数字储能：推动电池储能系统开启变革之旅
电池储能系统的效率、可靠性和安全性等主要性能指标对储能系统的安全运行和成功商业化部署至关重要。数字储能通过对电池模拟能量流进行离散化和数字化处理，将电池单体之间的物理硬连接方式转变为由程序控制的柔性连接方式，从而将模拟电池储能系统转变为数字电池储能系统，从根本上解决了由电池系统短板效应引发的、表现在安全性和经济性等方面的行业痛点问题，进而实现与信息互联网业态的无缝融合。作为能源互联网的颠覆性技术，数字储能对储能行业未来发展具有变革性意义。
近年来，储能行业呈现快速发展态势。有预测显示，全球2025年用户侧/电网侧/发电侧锂电储能合计新增装机有望达到178.4吉瓦时（GWh），5年复合年均增长率（CAGR）约为83%，2021—2025年市场空间累计可达6000亿元。2021年德邦证券所测算显示，我国2025年用户侧/电网侧/发电侧锂电储能合计新增装机有望达到64.1GWh，5年CAGR约为87%，2021—2025年市场空间累计可达2326亿元。到2030年，我国有望实现新型储能全面市场化发展，储能行业将迎来重大发展机遇期。
云储新能源科技有限公司成立于2012年，创始人慈松博士长期研究复杂系统建模和优化理论及其在信息互联网与能源互联网中的应用。公司拥有国际领先的自主知识产权数字储能核心技术，构建了数字储能领域从底层技术理论到产业快速落地的高壁垒。
数字储能的研究背景与核心问题
储能可以实现发电曲线与负荷曲线间的快速动态匹配，具有平抑波动、匹配供需、削峰填谷、提高供电质量的功能，是构建能源互联网的核心装置。随着储能的快速发展，其在安全性和经济性等方面的问题也备受关注。
在安全性上，面对激增的市场需求和复杂的应用场景，全球储能安全事故频发，其中不乏某些知名储能供货商参与的项目；储能系统集成规模的增大，电池产品和电气设备数量的倍增，使得质量问题的潜在危险性随之增长；电池串并联数量和层级增多，导致电气及电力电子的组合更加复杂，储能安全的保障难度进一步加大，而依靠简单的器件堆砌和消防工具已无法实现安全性的实质提升。
在经济性上，传统的电池生产和固定串并联结构的利用方式过度追求电池的一致性，对电池进行刚性耦合，导致电池系统短板效应显著，容量和寿命受到严重影响，电池系统的循环寿命只有单体的1/3，造成电池价值的巨大浪费。因此，储能行业亟需在安全性和经济性上获得新突破。
值得说明的是，储能电池天然具有的不一致性是造成电池系统短板效应的直接原因。电池的不一致性是指，由于受到电池（电芯/电池模组/电池包）在生产和使用过程中所处物理环境（如温度与气压）不同以及化学属性非线性变化的影响，电池与电池之间在容量、内阻与温度等参数上存在差异。在串联中，各电池模组的荷电状态（SOC，可反映剩余电量）不同，只要有一个电池模组电量充满或放尽，该电池包（pack）中的全部电池模组都将停止充放电；而在并联中，各电池模组的电压被强制平衡，当内阻较小的电池模组电量充满或放尽后，其他电池模组也将停止充放电。
因此，短板效应会导致固定串并联系统存在“充不满”或“放不尽”的电池模组，严重降低系统有效容量，进而引发系统在安全性、经济性等方面的问题。
从技术发展层面看，现有的储能系统在本质上是模拟系统，其核心特征是模拟连续的能量流，且储能系统中的模拟能量流和数字信息流是在不同时空尺度上相互独立存在和运行的。由于两者缺乏在相同时空尺度上的互动和管控，短板效应会在电池储能系统中出现并极大影响系统的性能，这使得用户体验到的系统循环寿命远低于单体电芯的循环寿命。
此外，单位电量转移的系统成本过高，致使无法形成不依赖于补贴的电池储能商业模式。如同其他行业中模拟系统向数字系统的演进路径，传统能源系统需要实现从模拟系统到数字系统的转变，即需要在物理上把模拟能量流进行离散化和数字化，将能量转化成类似于计算、带宽、存储等具有便于灵活管理与调控特点的资源，以实现未来个性化定制的能量运营服务。因此，向数字时代迈进已然是储能系统发展的大势所趋，而数字储能作为电池能量管控领域的颠覆性技术，将为当前储能行业面临的诸多发展难题提供重要且可行的解决方案。
能量信息化处理
能量信息化，即实现能量与信息的融合，是能源系统提高能效、实现多能协同互补利用的核心技术。能源信息化的可行性依赖于先进电力电子技术与信息通信技术的快速发展，其物理基础是基于片上系统的数字能量控制器和高频电力电子开关器件的数字电池能量交换系统。
