软件定义可重构电池系统及其应用

慈 松，周杨林，林 倪

(1.清华大学能源互联网创新研究院，北京 100084)(2.美国内布拉斯加州大学林肯分校，林肯 68588)(3.上海科技大学，上海 201210)

特约专栏

2017-09-20

慈 松，男，1970年生，研究员，Email:sci@unl.edu

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.10.02

软件定义可重构电池系统及其应用

慈 松1，2，周杨林3，林 倪2

(1.清华大学能源互联网创新研究院，北京 100084)(2.美国内布拉斯加州大学林肯分校，林肯 68588)(3.上海科技大学，上海 201210)

自电池被发明200多年以来，电池系统一直是采用固定串并联的系统架构，即很多小容量的单体电池根据负载的要求固定串并联成一个电池系统。然而，由于生产和工况引入的单体电池差异性，这种固定串并联的系统架构给电池系统带来了很多应用上问题，如SOC和SOH的测不准问题、电池充放电均衡问题、电池的梯次利用问题及可靠性和安全性问题等。 借鉴软件定义的理念和具体实现，软件定义可重构电池系统可以从根本上解决电池单体差异性与固定串并联成组方式之间的不匹配问题，进而解决了一系列电池应用问题。本文将重点讨论基于可重构电池网络的软件定义可重构电池系统原理及其应用。

可重构电池网络；软件定义电池系统；电池储能系统；信息物理融合系统；可重构电池网技术应用

1 前 言

近年来，随着大规模可再生能源(Renewable Energy Source of Electricity, RES-E)为主的分布式电源的使用，降低了对化石能源的依赖，有效减少大气污染排放，储能系统(Energy Storage System, ESS)技术的发展为电力和可移动能源应用提供了更加广阔的应用前景[1]，并使得能量储能系统更加适用于灵活、可重构的固定大容量储能式应用场景。同时，在众多的储能形式中由于电化学储能具有能量密度高、响应速度快、维护成本低、灵活方便等优点，是目前储能技术的发展方向。并且在电池储能应用需求的驱动下，例如：电动汽车和电力网络中大规模储能等，使得电池储能技术得到长足的发展、其成本也有所降低趋势。

大规模的电池储能系统均是由电池单体构成，电池单体具有较低电压和较低电流容量的限制。为了克服电池单体的弊端，并达到电池储能系统与负载要求匹配的电流电压等物理属性，大多数的电池储能系统是使用一定数量的电池单体串联形成电池模块，然后电池模块通过串联或者并联的方式形成电池组。通常而言，DC/DC整流器为电池与负载之间提供控制接口[2]。“世界没有两个完全相同的单体电池”，这种由于每一电池模块自身具有材料组成上的本质差异，即使每一电池模块内的单体电池在相同的工作条件下工作，并以相同的电流、电压工作，其SOC也会存在差异[3]。

对待电池单体的差异性，不同的电池管理系统厂商采取不尽相同的方法。按照传统的电池管理方法，一般而言，每一电池模块内的电池单体保证严格意义上的相似，忽略电池单体差异性的存在。久而久之，由于没有系统容纳和管理单体电池差异性的机制，微小的电芯级差异性将逐渐增大，导致系统级的“短板效应”，使得系统的容量逐渐减小，系统性能逐渐变差，在保证电池单体一致性的同时，电池系统的成本将会过高。依照特斯拉的解决方案，每个电池焊接一个保险丝，在电池单体由于自身性质而导致的性能降低时，保险丝将会被熔断以隔离故障电池，保证系统整体性能的完整性。但是问题依然存在，由于单体电池的接续过程不可逆，保险丝熔断将会导致系统容量永久性损失，系统性能无法完全保证。针对电池单体性差异，美国宇航局NASA JPL实验室和加州理工CalTech提出了一种一次性可重构电池网络的概念，用以解决航天飞机操作电池载荷问题[4]。顾名思义，该方案只能编程一次，通过这一次编程依据电池单体的状态固化住电池连接的方式，类似于计算机中的ROM。这种方法虽然容纳了电池单体的差异性，但是仍然不够具有可持续性，并无法从根本上解决电池差异性带来的影响。

