動態(tài)可重構(gòu)電池儲能技術(shù)：原理與應(yīng)用
作者：慈松1 , 張從佳1, 劉寶昌1,2, 周楊林1
單位：1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系；2. 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司
引用： 慈松, 張從佳, 劉寶昌, 等. 動態(tài)可重構(gòu)電池儲能技術(shù):原理與應(yīng)用[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2023, 12(11): 3445-3455.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0539
摘 要 如何從根本上消除電池系統(tǒng)的“短板效應(yīng)”是儲能行業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)問題。目前業(yè)界解決“短板效應(yīng)”的主要手段是追求電池單體在生產(chǎn)和使用過程中的一致性，這必然導(dǎo)致邊際成本越來越高，同時依然無法從根本上消除電池系統(tǒng)“短板效應(yīng)”。因此，本團(tuán)隊(duì)率先提出了基于能量數(shù)字化的動態(tài)可重構(gòu)電池(dynamic reconfigurable battery，DRB)儲能技術(shù)，改變了電池發(fā)明以來固定串并聯(lián)的應(yīng)用范式，將電池之間的物理連接由傳統(tǒng)固定串并聯(lián)的剛性連接改變?yōu)槌绦蚩刂频娜嵝赃B接，通過控制每個電池接入充放電回路里的時間實(shí)現(xiàn)了“盡力而為”的電池能量管控模式。接著，本團(tuán)隊(duì)提出了基于動態(tài)可重構(gòu)電池儲能技術(shù)的能量控制和系統(tǒng)級本質(zhì)安全控制方法，將能量控制問題表示為一個優(yōu)化問題，并分析了基于可控串并聯(lián)技術(shù)的本質(zhì)安全控制方法。大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，動態(tài)可重構(gòu)電池儲能技術(shù)可以極大提升電池儲能系統(tǒng)的安全性和能量效率，為構(gòu)建大規(guī)模長壽命低成本電池儲能系統(tǒng)提供了全新的路徑。
關(guān)鍵詞 動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)；能量數(shù)字化；電池儲能系統(tǒng)；安全性；效率
高比例可再生能源的接入給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)，儲能系統(tǒng)對維持電網(wǎng)電能質(zhì)量、提高電力系統(tǒng)可靠性具有重要意義。電池儲能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)具有高能量密度、高電能效率等優(yōu)點(diǎn)，且電動汽車的快速發(fā)展帶動了電池相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，使得電池在電力儲能領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，隨著電池儲能安全事故的不斷發(fā)生，儲能系統(tǒng)的安全性成為制約電池儲能發(fā)展的關(guān)鍵因素。此外，隨著大量動力電池達(dá)到退役年限，如何實(shí)現(xiàn)退役動力電池的梯次利用也成為了電池產(chǎn)業(yè)急需解決的問題。儲能系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性的問題歸根到底是電池系統(tǒng)的“短板效應(yīng)”，即電池網(wǎng)絡(luò)的整體性能取決于網(wǎng)絡(luò)中性能最差的電池單元。因此，如何從根本上消除電池系統(tǒng)的“短板效應(yīng)”是儲能行業(yè)發(fā)展的核心問題。
為了克服電池系統(tǒng)的“短板效應(yīng)”，現(xiàn)有的技術(shù)體系主要從兩個方面出發(fā)。一是追求電池單體的一致性，將電池單體間的差異通過工藝、技術(shù)、分選、成組等手段不斷縮小，使之滿足電池系統(tǒng)一致性的要求。然而，追求一致性的邊際效應(yīng)遞減，尤其是對于退役動力電池梯次利用技術(shù)而言，隨著電池一致性要求的提高，退役電池分選與重組的成本也隨之增大。此外，即使電池單體在出廠時保持一致性，但是在運(yùn)行過程中不同單體的工作環(huán)境存在差異，在充放電循環(huán)中這種差異性會不斷累積放大，“短板效應(yīng)”的問題依然難以避免。另一種思路是設(shè)計電池網(wǎng)絡(luò)的均衡方法，主要分為被動均衡和主動均衡兩大類?，F(xiàn)有的技術(shù)路線以主動均衡為主，通過電容、電感、變壓器、電力電子變換器等設(shè)備構(gòu)造額外的能量傳輸通道，實(shí)現(xiàn)電池能量在不同單元之間的轉(zhuǎn)移。然而，基于主動均衡的電池網(wǎng)絡(luò)往往采用“只串不并”的方式形成電池簇，多個電池簇需要并聯(lián)以提供足夠的輸出容量，而電池簇間的并聯(lián)會產(chǎn)生環(huán)流的問題。此外，現(xiàn)有的主動均衡方法主要圍繞電力電子變換器展開，而變換器的工作頻率往往是千赫茲級，在電力電子高頻開斷的過程中會帶來額外的開關(guān)損耗，降低電池系統(tǒng)的能量效率。