在数字电池能量交换系统中，模拟能量流将被网络化连接的低压低功耗金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）电力电子开关离散化为时间序列上的“能量片”（energy slice），并可将电池资产的所有者、电池荷电状态、电池健康状态等信息数据附加在“能量片”上；之后，程序控制的电池网络控制器将对来自不同电芯的“能量片”进行重组和优化，去除电池能量产生和使用过程中的不确定性和非线性，从而彻底屏蔽电池在物理和化学上的差异性，克服短板效应，提升电池储能系统的性能。
能量信息化带来的另一个革命性变化是通过电池能量交换系统将传统模拟电池系统“格式化”为数字储能资产，从而将电池能量变为互联网可视可管的网络资源，使其可以无缝地融入互联网业态。数字储能正是通过能量信息化促进了储能系统与信息技术的深度融合，实现了储能系统的数字化和软件定义化，进而与云计算和大数据等互联网技术紧密融合，实现储能系统的互联网化管控，提高储能系统运维的自动化程度和储能资源的利用效率，充分发挥储能系统在能源互联网中的多元化作用。
此外，数字储能可以盘活闲散电池存量资产，突破地域分布的限制，有效整合各种形态和特性的备用电池储能资产，提升能源投资和资产利用率，实现共享经济模式下的储能系统建设和运营，进而推动“互联网+电池”的能量服务模式。
基于动态可重构电池网络的数字储能系统架构
数字储能通过将互联网屏蔽终端差异性的技术体系引入电池储能领域，采用创造性提出的自适应动态可重构电池网络的设计思想和系统架构，实现了对电池固定串并联应用范式的变革性创新（见图1）。基于动态可重构电池网络，数字储能系统能够完成对电池模拟能量流的细粒度数字化处理和网络化管控，将电池单体之间的连接方式从传统的硬性物理连接变为由程序控制的柔性连接，使单体之间的物理连接能够根据具体情况进行动态重构，真正实现了传统电池网络到数字电池网络的转变，达到屏蔽电池物理化学差异性的目的，从根本上克服了由电池固定串并联系统架构同电池单体/模组差异性难以匹配而引起的系统级短板效应。
在基于动态可重构电池网络的规模化电池储能系统中，电池模组内每个最小控制单元均通过若干个可控开关连接，电池模组之间采用电力电子开关连接形成电池簇。大规模数字电池储能系统可以通过功率调节系统满足高耐压等级和大功率传输的要求，同时采用含有直流隔离级的双有源桥，通过移相调节控制，灵活地实现功率均衡和电气隔离，以达到对荷电状态差异性较大的电池模组进行充放电均衡控制的目的。
经过多年的不懈努力，清华大学慈松老师团队（以下简称“团队”）研发完成了软件定义可重构电池网络系统（可重构电池网络的一种设计方案如图2所示），并在电力储能、退役动力电池梯次利用储能、数据中心/通信基站不间断电源（UPS）中完成示范应用。
数字能量交换系统：数字储能的核心装置
数字能量交换系统（DESS）将互联网屏蔽终端差异性的“尽力而为”理念和技术体系引入到大规模电池成组领域，在国际上率先实现了电池能量流与信息流的离散化同频处理，使电池能量的管控颗粒度从传统的电池簇级、小时级细化到了电池单体/模组级、毫秒级。通过数字信号处理与传输原理的革新，从根本上解决了电池系统短板效应，极大提升了储能系统的有效容量、循环寿命、可靠性和安全性。
DESS由4种核心设备组成，即数字能量交换机、数字能量适配器、数字能量网卡和数字能量集线器，并采用三级控制架构，即最底层的器件级管控、中间层的策略级管控和最高层的系统级管控。
具体而言，最底层通过数字能量网卡对每个电池模组进行精细化管控，每个电池模组均配有一个网卡，用来采集电池的电压电流数据，并控制开关的通断；中间层通过数字能量集线器对网卡进行管控，每个集线器负责管理若干个网卡，根据收集到的电压、温度等数据对电池模组的运行状态进行评估，根据充放电策略生成相应的开关信号，此外还具备故障诊断与隔离的功能；最高层通过数字能量交换机对整个DESS进行总调度，具有计算功能，负责统筹集线器收集到的数据，发送控制信号给集线器，此外还具备与上位机通信的功能。
由此，DESS通过分级管控，使数据流自下而上传递、信号流自上而下传递，实现了电池系统的参数测量、状态评估、控制管理与故障隔离等功能，进而实现对每个电池模组的全方位监测和管控。
数字储能系统固有的本质安全机制