那么，如何在容纳单体电池差异性的前提下，使系统能够根据电池自身特性，实现异构电池的混搭使用，以实现更高级别的电池单体均衡策略；在不浪费系统资源的前提下，保证系统安全性，实现电池管理系统的最大效用。上述已成为众多电池管理系统生产商共同关注的问题。

采用互联网思维，通过引入能够屏蔽单体电池差异性的系统级技术(如互联网技术)来解决电池系统的短板效应，采用“升维思考，降维贯通”细化系统级管控颗粒度，通过研发芯片等电子器件降低系统复杂度和成本。软件定义可重构电池系统可以屏蔽单体电池的物理和化学上的差异性，克服电池系统短板效应。这种方案能够做到防微杜渐，采用动态可重构电池网络技术，单体电池之间的物理连接是动态可逆过程。当电芯级的电流、温度不均衡现象刚一出现时，就会被管控系统及时消除，不会任其累计到危机系统安全的程度，做到防患于未然。

本文基于软件定义的方法，详细阐述一种基于能量信息化思想的颠覆性的电池系统设计——软件定义可重构电池系统，尤其是基于能量流和信息流紧密融合的电池系统设计理论和其在相关领域的应用。这种方法一改沿用至今300多年的固定串并联系统架构，并且容纳了电池单体的差异性， 实现了电池能量比特化和“互联网+”。

第2节首先论述了软件定义可重构电池系统技术，介绍软件定义可重构电池系统中的信息与能量的联合控制。第3节软件定义可重构电池系统关键技术进行详细阐述。第4节介绍了融合了软件定义可重构电池系统设计理念的能量流与信息流融合的相关的应用。

2 软件定义可重构电池系统技术

软件定义的方法最早在计算机网络中被提出并应用，即为人们熟知的软件定义网络。软件定义网络相比于传统网络具有控制与功能相分离、开放式可编程接口和集中与分布式结合控制的三大优势。随着人们对软件定义概念的逐步深入和普遍认识，软件定义方法应用在多个领域，并且发展成为新的理论和方法。

本系统中采用软件定义的方法是为了实现电池的运行与控制管理相分离，即信息与能量的深度解耦合，实现电池信息的逻辑集中控制、电池数据和电池控制分离以及抽象的电池管理模型。软件定义电池的最大优势在于通过电池管理系控制层与电池层之间的接口，实现异构电池接入储能系统时的联合管控，根据不同的用能需求(功率型、能量型)，合理配置储能资源。将能量流和信息流解耦合，实现能量与信息的深度融合。

软件定义可重构电池系统体系架构的设计包括软件和硬件两个部分，满足了可靠、高效、可扩展等特性。其软件部分为处理器支撑下的控制层，由可编程逻辑控制单元控制电池的连接和充放电行为，可编程接口为用户提供与电池内部连接逻辑相联系的通道。其硬件部分由电池、传感器和保护元件组成，通过电流、电压传感器，采集每节单体电池的运行状态数据，运行状态数据通过控制层管理和传输，保存在控制层中的集中控制单元——处理器中。物理层由电池单体、智能开关、二极管器件、校准器等电气元件，以及电流测量器、电压测量器、温度传感器等组成，各网络元素由不同规则形成控制层处理器控制的电池网络通路连接，即可重构的电池网络。

