，要么適用于能量型應(yīng)用，很難滿足復(fù)雜應(yīng)用需求。因此，傳統(tǒng)電池系統(tǒng)在功率或容量方面采用超配的方式來(lái)滿足應(yīng)用需求的多樣性，這不僅造成了電池系統(tǒng)成本高、體積大、重量大的問(wèn)題，也造成了電池資源浪費(fèi)的問(wèn)題。針對(duì)此類問(wèn)題，采用軟件定義數(shù)字電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將功率型電池(如鈦酸鋰、三元鋰電池等)和能量型電池(如磷酸鐵鋰、鉛酸電池、鉛碳電池等)及其他能量存儲(chǔ)載體(如超級(jí)電容器等)無(wú)縫集成到一起形成一個(gè)高效儲(chǔ)能供電系統(tǒng)，滿足了不同工況對(duì)電池系統(tǒng)輸出功率和工作時(shí)間的多樣性要求，從而極大提升了電池系統(tǒng)的整體性能，并極大降低了電池系統(tǒng)的單位成本。

2.3 電池能量管控云平臺(tái)

隨著近年來(lái)能源和信息行業(yè)的迅猛發(fā)展，終端用戶和行業(yè)客戶對(duì)電池系統(tǒng)的管控能力提出了多種多樣的應(yīng)用需求，如細(xì)顆粒度管控與運(yùn)維、高精度動(dòng)態(tài)均衡、面向應(yīng)用需求的在線可編程、硬件系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)用戶需求的適應(yīng)性、基于云和大數(shù)據(jù)的電池服務(wù)等，為此在儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)字化的基礎(chǔ)上，提出了基于云平臺(tái)的軟件定義電池能量管控系統(tǒng)。電池能量管控云平臺(tái)的實(shí)質(zhì)是就是將原來(lái)高度耦合的一體化電池硬件，如固定串并聯(lián)的電池硬件系統(tǒng)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、抽象化(虛擬化)等信息技術(shù)手段解耦成不同的物理子系統(tǒng)，進(jìn)而圍繞這些物理子系統(tǒng)建立虛擬化軟件層，通過(guò)定義應(yīng)用編程接口(application programming interface，API)的方式實(shí)現(xiàn)原來(lái)硬件系統(tǒng)才提供的功能。通過(guò)管理控制軟件，系統(tǒng)可以自動(dòng)地進(jìn)行硬件資源的部署、組合、優(yōu)化和管理，為應(yīng)用提供高度靈活性的服務(wù)。簡(jiǎn)而言之，電池能量管控云平臺(tái)就是由軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)并控制電池硬件資源，將傳統(tǒng)固定串并聯(lián)的電池組演進(jìn)成為面向用戶需求的軟件可操控的電池智能硬件系統(tǒng)。因此，電池能量管控云平臺(tái)具備信息與能量緊密耦合的連接能力，支撐未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)中電池能量服務(wù)的加載，形成“云+端”的典型架構(gòu)，具備了電池能量大數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)等附加價(jià)值。

由于電池能量管控云平臺(tái)按應(yīng)用需求通過(guò)系統(tǒng)可編程接口或電池能量服務(wù)模式將電池硬件系統(tǒng)的管控能力開(kāi)放到互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上，使終端用戶和行業(yè)客戶對(duì)其電池系統(tǒng)硬件資源實(shí)現(xiàn)多維度的軟件配置和管控，因此，電池能量管控云平臺(tái)解決了電池系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的成本與性能聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題及其在使用過(guò)程中的適應(yīng)需求動(dòng)態(tài)變化的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的性能、效率和安全可靠性，實(shí)現(xiàn)了電池儲(chǔ)能資產(chǎn)的數(shù)字化、信息化和互聯(lián)化管控，使之成為一種可計(jì)量可計(jì)算的互聯(lián)網(wǎng)資源，有力支撐了“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”的應(yīng)用模式。值得指出的是電池能量管控云平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)未來(lái)云儲(chǔ)能(或儲(chǔ)能云)的使能技術(shù)。云儲(chǔ)能被認(rèn)為是未來(lái)電力系統(tǒng)儲(chǔ)能的新形態(tài)，是一種基于已建成的現(xiàn)有電網(wǎng)的共享儲(chǔ)能技術(shù)，使用戶可以隨時(shí)、隨地、按需使用由集中式或分布式的儲(chǔ)能設(shè)施構(gòu)成的共享儲(chǔ)能資源，并按照使用需求支付服務(wù)費(fèi)。通過(guò)大規(guī)模部署分布式電池能量交換系統(tǒng)，將用戶側(cè)現(xiàn)有的各種儲(chǔ)能資源(如備用電池等)數(shù)字化虛擬化為云端的數(shù)字儲(chǔ)能資產(chǎn)，進(jìn)而為各種用戶提供基于數(shù)字儲(chǔ)能資產(chǎn)的能量服務(wù)，催生基于能源互聯(lián)網(wǎng)的儲(chǔ)能業(yè)態(tài)。