本质安全强调的是从根源上消除部分危险、降低事故发生概率，而非在事故发生后尽可能减低故障带来的损失。动态可重构电池网络从两个层面保证了储能系统的本质安全，一是将故障发生概率降低至足够小甚至为零，二是在故障发生后采取及时动作来避免热失控。数字储能系统降低故障发生概率的两大手段分别是可控并联降低热损耗以及动态重组防止热堆积。
一方面，在相同的最大输出功率下，可重构电池网络相比于传统电池网络的优势在于能够将若干电池单体或模组并联使用。具体而言，传统电池网络为避免环流往往不会采用并联方案，而是用一个容量足够大的电池模组直接对负载供电。可重构电池网络具备电池模组间的均衡能力，且电池之间的柔性连接能够有效遏制环流带来的影响，因此能够实现电池的可控并联（见图3）。
经过计算，对于n并的系统，可重构电池网络中每个电芯的发热功率是传统电池网络的1/n3，这表明动态可重构的连接方式能够有效降低电芯的热功率，抑制温度的升高，从而降低故障发生概率。
另一方面，传统电池网络通常将大容量电池单体或模组串联给负载供电，由于各个电芯的参数存在差异，局部电芯的温度可能过高，会严重影响电池使用寿命，也增加了故障发生风险。可重构电池网络能够通过电芯间的动态重组防止热堆积（见图4）。当负载功率较小时，可重构电池网络会采用“N选k”的控制模式，即每个重构周期都会在N个并联电芯中选择k个接入系统，未被选中的电芯不会有电流经过，也就不会产生新的热量，有利于防止热堆积。在重构周期结束后，控制器会根据电芯的状态重新选择新的电池组合接入系统，若某个电芯接入系统的时间过长，系统会将其从系统中断开一段时间，以防止出现局部过热的情况。
此外，数字储能系统还能实现故障精准隔离（微秒级），克服传统电池网络“断不开”的难题，在精准快速隔离故障模组后仍能保证系统的正常运行，提升了电池系统的可用性、可靠性和能量利用率。具体而言，依托可重构电池网络开关的通断特性，在运行过程中可以断开开关测量相应模组的开路电压（OCV），OCV的暂态过程可以通过断开后增加的10毫秒延时来克服。OCV能够准确反映电池模组的状态，据此进行模组故障诊断和隔离，必要时也可通过增加相应验证手段来防止误动作。
数字储能与传统储能方案的经济性对比
在经济性方面，数字储能在系统造价、占地面积等方面与传统储能方案相当，而在全生命周期价值利用、电池采购成本、循环寿命、系统利用率和维护成本等方面具有显著优势。
全生命周期价值利用：传统储能方案对此缺乏考虑。数字储能可以屏蔽电池物理层面的差异性，使其对电池的老化程度、不一致性等具备较强的耐受性，既能够使用新电池，又可以梯次利用退役动力电池。
此外，数字储能支持“换电-储能-备电”的电池利用，也是目前唯一不需要进行单体层面拆解/分选/重组的梯次利用技术体系，在储能电池模组退役后可直接用于通信电源、数据中心不间断电源等场景。因此，数字储能真正实现了全生命周期价值利用。
电池采购成本：传统储能方案的电池串联数较大，电池短板效应显著，对电芯的一致性要求极高；供应商一般为头部高性能产品的生产厂家，供货成本高、周期长。数字储能可以接纳并管理电池的差异性，对电池模组状态（如SOC等）的差异性具有100%的容忍度，极大降低了电池的一致性要求，进而可以根据需要灵活选取供应商，有利于盘活中小企业的闲置产能，缩短供货周期，降低电池采购成本。
电池循环寿命：传统储能方案受电池短板效应的影响，系统循环寿命不到电芯循环寿命的一半，甚至只有1/3。数字储能从根本上解决了电池短板效应，是目前唯一一种系统循环寿命等于电芯循环寿命的技术体系。
数字储能可以延长电池循环寿命的原因在于：（1）数字储能比传统电池网络的放电时间更长，在相同时间内的放电深度也就更小，而放电深度的减小能够延长电池的循环寿命；（2）数字储能采用的可控并联结构，使每个电池模组的平均充放电倍率比传统电池网络更小，而更小的电流倍率会带来更长的循环寿命；（3）电池系统的循环寿命不会超过系统中循环寿命最短的模组，而数字储能通过电池均衡增加了一致性，相当于提高了模组寿命的下限，有利于延长系统循环寿命。
系统利用率和维护成本：传统储能方案若出现故障模组将影响整个电池簇的运行，系统必须停机；在维护时，需对电芯/模组进行挑选配组，且更换的电池均需进行均衡一致性处理，极大地增加了维护成本和时间；若对电压偏差较大的电池模组进行补电或放电，也需要将系统停机，致使维护周期长，电池利用率低下。