正如“世界上沒有兩片相同的樹葉”，不同電池單元間的差異性是難以避免的，即差異性是絕對的，一致性是相對的。因此，接納和管理電池差異性，是電池儲能系統(tǒng)發(fā)展的必然要求。最近，得益于電力半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展，動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)(dynamic reconfigurable battery network，DRBN)能夠?qū)⑶呒壍倪B續(xù)能量流離散化和數(shù)字化，從而將傳統(tǒng)的模擬電池儲能系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦蛿?shù)字儲能系統(tǒng)，為提高儲能系統(tǒng)的安全性和一致性提供了新路徑。然而，現(xiàn)有的研究主要停留在理論分析和樣機(jī)驗(yàn)證階段，缺少大規(guī)模動態(tài)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)的運(yùn)行分析與數(shù)據(jù)驗(yàn)證，此外，實(shí)際工況下動態(tài)可重構(gòu)儲能系統(tǒng)的安全性、可靠性和管控效果尚不明晰。
有鑒于此，本工作結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對大規(guī)模動態(tài)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)的原理與應(yīng)用進(jìn)行分析。首先，本文從能量數(shù)字化的基本思想出發(fā)，闡述了動態(tài)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)的原理和架構(gòu)；然后，分別提出了基于動態(tài)可重構(gòu)電池儲能技術(shù)的能量控制和系統(tǒng)級本質(zhì)安全控制方法；接著，對儲能系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)均衡、電熱一體化管控和安全運(yùn)行等方面驗(yàn)證了動態(tài)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)的性能；最后，圍繞“大與小”“高與低”“新與舊”等問題對電池儲能系統(tǒng)設(shè)計過程中存在的一系列迷思進(jìn)行了深入探討。
1 動態(tài)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)的架構(gòu)
1.1 能量數(shù)字化的基本思想
隨著低壓低功耗電力電子器件的快速發(fā)展，基于能量數(shù)字化構(gòu)建動態(tài)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)的構(gòu)想成為可能。傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)通常采用IGBT實(shí)現(xiàn)電池能量管控，具有高電壓、大電流、高功率的特點(diǎn)。DRBN的最小管控單元是模組級，具備低電壓、小電流的特征，因此與MOSFTE的典型應(yīng)用場景非常契合。表1給出了MOSFET和IGBT的性能比較，其中MOSFET的導(dǎo)通電阻較小、通態(tài)損耗小。此外，與IGBT相比，低壓低功耗MOSFET的價格更低，在構(gòu)建大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)時具有更強(qiáng)的價格優(yōu)勢。
表1 功率MOSFET與IGBT的性能比較
DRB儲能系統(tǒng)是一個分布式低壓系統(tǒng)，其中MOSFET在關(guān)斷狀態(tài)下所承受的最大電壓不會超過電池模組的工作電壓，典型值為幾伏到幾十伏，這極大提升了安裝和運(yùn)維過程中的操作安全性。此外，MOSFET的最大工作電流也不會超過電池模組的最大電流，典型值為幾十安到幾百安。另外，DRBN的重構(gòu)頻率為赫茲級，遠(yuǎn)低于目前電力電子變換器中百千赫茲級的開關(guān)頻率，故相較于傳統(tǒng)均衡電路中采用的電力電子變換器，DRBN能夠有效降低能量管控系統(tǒng)的損耗，提高電池儲能系統(tǒng)的能量效率。
