軟件定義可重構電池系統及其應用

慈 松，周楊林，林 倪

(1.清華大學能源互聯網創新研究院，北京 100084)(2.美國內布拉斯加州大學林肯分校，林肯 68588)(3.上海科技大學，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

軟件定義可重構電池系統及其應用

慈 松1，2，周楊林3，林 倪2

(1.清華大學能源互聯網創新研究院，北京 100084)(2.美國內布拉斯加州大學林肯分校，林肯 68588)(3.上海科技大學，上海 201210)

自電池被發明200多年以來，電池系統一直是采用固定串并聯的系統架構，即很多小容量的單體電池根據負載的要求固定串并聯成一個電池系統。然而，由于生產和工況引入的單體電池差異性，這種固定串并聯的系統架構給電池系統帶來了很多應用上問題，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，軟件定義可重構電池系統可以從根本上解決電池單體差異性與固定串并聯成組方式之間的不匹配問題，進而解決了一系列電池應用問題。本文將重點討論基于可重構電池網絡的軟件定義可重構電池系統原理及其應用。

可重構電池網絡；軟件定義電池系統；電池儲能系統；信息物理融合系統；可重構電池網技術應用

1 前 言

近年來，隨著大規模可再生能源(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(Energy Storage System, ESS)技術的發展為電力和可移動能源應用提供了更加廣闊的應用前景[1]，并使得能量儲能系統更加適用于靈活、可重構的固定大容量儲能式應用場景。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、響應速度快、維護成本低、靈活方便等優點，是目前儲能技術的發展方向。并且在電池儲能應用需求的驅動下，例如：電動汽車和電力網絡中大規模儲能等，使得電池儲能技術得到長足的發展、其成本也有所降低趨勢。

大規模的電池儲能系統均是由電池單體構成，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與負載要求匹配的電流電壓等物理屬性，大多數的電池儲能系統是使用一定數量的電池單體串聯形成電池模塊，然后電池模塊通過串聯或者并聯的方式形成電池組。通常而言，DC/DC整流器為電池與負載之間提供控制接口[2]。“世界沒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差異，即使每一電池模塊內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廠商采取不盡相同的方法。按照傳統的電池管理方法，一般而言，每一電池模塊內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，導致系統級的“短板效應”，使得系統的容量逐漸減小，系統性能逐漸變差，在保證電池單體一致性的同時，電池系統的成本將會過高。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過程不可逆，保險絲熔斷將會導致系統容量永久性損失，系統性能無法完全保證。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電池網絡的概念，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電池單體的狀態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，使系統能夠根據電池自身特性，實現異構電池的混搭使用，以實現更高級別的電池單體均衡策略；在不浪費系統資源的前提下，保證系統安全性，實現電池管理系統的最大效用。上述已成為眾多電池管理系統生產商共同關注的問題。

采用互聯網思維，通過引入能夠屏蔽單體電池差異性的系統級技術(如互聯網技術)來解決電池系統的短板效應，采用“升維思考，降維貫通”細化系統級管控顆粒度，通過研發芯片等電子器件降低系統復雜度和成本。軟件定義可重構電池系統可以屏蔽單體電池的物理和化學上的差異性，克服電池系統短板效應。這種方案能夠做到防微杜漸，采用動態可重構電池網絡技術，單體電池之間的物理連接是動態可逆過程。當電芯級的電流、溫度不均衡現象剛一出現時，就會被管控系統及時消除，不會任其累計到危機系統安全的程度，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設計——軟件定義可重構電池系統，尤其是基于能量流和信息流緊密融合的電池系統設計理論和其在相關領域的應用。這種方法一改沿用至今300多年的固定串并聯系統架構，并且容納了電池單體的差異性， 實現了電池能量比特化和“互聯網+”。

第2節首先論述了軟件定義可重構電池系統技術，介紹軟件定義可重構電池系統中的信息與能量的聯合控制。第3節軟件定義可重構電池系統關鍵技術進行詳細闡述。第4節介紹了融合了軟件定義可重構電池系統設計理念的能量流與信息流融合的相關的應用。

2 軟件定義可重構電池系統技術

軟件定義的方法最早在計算機網絡中被提出并應用，即為人們熟知的軟件定義網絡。軟件定義網絡相比于傳統網絡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合控制的三大優勢。隨著人們對軟件定義概念的逐步深入和普遍認識，軟件定義方法應用在多個領域，并且發展成為新的理論和方法。

本系統中采用軟件定義的方法是為了實現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，實現電池信息的邏輯集中控制、電池數據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勢在于通過電池管理系控制層與電池層之間的接口，實現異構電池接入儲能系統時的聯合管控，根據不同的用能需求(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，實現能量與信息的深度融合。