除商業(yè)模式外，隨著儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)維成本將快速上升，成為影響商業(yè)模式至關(guān)重要的因素。通過(guò)電池能量管控云平臺(tái)對(duì)電池單體或模塊進(jìn)行細(xì)粒度的管控和維護(hù)可以極大降低運(yùn)維成本和系統(tǒng)有效運(yùn)行時(shí)間。同時(shí)，還可以對(duì)電池單體或模塊狀態(tài)進(jìn)行細(xì)粒度感知，進(jìn)而在考慮到電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)、用戶負(fù)荷、電池容量和健康狀態(tài)及安全閾值等邊界條件的前提下動(dòng)態(tài)生成儲(chǔ)能系統(tǒng)高效安全運(yùn)行控制策略，并與電網(wǎng)能量調(diào)度系統(tǒng)實(shí)時(shí)互動(dòng)。

3 數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 面向數(shù)據(jù)中心的軟件定義數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)

備用電源在各種通信系統(tǒng)中占有重要地位，是保障主營(yíng)業(yè)務(wù)正常運(yùn)行的必備保障條件。然而，目前備用電源普遍存在著建設(shè)投資和運(yùn)維成本高、運(yùn)行效率低、安全性和可靠性差、單位能量和功率密度低等痛點(diǎn)問(wèn)題。而且，隨著電網(wǎng)供電質(zhì)量的顯著提升，現(xiàn)有備用電源的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)運(yùn)營(yíng)商的需求和要求。因此，新型備用電源架構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)施勢(shì)在必行。

隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量的爆炸式增長(zhǎng)，作為互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)源頭的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(internet data center，IDC)的數(shù)量與規(guī)模在全球范圍內(nèi)急速膨脹。數(shù)據(jù)中心的急速發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的能耗問(wèn)題，一個(gè)大型IDC的能耗超過(guò)美國(guó)一個(gè)中型城市的耗電量。中國(guó)的數(shù)據(jù)中心能耗正在高速增長(zhǎng)，并顯著高于世界的平均水平。據(jù)ICT Research統(tǒng)計(jì)，2012年我國(guó)數(shù)據(jù)中心能耗高達(dá)664.5 億kWh，占當(dāng)年全國(guó)工業(yè)用電量的1.8%。2015年我國(guó)數(shù)據(jù)中心能耗高達(dá)1000 億kWh，相當(dāng)于三峽水電站當(dāng)年的發(fā)電量。造成這一現(xiàn)象的核心問(wèn)題之一在于傳統(tǒng)IDC中UPS到服務(wù)器電源要經(jīng)過(guò)三次交直流轉(zhuǎn)換，其損耗占總能耗的50%左右，這部分損耗還將以熱量形式散發(fā)，造成二次能耗損失。另外，服務(wù)器通常有92%左右的時(shí)間處于空閑狀態(tài)，進(jìn)入服務(wù)器的能量利用率也十分低下，而目前IDC能效指標(biāo)計(jì)算方式中并沒(méi)有考慮此因素。除此之外，溫度、濕度等環(huán)境因素也會(huì)影響IDC的能耗。又如，基站和機(jī)房的備用電池系統(tǒng)的配置作用是保障供電安全和可靠性，在輸入電力中斷的情況下保證直流供電不間斷，蓄電池運(yùn)行狀態(tài)好壞將直接影響到基站和機(jī)房直流系統(tǒng)正常、安全、可靠的運(yùn)行。但是，由于基站和機(jī)房備用電源系統(tǒng)蓄電池存量大、長(zhǎng)期處于浮充電狀態(tài)，缺少精細(xì)化管理，造成一系列效率、安全性、整組更換、人工運(yùn)維成本高等問(wèn)題。