3 软件定义可重构电池系统关键技术

可重构电池网络其实际只是一种技术手段，是通过程序控制物理层电池智能开关，进而控制电池的交换系统网络状态。通过运行在处理器中的程序采集每节电池单体的工作状态数据，并根据数据分析得出电池单体的自身属性，执行相应的电池单体均衡策略，实现系统效用的最大化。将互联网系统架构中的屏蔽个体差异性的“尽力而为”的工作模式，及“软件控制分组交换”的工作思想，引入到大规模电池成组中，通过时空两维的细粒度复用，解决电池组中电池单体差异性的问题。可重构电池的关键技术包括，系统控制处理器芯片的设计、精准SOC状态估计、可重构电池网络设计三个方面，下面分别从这三个方面进行了阐述。

3.1 软件定义可重构电池系统控制处理芯片设计

软件定义可重构电池系统控制处理芯片是控制层的核心组件，通过控制处理芯片用户可以逻辑上集中控制电池操作，实现采集数据的快速处理，便捷安全地管理电池网络，提升电池管理系统的整体性能。控制处理芯片有两点技术要求：一是采用多线程的控制模式，另一点是通过增加分布式控制器数量，实现扁平式和层次式控制模式，通过以上两点技术要求实现电池时空两维更加细粒度的复用。控制处理芯片电池能量管控API，支持软件控制的单体电池之间、不同储能介质之间的快速无缝切换，同时控制处理芯片设计需满足低能耗、可执行性、可用性和容错性等要求。

软件定义可重构电池系统控制处理芯片拥有全电池网络信息，能够处理电池网络海量数据，因此需要具有较高的处理能力和多线程处理功能。对于众多中等规模的电池网络来说，一般采用一个控制处理芯片即可完成相应的控制功能，不会对性能产生明显影响。

3.2 精确SOC估算

电池储能系统中，电池工作状态的好坏直接关系到整个系统的运行可靠性。在电池运行状态参数包括：电池荷电状态(State of Charge, SOC)、功率衰落、容量衰落等，其中电池SOC参数最为重要，其精确估算是电池管理系统中最核心的技术。电池SOC和其他一些相关量的变化，是电池单体电量均衡和动态拓扑重构的重要依据。因此，SOC的精确估算是软件定义可重构电池系统管理技术的关键。

一般来说，对电池SOC估计的方法运用较多的方法有内阻法、电荷积累法、开路电压法、负载电压法、神经网络法和卡尔曼滤波法[5]等。内阻法几乎不能在电池管理系统中应用，因为电池内阻不仅仅与SOC有关，还与温度、电池劣化程度等因素有关，因此一个内阻状态不能与SOC值严格对应；对于系统精度要求高的，较好的选择即为电荷积累法，而电荷积累法的关键为后期的校正，后期校正常用的是电压法；由于开路电压(OCV)与电池荷电状态(SOC)存在一一对应的关系，OCV在电池SOC估算中被广泛应用，准确OCV测量需要在电池与负载断开后相当长一段时间才能做到，因此并不能做到在线测量，但是目前大部分SOC估算是采用这种办法。现阶段研究的神经网络法和卡尔曼滤波法检测精度还会进一步提高，但由于算法的复杂程度高，目前未在传统电池管理系统中得到具体应用。

软件定义电池系统控制处理芯片具有强大的数据存储和计算能力，储存了电池全生命周期的数据，其中包括电池的使用时间，电池在不同工作状态(充电、放电、休眠等)时的电流、电压，另外还存储了电池工作环境，比如温度等。基于采集与积累到的数据为电池精确SOC估算提供了重要依据，可以采用电池在线式估算方法[6]实时SOC估算。精准的SOC估算为重构电池网络提供了重要的参考依据。

3.3 软件定义可重构电池系统物理层设计

与传统电池管理方法电池以固定串并联连接方式接入系统相比，软件定义的可重构电池系统物理层是由可重构电池网络组成。可重构电池方法[6,7]提升了电池成组管理的性能，图1中示出了经典四开关可重构电池组电路(即，每节单体电池周围有四个开关相连)，通过控制开关的通断状态，可以改变电池的串并联方式。

图1 典型四开关可重构电池组[10]Fig.1 Classic reconfigurable battery pack with four switches[10]