DRBN的基本思想與傳統(tǒng)BMS的電池均衡思路有著本質(zhì)上的區(qū)別。電池的容量可以表示為電流和時間的乘積，傳統(tǒng)的電池均衡方案都是從電流的角度入手，通過調(diào)節(jié)流經(jīng)電池單元的電流實(shí)現(xiàn)容量的管控，DRBN從時間的維度入手實(shí)現(xiàn)了“盡力而為”的電池能量管控模式，即
其中，圖片t表示電池接入充放電回路里的時間。DRBN將來自不同電池單元的“能量切片”按照時間軸進(jìn)行調(diào)度排布，可用容量越大的電池單元在時間軸上排布的時隙數(shù)越多，即接入充放電回路里的時間越長。這種以時間為中心的電池能量管控方法所采用的頻率為赫茲級，從而避免了高頻電力電子器件帶來的開關(guān)損耗。
1.2 系統(tǒng)架構(gòu)
電池儲能系統(tǒng)通常需要將大量電池單元串并聯(lián)以滿足輸出電壓和電流的要求。然而，由于電池單元之間存在差異性，直接并聯(lián)會導(dǎo)致環(huán)流。因此，傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)不允許將電池單元直接并聯(lián)，而是將電池單元串聯(lián)構(gòu)成電池簇，再由許多電池簇通過大功率電力電子變流器(DC/DC或DC/AC)進(jìn)行簇級并聯(lián)，如圖1所示。每個電池簇的輸出端與一個DC/DC變換器連接，用來實(shí)現(xiàn)直流電壓的變換和電池簇的能量控制。此外，針對電池單元不一致性的問題，傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)需要配置主動或被動均衡電路。然而，這種固定串聯(lián)的電池簇結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)故障電池的精確隔離，當(dāng)簇內(nèi)的某個電池單元發(fā)生故障時，整個電池簇都必須停止運(yùn)行，因此電池儲能系統(tǒng)在設(shè)計時需要留出足夠的裕度以防止故障造成的電池簇乃至整個系統(tǒng)停機(jī)。
圖1 傳統(tǒng)電池網(wǎng)絡(luò)與動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)對比
與傳統(tǒng)固定串聯(lián)疊加電池管理系統(tǒng)的方案不同，DRBN以電池能量數(shù)字化為基礎(chǔ)，通過電池單元與低壓低功耗電力電子器件深度耦合的方式實(shí)現(xiàn)電池能量離散化，并通過數(shù)字能量交換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電池模塊級的數(shù)字能量管控，其架構(gòu)如圖1所示。DRB儲能系統(tǒng)與傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)的區(qū)別在于，DRBN通過開關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)電池能量的離散化和數(shù)字化，通過控制不同電池單元的充放電時間來實(shí)現(xiàn)電池能量均衡，因此DRBN不再需要傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)中的均衡電路。此外，數(shù)字能量交換系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電池單元之間的可控并聯(lián)，從而消除了電池單元直接并聯(lián)所帶來的環(huán)流問題。傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)中DC/DC環(huán)節(jié)的作用是控制不同電池簇的出力，實(shí)現(xiàn)充放電功率在不同簇間的均衡分布，而在DRBN中，電池單元間實(shí)現(xiàn)了可控并聯(lián)，不存在傳統(tǒng)意義上電池簇的概念，因此DRBN不需要DC/DC模塊，極大降低了系統(tǒng)造價，提升了系統(tǒng)效率。
2 動態(tài)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)的能量控制
2.1 數(shù)字能量交換系統(tǒng)
數(shù)字能量交換系統(tǒng)(digital energy switch system，DESS)是DRB儲能系統(tǒng)的控制模塊，用于實(shí)現(xiàn)電池網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測、一致性管控、安全保護(hù)等功能，其理論架構(gòu)如圖2所示。DESS具備測量、計算、控制、保護(hù)等功能，首先，電壓、電流和溫度傳感器測量得到的電池數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)紻ESS；接著，DESS根據(jù)已知的電池狀態(tài)信息對電池的性能進(jìn)行評估，如SOC、健康狀態(tài)(state of health，SOH)估算；然后，DESS根據(jù)負(fù)載需求制定充放電方案，使系統(tǒng)在滿足負(fù)荷的前提下，實(shí)現(xiàn)電池的一致性和電熱安全管控，并通過數(shù)據(jù)總線將控制信號下發(fā)至各個開關(guān)。此外，DESS能夠及時監(jiān)測電池網(wǎng)絡(luò)的異常狀態(tài)，若電池出現(xiàn)了電、熱、力濫用或其他異常情況，DESS能夠操控開關(guān)及時切除故障。