因此，通過(guò)研發(fā)適用于數(shù)據(jù)中心的軟件定義數(shù)字UPS系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)備用電源供電架構(gòu)進(jìn)行革命性改進(jìn)，如圖7所示。通過(guò)采用電池能量交換系統(tǒng)，研發(fā)IDC數(shù)據(jù)中心和基站機(jī)房的分布式數(shù)字儲(chǔ)能供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了備用供電系統(tǒng)的數(shù)字化和互聯(lián)網(wǎng)化能量管控。與傳統(tǒng)模擬備用供電系統(tǒng)相比，數(shù)字電池能量交換系統(tǒng)可以對(duì)備用供電系統(tǒng)中的電池單體輸出模擬能量流進(jìn)行微秒級(jí)的離散化和數(shù)字化處理和管控，通過(guò)毫秒級(jí)的電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)重構(gòu)保證了每一個(gè)電池單體不過(guò)充不過(guò)放，并且在微秒級(jí)隔離故障電池單體，從而極大提升了備用電池供電系統(tǒng)的有效容量、效率、安全性、可靠性和可維護(hù)性，顯著提升了備用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)壽命(可單獨(dú)更換任一電池單體)。此外，數(shù)字儲(chǔ)能供電系統(tǒng)極大放寬了對(duì)電池單體一致性的要求，支持互聯(lián)網(wǎng)化自動(dòng)運(yùn)維巡檢和調(diào)度，降低了儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)成本和運(yùn)維成本，從根本上保證了備用供電系統(tǒng)的商業(yè)經(jīng)濟(jì)性。

Fig.7 Software defined digital UPS system

示范系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，數(shù)字儲(chǔ)能供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信息流與能量流的緊密融合，從能量流、信息流和環(huán)境參數(shù)等三個(gè)方面對(duì)備用供電系統(tǒng)進(jìn)行全面感知與管控。通過(guò)采用分布式數(shù)字儲(chǔ)能供電系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)集中式UPS系統(tǒng)和模擬鉛酸電池系統(tǒng)，以及采用旁路式連接方式代替串入式連接方式，新系統(tǒng)可以減少兩次交直流轉(zhuǎn)換，降低10%以上的能耗，IDC的有效空間利用率提升30%左右，這些措施將大幅度提升IDC的運(yùn)營(yíng)收益。此外，通過(guò)采用鋰電池代替鉛酸電池，可成倍提高備用電池系統(tǒng)的有效容量、放電效率和使用壽命，在滿足備用電源要求的前提下，數(shù)字儲(chǔ)能供電系統(tǒng)可以用作分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，進(jìn)而從“節(jié)流”和“開(kāi)源”兩個(gè)方面全面降低IDC的能耗和運(yùn)營(yíng)成本。同時(shí)，數(shù)字儲(chǔ)能供電系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)鉛酸電池和鋰離子電池?cái)?shù)字化混用，最大程度的利用現(xiàn)有鉛酸電池的殘值，支撐從鉛酸電池到鋰電池的低成本平穩(wěn)過(guò)渡。

3.2 面向退役動(dòng)力電池梯次利用的數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)

隨著電動(dòng)汽車的大規(guī)模推廣使用，可以預(yù)見(jiàn)在未來(lái)幾年內(nèi)將有大批的退役動(dòng)力電池。依據(jù)現(xiàn)行退役標(biāo)準(zhǔn)，退役動(dòng)力電池依然具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和市場(chǎng)空間，因此在儲(chǔ)能需求迫切的智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。然而退役動(dòng)力電池梯次利用在性能評(píng)估、分選成組、集成管控、安全與經(jīng)濟(jì)性、商業(yè)模式等方面有著大量原理性和技術(shù)性問(wèn)題需要研究與解決?；跀?shù)字電池能量交換系統(tǒng)，本文提出了數(shù)字無(wú)損梯次利用方法，如圖8所示。