为了能够提升电池的使用容量，延长电池的可操作时间，控制处理芯片为电池的连接提供最优的连接方案。然而，目前已有的改变电池拓扑方案在理论上是可行的，但在实际中存在诸多挑战。例如当电池在放电状态时，改变电池的拓扑状态将会产生高于正常电流数十倍的瞬时电流。因此，物理层电池连接设计需要加入众多保护器件，并需要混搭使用不同类型的储能器件(如：功率型储能电池和能量型储能电池)，用于保证满足电池在线状态(电池放电时)变化连接方式时产生的较强电流。

除此之外，在延长电池使用时间的研究中，更多希望电池以并联使用，然而，由于固然存在的电池不均衡性，最差的电池单体决定电池成组性能，从而影响了整体性能的提升。因此，动态可重构电池组连接方式，是提升电池管理性能的物理基础。然而，电池可重构技术存在众多难点，以经典四开关可重构电池为例，如图2所示，若实现电池单体1、2串联与3、4串联后并联较为简单。但是，如若实现1、3串联与2、4串联后并联，将会较为复杂，将会有单体2被短路风险[10]。

图2 调节开关状态控制电池连接方式[10]Fig.2 Adjust cell connectivity by controlling the states of switches[10]

因此，软件定义可重构电池系统物理层设计需要可靠的可重构电池电路，既保证电池单体之间易于实现可重构电池，也需要确保电池工作状态的安全性要求。

4 软件定义可重构电池系统的应用场景

软件定义可重构电池系统融入了能量信息化与互联网化管控的理念，一改沿用多年的固定串并联电池的连接模式。目前融合了软件定义可重构电池系统理念的设计方案在相关领域都能够得到应用，以下将介绍可其在生产和生活中的应用场景。

4.1 软件定义可重构电池系统能量网卡

软件定义可重构电池系统控制处理芯片能够加强管控系统能力和降低管控成本及复杂度。以控制管控芯片为基础的能量网卡，作为能源互联网中的关键器件，实现了物理上把能量进行离散化处理，进而进行灵活的管控和调度的装置，是众多用能终端接入能源互联网的入口。软件定义可重构电池系统能量网卡的设计及功能，是把互联网系统架构中的屏蔽个体差异性的“尽力而为”和“软件控制分组交换”的工作模式，创新性地引入大规模电池成组中，通过时空两维的细粒度复用，从系统级技术解决如何在电池组中屏蔽单体电池差异性的难题。

以目前已有的软件定义可重构电池管理系统能量网卡原型为例，其关键部分组成包括：超级电容阵列、电池网络、智能电池组管理专用处理器、电池操作系统和API等，如图3所示。由此种单体模块组成的大规模电池系统广泛应用于数据中心和通信基站中分布式直流不间断电源供电。以已部署在联通移动基站中的直流不间断电源为例，在基站有记录的6次停电，每次停电从0.5～20 min不等，该系统保障了基站的无中断运行。

图3 软件定义电池能量网卡Fig.3 Software-defined battery energy storage

4.2 大规模动态可重构电池系统

为了达到应用所需的电压或者功率要求，大规模储能电池在电力储能和移动储能中被广泛采用，例如：电动汽车储能、充电桩、IDC机房UPS储能、基站机房储能、家庭储能、分布式电站储能、主电网大电厂储能等，大规模电池储能其难度在于广泛存在的电池单体差异性而导致的系统性能降低。随着能源互联网的应用普及，大规模电池储能设备的技术需要改进，在大规模储能设备中，依据软件定义可重构电池系统设计理念，研发出适宜自适应方式动态可重构电池网络势在必行，本课题组研究了如何对1792个电池能量管控节点进行有效管控，如何通过移动互联网管控到每一节单体电池的状态，实现毫秒级电池拓扑重构，和微妙级单体电池通断(上线或下线)，并研究了如何通过电池系统非线性的线性近似，实现了能量与信息的真正融合。