圖2 基于數(shù)字能量交換系統(tǒng)的DRBN的能量控制
2.2 運(yùn)行優(yōu)化方法
電池單體的非線性效應(yīng)會影響系統(tǒng)的能量控制。非線性效應(yīng)包括電流效應(yīng)和恢復(fù)效應(yīng)，電流效應(yīng)指電池單體的可用容量隨著電流倍率的增加而減少，恢復(fù)效應(yīng)指當(dāng)電流突降為零時電池單體的容量會少量恢復(fù)。在DRBN中，每個電池單體都工作在脈沖放電模式下，因此電流效應(yīng)和恢復(fù)效應(yīng)更為顯著。在運(yùn)行控制過程中考慮電池的非線性效應(yīng)，有助于提高系統(tǒng)的整體性能。
DESS通過控制每個MOSDET的開斷實(shí)現(xiàn)電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接方式的重構(gòu)，電池網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)狀態(tài)可以用開關(guān)矩陣圖片表示：
其中，圖片表示第i行第j列的開關(guān)狀態(tài)，等于1表示開關(guān)導(dǎo)通，等于0表示開關(guān)斷開。
數(shù)字能量交換系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)能量控制，提高系統(tǒng)的能量效率。假設(shè)總工作時長為T，將整個工作區(qū)間劃分為N個重構(gòu)周期，每個重構(gòu)周期的時間為圖片。在重構(gòu)周期開始時，數(shù)字能量交換系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前時刻電池狀態(tài)生成最優(yōu)控制策略，并通過開關(guān)陣列改變電池拓?fù)洹Ｓ捎谥貥?gòu)周期時間很短，負(fù)載在這個時間段內(nèi)可以認(rèn)為是恒定的。令圖片表示第i個重構(gòu)周期的開關(guān)狀態(tài)，圖片表示電池的能量損耗矩陣，圖片表示每個電池單元的能量損耗，圖片表示電池的能量恢復(fù)矩陣，圖片表示每個電池單元的能量恢復(fù)，那么第i個周期內(nèi)整個電池系統(tǒng)的能量耗散矩陣可以表示成一個哈達(dá)瑪積的形式：
其中，圖片和圖片的形式如下：
注意到以上的分析描述的是第i個重構(gòu)周期內(nèi)的凈能量損耗，在整個充放電周期內(nèi)的總能量損耗可以表示為
因此，動態(tài)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)的能量控制可以表示成一個優(yōu)化問題。兩個約束條件的物理意義分別為電池單體不過流、電池系統(tǒng)輸出電壓保持在合理范圍內(nèi)。
3 系統(tǒng)級本質(zhì)安全控制
系統(tǒng)級本質(zhì)安全強(qiáng)調(diào)從根源上消除部分危險、降低事故發(fā)生的概率，而不是發(fā)生事故后盡可能減低故障帶來的損失。DRB儲能系統(tǒng)從三個層面保證了儲能系統(tǒng)的本質(zhì)安全：可控并聯(lián)降低熱損耗、動態(tài)重組防止熱堆積、故障電池的快速切除。
DRBN由于具備電池模組間的均衡能力，故可以實(shí)現(xiàn)電池單元的可控并聯(lián)，這是實(shí)現(xiàn)工作電流級均衡和消除環(huán)流的重要手段。理論分析表明，對于n并的系統(tǒng)，DRBN的發(fā)熱功率是傳統(tǒng)電池網(wǎng)絡(luò)的圖片，這表明DRBN的柔性連接方式能夠有效降低電池單元的產(chǎn)熱功率，抑制溫度的升高，從而降低故障發(fā)生的概率。此外，可控并聯(lián)技術(shù)可以從根本上杜絕電池單體發(fā)生熱堆積和熱失控的風(fēng)險。如圖3所示，傳統(tǒng)固定串聯(lián)電池儲能系統(tǒng)中的電池單體差異性會導(dǎo)致溫度的不一致。而DRBN會根據(jù)負(fù)載情況自適應(yīng)地采用N選k的控制策略，即從N個并聯(lián)的電池單元中選擇k個接入系統(tǒng)。未被選中的電池單元沒有電流經(jīng)過，不會產(chǎn)生新的熱量，因此在閑置的時間內(nèi)電池單元能夠散熱，從而避免熱堆積。除了電池單元級的可控并聯(lián)外，DRBN還可以實(shí)現(xiàn)電池單元的可控串聯(lián)，即在串聯(lián)方向上選中任意數(shù)量的電池單元接入系統(tǒng)。可控串聯(lián)可以在串聯(lián)的維度上消除電池差異性，有助于實(shí)現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)的智能運(yùn)維。