不同廠家、類型、批次、使用工況的動(dòng)力電池退役后在健康狀態(tài)、有效容量等方面差異顯著，而目前的電池拆解、精細(xì)分選和固定串并聯(lián)重組的梯次利用方法采用的是基于電池一致性的思路，這就造成了退役動(dòng)力電池規(guī)模化梯次利用時(shí)面臨難度大、效率低、成本高等問(wèn)題，進(jìn)而降低了退役動(dòng)力電池再利用價(jià)值，并且難以保證梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體性能、安全性和經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一系列研究工作。在基礎(chǔ)理論研究方面，國(guó)內(nèi)外研究主要集中在基于電性能參數(shù)探測(cè)的健康狀態(tài)(SOH)和荷電狀態(tài)(SOC)的電池剩余容量和安全閾值評(píng)估。在梯次利用技術(shù)方面，傳統(tǒng)精選方法難以適應(yīng)海量差異化退役電池的低成本快速分選要求，而固定串并聯(lián)重組方式難以適應(yīng)退役動(dòng)力電池差異性大的事實(shí)，因此傳統(tǒng)電池分選成組方法難以達(dá)到梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在整體性能、安全性和經(jīng)濟(jì)性之間的平衡。在系統(tǒng)集成管理方面，國(guó)內(nèi)外研究主要集中在電池管理系統(tǒng)高級(jí)功能擴(kuò)展和電池組均衡方法以及傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)電、熱、安全管理方法在梯次利用動(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)上的可用性。然而，退役動(dòng)力電池參數(shù)離散度大，效率和可靠性低，發(fā)生系統(tǒng)安全事故的概率顯著增大，這些都對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)電、熱管理提出了更為苛刻的要求。

Fig.8 Comparison of traditional second-use and digital lossless second-use

與傳統(tǒng)方法不同，數(shù)字無(wú)損梯次利用方法無(wú)需將電池進(jìn)行單體層面的拆解、精選和重組，通過(guò)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)對(duì)退役的電池單體或焊接在一起的低壓電池模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單電氣和外觀粗選及柔性重構(gòu)。通過(guò)數(shù)字電池能量交換系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)退役動(dòng)力電池單體或模塊的精準(zhǔn)充放電均衡和微秒級(jí)故障電池精準(zhǔn)隔離，同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行“邊用邊測(cè)邊管(on-the-go)”式的實(shí)時(shí)狀態(tài)量測(cè)和性能分析，實(shí)現(xiàn)基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化梯次利用退役動(dòng)力電池電、熱及安全管控。從圖9和圖10可以看出數(shù)字無(wú)損梯次利用方法可以在很大程度上消除退役動(dòng)力電池單體或模塊在充放電過(guò)程中的差異性，屏蔽系統(tǒng)短板效應(yīng)帶來(lái)的一系列電池應(yīng)用問(wèn)題，如系統(tǒng)有效容量、可靠性和安全性等問(wèn)題。此外，基于軟件定義電池能量交換系統(tǒng)構(gòu)建的梯次利用動(dòng)力電池自動(dòng)巡檢和智能管控云平臺(tái)可以對(duì)電池單體或模組進(jìn)行雙向細(xì)粒度能量管控，實(shí)現(xiàn)電池運(yùn)維和能量調(diào)度的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化。因此，數(shù)字無(wú)損梯次利用幾乎是當(dāng)前唯一一種可以解決退役動(dòng)力電池低成本安全高效梯次利用的方法。

Fig.9 Charging comparison between traditional battery system and digital energy storage system (test based on 64 decommissioned battery cells).

Fig.10 Disging comparison between traditional battery system and digital energy storage system.