軟件定義可重構電池系統體系架構的設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部連接邏輯相聯系的通道。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，采集每節單體電池的運行狀態數據，運行狀態數據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、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，各網絡元素由不同規則形成控制層處理器控制的電池網絡通路連接，即可重構的電池網絡。

3 軟件定義可重構電池系統關鍵技術

可重構電池網絡其實際只是一種技術手段，是通過程序控制物理層電池智能開關，進而控制電池的交換系統網絡狀態。通過運行在處理器中的程序采集每節電池單體的工作狀態數據，并根據數據分析得出電池單體的自身屬性，執行相應的電池單體均衡策略，實現系統效用的最大化。將互聯網系統架構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。可重構電池的關鍵技術包括，系統控制處理器芯片的設計、精準SOC狀態估計、可重構電池網絡設計三個方面，下面分別從這三個方面進行了闡述。

3.1 軟件定義可重構電池系統控制處理芯片設計

軟件定義可重構電池系統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，實現采集數據的快速處理，便捷安全地管理電池網絡，提升電池管理系統的整體性能。控制處理芯片有兩點技術要求：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量，實現扁平式和層次式控制模式，通過以上兩點技術要求實現電池時空兩維更加細粒度的復用。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、不同儲能介質之間的快速無縫切換，同時控制處理芯片設計需滿足低能耗、可執行性、可用性和容錯性等要求。

軟件定義可重構電池系統控制處理芯片擁有全電池網絡信息，能夠處理電池網絡海量數據，因此需要具有較高的處理能力和多線程處理功能。對于眾多中等規模的電池網絡來說，一般采用一個控制處理芯片即可完成相應的控制功能，不會對性能產生明顯影響。

3.2 精確SOC估算

電池儲能系統中，電池工作狀態的好壞直接關系到整個系統的運行可靠性。在電池運行狀態參數包括：電池荷電狀態(State of Charge, SOC)、功率衰落、容量衰落等，其中電池SOC參數最為重要，其精確估算是電池管理系統中最核心的技術。電池SOC和其他一些相關量的變化，是電池單體電量均衡和動態拓撲重構的重要依據。因此，SOC的精確估算是軟件定義可重構電池系統管理技術的關鍵。

一般來說，對電池SOC估計的方法運用較多的方法有內阻法、電荷積累法、開路電壓法、負載電壓法、神經網絡法和卡爾曼濾波法[5]等。內阻法幾乎不能在電池管理系統中應用，因為電池內阻不僅僅與SOC有關，還與溫度、電池劣化程度等因素有關，因此一個內阻狀態不能與SOC值嚴格對應；對于系統精度要求高的，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(SOC)存在一一對應的關系，OCV在電池SOC估算中被廣泛應用，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。現階段研究的神經網絡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，目前未在傳統電池管理系統中得到具體應用。

軟件定義電池系統控制處理芯片具有強大的數據存儲和計算能力，儲存了電池全生命周期的數據，其中包括電池的使用時間，電池在不同工作狀態(充電、放電、休眠等)時的電流、電壓，另外還存儲了電池工作環境，比如溫度等。基于采集與積累到的數據為電池精確SOC估算提供了重要依據，可以采用電池在線式估算方法[6]實時SOC估算。精準的SOC估算為重構電池網絡提供了重要的參考依據。

3.3 軟件定義可重構電池系統物理層設計

與傳統電池管理方法電池以固定串并聯連接方式接入系統相比，軟件定義的可重構電池系統物理層是由可重構電池網絡組成。可重構電池方法[6,7]提升了電池成組管理的性能，圖1中示出了經典四開關可重構電池組電路(即，每節單體電池周圍有四個開關相連)，通過控制開關的通斷狀態，可以改變電池的串并聯方式。

圖1 典型四開關可重構電池組[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。例如當電池在放電狀態時，改變電池的拓撲狀態將會產生高于正常電流數十倍的瞬時電流。因此，物理層電池連接設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(電池放電時)變化連接方式時產生的較強電流。

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，動態可重構電池組連接方式，是提升電池管理性能的物理基礎。然而，電池可重構技術存在眾多難點，以經典四開關可重構電池為例，如圖2所示，若實現電池單體1、2串聯與3、4串聯后并聯較為簡單。但是，如若實現1、3串聯與2、4串聯后并聯，將會較為復雜，將會有單體2被短路風險[10]。

圖2 調節開關狀態控制電池連接方式[10]Fig.2 Adjust cell connectivity by controlling the states of switches[10]