4.3 软件定义可重构电池系统电池能量交换系统

在生活中，异型的电池在同一系统中应用的场景比较普遍，同时也是提高电池使用效率的重要方式，以退役电动汽车动力电池和铅酸电池接入同一电池管理系统为例，由于电池性质不同的原因，通过一般的电池管理系统较难做到管控与电池的分离。采用软件定义电池可重构电池系统设计的方法，开发电池能量交换机用于支持异构电池，在容纳了电池的差异性基础上，可将大量闲置碎片化的电池存量盘活，通过电池能量交换机实现大规模异构电池的远程监控。以铁塔公司运维的基站UPS储能为例，其自身具有1 GWh的铅酸电池存量，闲时这些铅酸电池并不会发挥功效，但作为备用电源必须保持保持铅酸电池的有效使用性。因此，可以通过开发支持“管电”分离的管控模式，以信息轻资产增量盘活电池的重资产存量，实现电池的远程化、互联网化管控，解决电池分布范围广泛，人工维护成本和难度较大的问题。同时，针对退役电动汽车动力电池梯次利用，并与家庭其他形式储能电池结合的情况，采用电池能量交换机以DIY方式的方式构建家庭储能系统，解决家庭储能产品成本过高的问题。

4.4 基于标准模块的换电模式电动汽车

电动汽车电池运营模式是电动汽车行业一直在探索的问题，基于标准模块的换电模式电动汽车在电动汽车电池运营中发挥着重要的作用。以统一管理、标准模块的微混和低速电动汽车出租市场为例，模块化换电的模式更加利于发挥电池使用的效用。在标准模块的换电模式中，电池网络系统架构与模块化设计、电池网络成组核心技术是换电模式的关键技术，在突破关键技术后，还需进行原型系统与实车测试。换电模式的电动汽车运营，可支持灵活的电动汽车按需配置电池和电动车能量C2C/C2B的运营模式，真正实现了“车电分离，电池自选，自主换电，能量运营”。

4.5 基于互联网管控的电池云平台

软件定义可重构电池系统能够采集大量的单体电池的状态，可以实时对电池的SOC和SOH进行监督和预测，并通过电池管理系统中的硬件接口模块将监控数据传至云服务器，如图4所示。当电池管理系统支持互联网接口接入协议时，用户或者管理者可以通过远程的方式实现对电池储能的控制，实现电池管控的互联网化管理。控制指令通过互联网通信传至硬件设备，可以执行预先设定的电池动态均衡算法动态调整电池连接的拓扑结构，也可以根据用户个人喜好，制定特定的电池连接方式。电池“能量云”平台的构建，对于整合不同类型、不同用途的储能设备起到辅助作用，方便实现分布式储能与电网的协调互动。

图4 电池能量云平台Fig.4 Battery energy cloud platform

5 结 语

电池储能系统在能源互联网系统中的应用越来越普遍，但是电池系统技术进展却缓慢，借鉴能源互联网思想，实现软件定义可重构电池系统的管控，将会改变电池自被发明300多年以来固定串并联的系统架构，实现了储能系统从模拟系统向数字系统的演进。同时，软件定义可重构电池系统的互联网化管控需突破多项传统电池管理技术中的瓶颈，例如：控制芯片设计、SOC精准估算、硬件电路设计等。软件定义动态可重构电池系统同时还依赖于电池软件与硬件的无缝结合，并深度剖析能量的信息属性，实现电池运行与控制的分离，即信息与能量的深度解耦合。软件定义可重构电池系统的架构采用互联网系统架构中的屏蔽个体差异性的“尽力而为”的工作模式，及“软件控制分组交换”的工作思想。本文介绍了基于软件定义可重构电池系统设计理念的应用场景，如：电池能量网卡、大规模电池储能系统、电池能量交换机、标准模式的换电电动汽车、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

(编辑 吴 琛)