基于上述應(yīng)用案例，可以看到基于能量數(shù)字化和信息化處理技術(shù)的數(shù)字電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與傳統(tǒng)模擬電池有著本質(zhì)上的不同，是電池應(yīng)用領(lǐng)域的范式創(chuàng)新。由于采用可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)，電池本體物理化學(xué)差異性與電池應(yīng)用場(chǎng)景需求實(shí)現(xiàn)了徹底分離，因此數(shù)字電池系統(tǒng)將比模擬電池系統(tǒng)具有更高的可靠性和安全性及更長(zhǎng)的系統(tǒng)循環(huán)壽命。從另一方面看，數(shù)字儲(chǔ)能作為一種范式創(chuàng)新，必然面臨著一系列理論和應(yīng)用方面的問(wèn)題和不足，如性能優(yōu)化、系統(tǒng)成本、應(yīng)用場(chǎng)景和用戶體驗(yàn)等。數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)在一些應(yīng)用場(chǎng)景下的大規(guī)模推廣離不開(kāi)產(chǎn)業(yè)界的緊密配合，例如數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)在電動(dòng)汽車上的推廣應(yīng)用必然會(huì)改變目前電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的成本構(gòu)成、運(yùn)營(yíng)模式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這些必然需要電池生產(chǎn)廠商和整車設(shè)計(jì)及生產(chǎn)廠商的支持和配合。

然而，通過(guò)采用超大規(guī)模集成電路(very large scale integration，VLSI)技術(shù)和高頻電力電子半導(dǎo)體技術(shù)，數(shù)字電池能量交換系統(tǒng)的成本將符合摩爾定律的產(chǎn)業(yè)規(guī)律，隨著大規(guī)模普及，其成本必將呈現(xiàn)幾何級(jí)數(shù)快速下降，因此數(shù)字儲(chǔ)能實(shí)質(zhì)上是通過(guò)利用摩爾定律克服電池本體問(wèn)題的新方法、新技術(shù)。值得指出的是，電池能量交換背板采用的低壓電力電子半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件(40 V以下)近年來(lái)隨著出貨量增大，價(jià)格快速下降(平均單價(jià)0.5元)，性能極大提升(通流能力達(dá)到數(shù)百安，內(nèi)阻小于1 mΩ)，隨著電池能量交換系統(tǒng)的大規(guī)模普及，其平準(zhǔn)化成本(levelized cost)將達(dá)到每次度電成本0.1元以下。

數(shù)字系統(tǒng)取代傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)是技術(shù)演進(jìn)的明確方向，也是第三次工業(yè)革命和工業(yè)4.0的核心技術(shù)路徑。信息通信和互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域在過(guò)去的數(shù)十年的發(fā)展路徑已經(jīng)證明了這一論斷。摩爾定律作為數(shù)字系統(tǒng)的核心產(chǎn)業(yè)規(guī)律必將對(duì)能源行業(yè)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。

4 總結(jié)與展望

數(shù)字儲(chǔ)能顛覆了電池系統(tǒng)構(gòu)建范式，將傳統(tǒng)模擬電池系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電池系統(tǒng)，進(jìn)而將電池能量變?yōu)樾畔⒒ヂ?lián)網(wǎng)中可視可管的一種新型網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中能量流與信息流的深度融合，使得儲(chǔ)能電站基于共享經(jīng)濟(jì)的輕資產(chǎn)建設(shè)方式和互聯(lián)網(wǎng)+電池的后付費(fèi)服務(wù)模式成為可能。通過(guò)數(shù)字儲(chǔ)能構(gòu)建軟件定義復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)儲(chǔ)能介質(zhì)的數(shù)字化復(fù)用，解決了電池種類有限和用戶需求多樣的矛盾，并且極大降低了成本和部署難度。數(shù)字電池系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)態(tài)的無(wú)縫融合可以支撐低成本電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量云服務(wù)，催生用戶側(cè)新型售電業(yè)務(wù)的發(fā)展。值得指出的是，作為電池應(yīng)用的范式創(chuàng)新，數(shù)字儲(chǔ)能的未來(lái)發(fā)展需要進(jìn)一步研究信息能量同頻處理、多尺度物理信息能量耦合、高維度非線性優(yōu)化、大規(guī)模低成本可重構(gòu)電池能量交換背板設(shè)計(jì)、高效數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)集成和能量管控等核心科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，以及基于能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的后付費(fèi)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)模式。能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開(kāi)摩爾定律對(duì)傳統(tǒng)能源行業(yè)的滲透和改造，數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)必將替代模擬儲(chǔ)能系統(tǒng)成為“互聯(lián)網(wǎng)+電池”商業(yè)模式的信息物理基礎(chǔ)設(shè)施。 

原標(biāo)題：數(shù)字儲(chǔ)能系統(tǒng)：必須走向能源互聯(lián)網(wǎng)？