圖3 動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)防止熱堆積的原理
除了通過可控串并聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱管控外，數(shù)字能量交換系統(tǒng)還能夠快速切除故障電池模組，故障電池被切除后，與電池網(wǎng)絡(luò)的其他部分相互隔離，故障模組上不會流過工作電流，從而避免由于工作電流的產(chǎn)熱導(dǎo)致故障的進(jìn)一步惡化。此外，鋰電池從微短路發(fā)展到熱失控實(shí)際上是一個比較漫長的過程，磷酸鐵鋰電芯的自發(fā)熱起點(diǎn)溫度一般在100～130 ℃，儲能電池正常使用溫度在50 ℃以下，那么在50～100 ℃的溫度變化過程是對電芯進(jìn)行溫控處理的關(guān)鍵窗口，這個窗口時間是小時級。動態(tài)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)能夠在早期對電池進(jìn)行提前預(yù)警和快速隔離，實(shí)現(xiàn)毫秒級故障檢測、微秒級快速切除，在電池達(dá)到熱失控臨界溫度前就將其從網(wǎng)絡(luò)中斷開，從而可以有效防止熱失控的發(fā)生。在電池故障發(fā)生后，傳感器會繼續(xù)采集故障電池模組的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，并反饋到數(shù)字能量交換系統(tǒng)。系統(tǒng)會對故障模組的狀態(tài)進(jìn)行判斷，包括是否誤判、是否出現(xiàn)新的異常情況等。最后，故障電池模組通過智能運(yùn)維平臺實(shí)現(xiàn)定期更換。
4 實(shí)例分析
本節(jié)將根據(jù)基于DRB電池儲能技術(shù)建設(shè)的10 MW/34 MWh數(shù)字無損梯次利用儲能示范工程的測試和運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)一步對動態(tài)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證，該儲能電站位于內(nèi)蒙古達(dá)茂旗，其現(xiàn)場如圖4所示。
4.1 場站簡介
該10 MW/34 MWh儲能電站由20個數(shù)字儲能集裝箱構(gòu)成，每個數(shù)字儲能集裝箱包含4個數(shù)字儲能子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)由電池單元、數(shù)字能量交換系統(tǒng)和分布式PCS系統(tǒng)組成，直流側(cè)電氣規(guī)格為716 V/480 Ah。具體來說，每個子系統(tǒng)由42個51.2 V/200 Ah的退役動力電池模組按照3并14串的拓?fù)溥B接而成。每個電池模組為磷酸鐵鋰電池，包含16個串聯(lián)的200 Ah電池單體，電池單體的規(guī)格為3.2 V/206 Ah，充電截止電壓3.65 V，放電截止電壓2.0 V。儲能電站各個組成部分的具體參數(shù)如表2所示。
表2 儲能電站的參數(shù)指標(biāo)
數(shù)字能量交換系統(tǒng)中包含電池能量交換機(jī)、電池能量集線器、電池能量適配器、電池能量網(wǎng)卡等4個核心設(shè)備，用于系統(tǒng)的狀態(tài)檢測和運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)電池模組級充放電均衡以及疑似故障電池模組的在線診斷和自動隔離，如圖5所示。
圖5 動態(tài)可重構(gòu)電池儲能集裝箱內(nèi)部場景圖
4.2 SOC均衡效果驗(yàn)證
在本例中，儲能系統(tǒng)工作在滿充滿放的工況下，本節(jié)取3并14串動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的一個充放電循環(huán)進(jìn)行分析。充電過程先采用160 A恒流充電，當(dāng)電池電壓達(dá)到充電截止電壓后轉(zhuǎn)為恒壓充電，當(dāng)充電電流減小到6.18 A(0.01 C)時認(rèn)為充電終止。放電過程采用180 A恒流放電，當(dāng)存在一個電池單體達(dá)到放電截止電壓時認(rèn)為放電終止。系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度為12 ℃，采用的冷卻方式為風(fēng)冷。