因此，軟件定義可重構電池系統物理層設計需要可靠的可重構電池電路，既保證電池單體之間易于實現可重構電池，也需要確保電池工作狀態的安全性要求。

4 軟件定義可重構電池系統的應用場景

軟件定義可重構電池系統融入了能量信息化與互聯網化管控的理念，一改沿用多年的固定串并聯電池的連接模式。目前融合了軟件定義可重構電池系統理念的設計方案在相關領域都能夠得到應用，以下將介紹可其在生產和生活中的應用場景。

4.1 軟件定義可重構電池系統能量網卡

軟件定義可重構電池系統控制處理芯片能夠加強管控系統能力和降低管控成本及復雜度。以控制管控芯片為基礎的能量網卡，作為能源互聯網中的關鍵器件，實現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度的裝置，是眾多用能終端接入能源互聯網的入口。軟件定義可重構電池系統能量網卡的設計及功能，是把互聯網系統架構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，創新性地引入大規模電池成組中，通過時空兩維的細粒度復用，從系統級技術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電池管理系統能量網卡原型為例，其關鍵部分組成包括：超級電容陣列、電池網絡、智能電池組管理專用處理器、電池操作系統和API等，如圖3所示。由此種單體模塊組成的大規模電池系統廣泛應用于數據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，該系統保障了基站的無中斷運行。

圖3 軟件定義電池能量網卡Fig.3 Software-defined battery energy storage

4.2 大規模動態可重構電池系統

為了達到應用所需的電壓或者功率要求，大規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、主電網大電廠儲能等，大規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性能降低。隨著能源互聯網的應用普及，大規模電池儲能設備的技術需要改進，在大規模儲能設備中，依據軟件定義可重構電池系統設計理念，研發出適宜自適應方式動態可重構電池網絡勢在必行，本課題組研究了如何對1792個電池能量管控節點進行有效管控，如何通過移動互聯網管控到每一節單體電池的狀態，實現毫秒級電池拓撲重構，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非線性的線性近似，實現了能量與信息的真正融合。

4.3 軟件定義可重構電池系統電池能量交換系統

在生活中，異型的電池在同一系統中應用的場景比較普遍，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為例，由于電池性質不同的原因，通過一般的電池管理系統較難做到管控與電池的分離。采用軟件定義電池可重構電池系統設計的方法，開發電池能量交換機用于支持異構電池，在容納了電池的差異性基礎上，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大規模異構電池的遠程監控。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，可以通過開發支持“管電”分離的管控模式，以信息輕資產增量盤活電池的重資產存量，實現電池的遠程化、互聯網化管控，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合的情況，采用電池能量交換機以DIY方式的方式構建家庭儲能系統，解決家庭儲能產品成本過高的問題。

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揮著重要的作用。以統一管理、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揮電池使用的效用。在標準模塊的換電模式中，電池網絡系統架構與模塊化設計、電池網絡成組核心技術是換電模式的關鍵技術，在突破關鍵技術后，還需進行原型系統與實車測試。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，真正實現了“車電分離，電池自選，自主換電，能量運營”。

4.5 基于互聯網管控的電池云平臺

軟件定義可重構電池系統能夠采集大量的單體電池的狀態，可以實時對電池的SOC和SOH進行監督和預測，并通過電池管理系統中的硬件接口模塊將監控數據傳至云服務器，如圖4所示。當電池管理系統支持互聯網接口接入協議時，用戶或者管理者可以通過遠程的方式實現對電池儲能的控制，實現電池管控的互聯網化管理。控制指令通過互聯網通信傳至硬件設備，可以執行預先設定的電池動態均衡算法動態調整電池連接的拓撲結構，也可以根據用戶個人喜好，制定特定的電池連接方式。電池“能量云”平臺的構建，對于整合不同類型、不同用途的儲能設備起到輔助作用，方便實現分布式儲能與電網的協調互動。

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

5 結 語

電池儲能系統在能源互聯網系統中的應用越來越普遍，但是電池系統技術進展卻緩慢，借鑒能源互聯網思想，實現軟件定義可重構電池系統的管控，將會改變電池自被發明300多年以來固定串并聯的系統架構，實現了儲能系統從模擬系統向數字系統的演進。同時，軟件定義可重構電池系統的互聯網化管控需突破多項傳統電池管理技術中的瓶頸，例如：控制芯片設計、SOC精準估算、硬件電路設計等。軟件定義動態可重構電池系統同時還依賴于電池軟件與硬件的無縫結合，并深度剖析能量的信息屬性，實現電池運行與控制的分離，即信息與能量的深度解耦合。軟件定義可重構電池系統的架構采用互聯網系統架構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電池系統設計理念的應用場景，如：電池能量網卡、大規模電池儲能系統、電池能量交換機、標準模式的換電電動汽車、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)