数字储能可以对故障模组进行单独隔离，并保证非故障的部分继续向负载供电，因此不必在故障发生时将整个电池簇停机，提高了电池的利用率以及系统对故障的耐受度，系统可用性非常高；动态可重构电池网络对电池模组差异性的屏蔽，使数字储能可以更换任一电池模组，维护时间短，维护成本极低；此外，还可通过充放电过程中的策略设置，在保障正常运行的前提下，对电压偏差较大的电池进行在线补电或放电，在提高电池一致性的同时，也降低了维护成本。
数字储能的典型行业应用
面向电源侧、电网侧的大规模数字储能系统
团队与华电内蒙古能源有限公司共同承担了内蒙古自治区2020年度“大规模储能”科技重大专项项目，完成了“梯次利用动力电池规模化工程应用关键技术”工程示范，实现了大规模退役动力电池数字无损梯次利用（见图5）。该项目是目前国际上单点规模最大（10兆瓦/34兆瓦时）的退役动力梯次利用电站，入选中国华电集团2021年十大科技重点项目。该示范工程采用近8000组比亚迪退役大巴动力电池模组，并对电池模组进行自动分选和重组，实现了电动汽车退役动力电池到储能电站的无缝对接，极大降低了梯次利用的建设成本和运维成本。
同时，团队与中国华电集团有限公司达成深度战略合作，将在内蒙古自治区共同搭建电池生产、储能集成、梯次利用及固废环保处置的“风光储制用”全产业链架构，助力内蒙古自治区实现经济转型升级和现代能源体系构建。
面向数据中心和边缘计算节点的数字电池备用电源系统
未来通信网络将设置大量高功率密度的数据中心和边缘计算节点，而且应用场景和部署方案的多样性还会对备用电源系统的容量有着不同的要求。因此，一款支持定制、免维护的备用电源系统对于通信网络的部署和运营至关重要。为此，团队设计并开发了数字电池备用电源系统，其由若干个机架式低压直流备用电源单元组成（见图6）。该单元被称为数字电池能量刀片（DBB），是一种基于可重构电池网络的数字设备，采用与标准刀片式服务器“刀片”相同的外形尺寸，以保证备用电源系统的紧凑化、可扩展性和高效性。与现有的模拟电源系统相比，DBB具备更短的电网到芯片的动力系统，采用机架中的分布式垂直电池部署替代了集中式不间断电源和电池系统，以达到节省空间、节省电力的目的。该系统可与现有的信息与通信技术（ICT）生态系统无缝集成，形成一种新型的ICT设备。当前，该系统已在数据中心和边缘计算节点进行了广泛的测试，比传统解决方案节省了至少10%的电力和20%的可用空间。
面向移动通信基站的云储能系统
5G时代的移动基站数量将达到数亿之多，是4G时代的3～5倍，而且所有移动基站都将配备备用电源系统，以确保其运行可靠。这不仅使人工维护备用电源系统的传统方式（例如每月人工进行充电/放电测试）难以为继，也使“一旦出现故障电池就更换整个电池组”的传统解决方案不再适用。为此，团队开发了专门用于5G移动基站的分布式数字电池能量交换系统（见图7），并以此构建了“电池能量云平台”。
该平台可实现对电池的在线实时运维，包括电池状态感知和分析、电池运行和维护、故障电池检测和隔离，并可实现对电池系统的单体级、毫秒级监控。当前，团队已在由中国铁塔股份有限公司管理的广州100个移动基站上分别部署了1套数字电池系统，并形成数字云电池系统，共同管理2.88兆瓦时的电池容量。此外，数字电池云储能系统可与当地公用事业公司交互，为电网提供辅助服务，在给电信运营商带来新收入来源的同时，还可承担电池的运维工作。
基于动态可重构电池网络，数字储能颠覆了传统电池应用范式，从根本上接纳并管理了电池的差异性，实现了电池系统的本质安全性和电池资产的全生命周期高效利用，是支撑能源互联网的核心技术，对打通“电池—新能源汽车—新能源电力消纳—5G建设—固废环保”全产业链具有重大意义，并将为我国“双碳”目标的实现提供重要助力。
致谢：感谢“信息能源”教育部-中国移动科研基金建设项目（项目编号：CMHQ-JS-201900004）、内蒙古自治区“大规模储能”重大科技专项项目“梯次利用动力电池规模化工程应用关键技术”（项目编号：2020ZD0018）等的支持；感谢山东云储新能源科技有限公司、中国华电集团有限公司、中国移动通信集团有限公司、中国南方电网有限责任公司等合作单位的大力支持。
本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2022年7月刊。
专家简介慈松：清华大学电机工程与应用电子技术系研究员，“信息能源”教育部-中国移动联合实验室（筹）主任，云储新能源首席科学家。