圖6給出了場站中的某個DRBN在充放電過程中模組SOC的變化情況。在充電開始時，42個電池模組的SOC具有較大的差異性，SOC的最大值為20%，最小值為6%。當(dāng)充電過程結(jié)束后，SOC最大值變?yōu)?9%，最小值為93%，模組SOC的方差從開始的15.1185降至2.7738，極差從14%降至6%。對于放電過程，起始時刻SOC的最大和最小值分別為98%和59%，放電結(jié)束后最大和最小SOC分別為8%和3%，SOC方差從96.3362降至2.0862，極差從39%降至5%。這些數(shù)據(jù)表明，無論是充電過程還是放電過程，經(jīng)過DRBN的一致性管控后電池模組的SOC差異性均減小，這驗(yàn)證了DRB儲能系統(tǒng)的均衡能力。
圖6 某個DRBN中42個電池模組SOC的變化情況
4.3 電熱一體化管控性能驗(yàn)證
DRBN能夠在線實(shí)現(xiàn)電熱一體化管控，即在保證溫度穩(wěn)定的情況下實(shí)現(xiàn)電壓的均衡。圖7(a)給出了某個DRBN在充電過程中模組電壓的變化情況。在充電開始時，模組電壓最大值為51.5 V，最小值為48.3 V，當(dāng)充電過程結(jié)束后，電壓最大值為54.0 V，最小值為53.3 V，模組電壓方差從501降低至22.6，極差從3.2 V降低至0.7 V，這表明充電過程中的模組差異性在減小。此外，圖7(b)給出了溫度曲線，溫度傳感器的精度為1 ℃。隨著充電過程的進(jìn)行，模組溫度的方差從初始值0.4263下降到0.3362，最大溫差保持穩(wěn)定。盡管在充電過程中電池網(wǎng)絡(luò)的整體溫度呈上升趨勢，但從溫度曲線的變化中不難看出，DRBN始終保持著良好的熱均衡狀態(tài)。
圖7 充電過程42個電池模組電壓和溫度的變化情況
圖8給出了放電過程中的電壓和溫度曲線。初始時刻最大和最小模組電壓分別為52.9 V、51.3 V，由于終止時刻電池的電壓特性變化較大，故取SOC為20%左右時的電壓數(shù)據(jù)作為對比。此時最大和最小電壓分別為50.7 V、49.5 V，電壓方差從209降低至148，極差從1.6 V降低至1.2 V。此外，42個模組的溫度曲線呈現(xiàn)平穩(wěn)上升的趨勢，初始時刻和放電結(jié)束時溫度的方差分別為1.0113和1.0612，這表明盡管放電過程電池產(chǎn)熱導(dǎo)致系統(tǒng)整體溫度上升，但是模組間的溫度差異性始終維持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，不會出現(xiàn)電池模組的熱濫用。因此，通過對儲能場站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，動態(tài)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)電熱一體化管控的能力得到了驗(yàn)證。
圖8 放電過程42個電池模組電壓和溫度的變化情況
4.4 故障工況下的安全性驗(yàn)證
在4.2節(jié)所述的工作模式下，數(shù)字儲能系統(tǒng)采集到一次電池模組發(fā)生故障時的數(shù)據(jù)。圖9是動態(tài)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)隔離故障模組的全過程。電池儲能系統(tǒng)原本工作在恒功率放電模式，在492 s時，某個電池模組發(fā)生故障，表現(xiàn)為模組的開路電壓(open circuit voltage，OCV)從52 V跌落至20 V左右，明顯低于安全電壓范圍的下限值。此時開關(guān)陣列立刻動作，將故障模組切除。此時系統(tǒng)仍處于正常運(yùn)行狀態(tài)，故障模組的出力由系統(tǒng)中其他健康模組承擔(dān)。然而，當(dāng)該故障模組被切除后模組電壓發(fā)生了自恢復(fù)。因此，在切除后經(jīng)過48 s的時間，DESS對該電池模組作嘗試性接入。此時模組電壓再次發(fā)生跌落，并在較低的電壓區(qū)間內(nèi)不斷振蕩，這表明該模組發(fā)生了不可逆的損傷，需要進(jìn)行運(yùn)維更換。系統(tǒng)停止運(yùn)行后，用萬用表測量故障模組的端口電壓為9 V，證實(shí)了模組的故障情況。
圖9 動態(tài)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障模組的快速隔離
4.5 系統(tǒng)壽命與經(jīng)濟(jì)性分析
動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)能夠克服電池網(wǎng)絡(luò)的“短板效應(yīng)”，實(shí)現(xiàn)電池模組間的均衡，因此其可靠性和系統(tǒng)壽命相較于傳統(tǒng)電池系統(tǒng)有明顯的提升。儲能系統(tǒng)壽命的評價依據(jù)為整個系統(tǒng)當(dāng)前時刻的健康狀態(tài)(系統(tǒng)SOH)，系統(tǒng)可靠性評價依據(jù)為系統(tǒng)當(dāng)前時刻任意電池模組的SOH不低于某一閾值的概率。文獻(xiàn)[21]給出了不同策略控制下的儲能壽命衰退及可靠性變化情況，固定拓?fù)涞膬δ芟到y(tǒng)運(yùn)行壽命僅為1929天，可靠性閾值為50%SOH時，可靠性為87.95%；相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)可重構(gòu)拓?fù)湎聝δ芟到y(tǒng)的運(yùn)行壽命延長至3614天，可靠性閾值為30% SOH時，可靠性為95.82%?？梢钥闯觯瑒討B(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)可以有效延長儲能系統(tǒng)的使用壽命和可靠性。
對動態(tài)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的分析可以從建設(shè)成本和全生命周期成本兩個方面展開。針對建設(shè)成本，動態(tài)可重構(gòu)電池的儲能系統(tǒng)造價與傳統(tǒng)方案的電池儲能系統(tǒng)造價基本持平。第一，在電池本體層面，動態(tài)可重構(gòu)的儲能方案能夠兼容不同種類、不同特性的電池模組，具備管控退役電池梯次利用的能力，對電池出廠時的一致性沒有嚴(yán)格要求，因此降低了電池選購的成本；第二，在電池管理系統(tǒng)層面，對于具有相似管控能力的電池儲能系統(tǒng)，動態(tài)可重構(gòu)的儲能方案主要通過電池能量交換系統(tǒng)等二次設(shè)備實(shí)現(xiàn)電池均衡和能量管控，不需要配備傳統(tǒng)儲能方案的電池均衡電路和電力電子變換器模塊。
針對全生命周期成本，動態(tài)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)方案具有更明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。第一，在系統(tǒng)效率層面，動態(tài)可重構(gòu)的方案能夠克服“短板效應(yīng)”，使電池的容量和電量得到更充分的利用，從而提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率；第二，在電池壽命層面，動態(tài)可重構(gòu)的方案能夠?qū)崿F(xiàn)模組級均衡，避免出現(xiàn)過充、過放、過溫等削弱電池壽命的工況，從而提高電池系統(tǒng)的循環(huán)次數(shù)和使用壽命，降低儲能系統(tǒng)的平均度電成本；第三，在系統(tǒng)運(yùn)維層面，動態(tài)可重構(gòu)的方案能夠識別出電池網(wǎng)絡(luò)中的故障模組和性能較差的模組，且由于系統(tǒng)具備自動隔離故障的功能，因此不需要實(shí)時運(yùn)維，降低了運(yùn)行維護(hù)的成本；第四，在系統(tǒng)安全層面，動態(tài)可重構(gòu)的方案可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級本質(zhì)安全，不僅降低了故障發(fā)生的概率，還能夠精準(zhǔn)切除故障電池模組，這降低了潛在的事故成本。
5 進(jìn)一步討論
當(dāng)前在電池儲能系統(tǒng)設(shè)計的過程中，存在著一系列迷思，值得我們深入探討。
首先是“大與小”的問題，即電池儲能系統(tǒng)采用的電芯容量多大是合適的。大容量的電芯優(yōu)勢主要集中在電池能量管控節(jié)點(diǎn)相對較少，系統(tǒng)集成難度低，同時電池組零部件使用量少，降低儲能系統(tǒng)集成難度和單位造價成本。然而，目前市面上的大容量電芯內(nèi)部是由多個70 Ah或140 Ah的卷繞單元采用內(nèi)部直接并聯(lián)的模式共用一個電池外殼組裝而成，并不能從根本上克服環(huán)流等安全性問題，在某種程度上反而會加大安全隱患。此外，由于電芯體積和容量增大，導(dǎo)致電芯自身散熱性能差，系統(tǒng)集成中的電熱安全管控難度增大。目前大容量電芯主要應(yīng)用于電力儲能領(lǐng)域，大容量電芯成本的降低盡管可以直接帶來首次投資成本的降低，但是并不能推導(dǎo)出電池儲能系統(tǒng)全生命周期度電成本降低的結(jié)論。相較于追求電芯的大容量，基于動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的電池儲能系統(tǒng)架構(gòu)能夠兼容多種容量規(guī)格的電芯，在提升儲能系統(tǒng)全生命周期的容量利用率和系統(tǒng)循環(huán)壽命方面具有優(yōu)勢。
其次是“高與低”的問題，即電池儲能系統(tǒng)究竟需要選用多大的直流側(cè)電壓等級?；谀壳啊爸淮徊ⅰ钡某山M方式，提高電池簇級功率密度只能通過采用大容量電芯和高等級簇級電壓的方法。目前典型的高壓系統(tǒng)是單串1500 V或級聯(lián)式/高壓直掛式等更高電壓等級的電池儲能系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于簡化場站設(shè)計，降低并網(wǎng)成本。然而，將3 V左右的低壓電池單體應(yīng)用于高電位的工作環(huán)境下，高電磁場會對電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生影響，使得電池的老化機(jī)制和安全邊界嚴(yán)重偏離電池型式試驗(yàn)的結(jié)果，對電池儲能系統(tǒng)的安全性和可靠性形成巨大挑戰(zhàn)。在電力系統(tǒng)中，電池儲能系統(tǒng)的設(shè)計不僅要考慮系統(tǒng)的電壓輸出，還要考慮電池的電化學(xué)反應(yīng)特性，從電池系統(tǒng)的本質(zhì)安全出發(fā)才能給出電池儲能系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計。相較于追求采用大容量電芯和提高簇級電壓等級以提升電池簇功率密度的做法，基于動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的電池儲能系統(tǒng)架構(gòu)通過可控并聯(lián)，在1000 V電壓等級實(shí)現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)的高功率密度，極大提升了系統(tǒng)的本質(zhì)安全和安全電壓下的操作運(yùn)維。
第三是“新與舊”的問題，即如何準(zhǔn)確評價一個電池單元的狀態(tài)。電池作為一個電化學(xué)反應(yīng)裝置，受充放電倍率、環(huán)境溫度、循環(huán)次數(shù)等多種工況因素的影響，其存放和使用過程中的非線性、不確定性和老化是必然的，這與電池的出廠一致性是完全不同的兩個概念。此外，目前電池壽命通常指出廠時采用加速老化測試得出來的循環(huán)壽命，而電池儲能系統(tǒng)作為一種新型能源基礎(chǔ)設(shè)施，其運(yùn)行時間要達(dá)到20年，且在此期間會面臨多種動態(tài)工況環(huán)境，因此采用出廠一致性和循環(huán)壽命來測算電池儲能系統(tǒng)在20年中的使用效果、系統(tǒng)安全邊界、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等指標(biāo)是不合理的，也是不可能的。此外，隨著越來越多的動力電池從電動汽車上退役下來，未來海量退役動力電池的綠色高效利用也是一個關(guān)系到電動汽車產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈閉環(huán)的重大課題?；趧討B(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的電池儲能系統(tǒng)架構(gòu)通過對電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行時空細(xì)粒度感知和控制，類比于計算機(jī)硬盤的使用過程就是檢測過程也是計量過程，可以實(shí)現(xiàn)電池單元的“用檢一體”的在線精準(zhǔn)狀態(tài)估算和運(yùn)行潛力評估及容量計量。此外，基于動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的電池儲能系統(tǒng)可以有效地屏蔽電池本體在物理和化學(xué)上的差異性，實(shí)現(xiàn)了退役動力電池“車上-車下”的無縫銜接，極大提升了退役動力電池儲能系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，有力支撐了面向全生命周期的電池資產(chǎn)綠色高效利用的新模式。
6 結(jié)論
本文針對傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)的“短板效應(yīng)”，提出了動態(tài)可重構(gòu)電池儲能技術(shù)，以提高電池儲能系統(tǒng)的安全性和能量效率。主要貢獻(xiàn)包括以下幾個方面：①分析了動態(tài)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)的原理和架構(gòu)，DRBN將電池網(wǎng)絡(luò)的連接方式由傳統(tǒng)固定串并聯(lián)的剛性連接改變?yōu)槌绦蚩刂频娜嵝赃B接，創(chuàng)造性地開辟了從時間維度實(shí)現(xiàn)電池網(wǎng)絡(luò)能量管控的路徑；②提出了基于動態(tài)可重構(gòu)電池儲能技術(shù)的能量控制和系統(tǒng)級本質(zhì)安全控制方法，能量控制以系統(tǒng)能量效率為目標(biāo)設(shè)計優(yōu)化算法，系統(tǒng)級本質(zhì)安全控制從可控串并聯(lián)的角度提高安全性；③大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了動態(tài)可重構(gòu)電池儲能技術(shù)具備SOC均衡和電熱一體化管控能力，充放電過程中的最大SOC差值控制在5%以內(nèi)，模組最大溫差控制在5 ℃以內(nèi)；此外，故障前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，動態(tài)可重構(gòu)電池儲能技術(shù)能夠及時切斷故障電池單元，保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。
