摘 要 如何从根本上消除电池系统的“短板效应”是储能行业发展的核心技术问题。目前业界解决“短板效应”的主要手段是追求电池单体在生产和使用过程中的一致性，这必然导致边际成本越来越高，同时依然无法从根本上消除电池系统“短板效应”。因此，本团队率先提出了基于能量数字化的动态可重构电池(dynamic reconfigurable battery，DRB)储能技术，改变了电池发明以来固定串并联的应用范式，将电池之间的物理连接由传统固定串并联的刚性连接改变为程序控制的柔性连接，通过控制每个电池接入充放电回路里的时间实现了“尽力而为”的电池能量管控模式。接着，本团队提出了基于动态可重构电池储能技术的能量控制和系统级本质安全控制方法，将能量控制问题表示为一个优化问题，并分析了基于可控串并联技术的本质安全控制方法。大量实际运行数据表明，动态可重构电池储能技术可以极大提升电池储能系统的安全性和能量效率，为构建大规模长寿命低成本电池储能系统提供了全新的路径。 关键词 动态可重构电池网络；能量数字化；电池储能系统；安全性；效率高比例
可再生能源的接入给电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战，储能系统对维持电网电能质量、提高电力系统可靠性具有重要意义。电池储能系统(battery energy storage system，BESS)具有高能量密度、高电能效率等优点，且电动汽车的快速发展带动了电池相关技术的进
步，使得电池在电力储能领域中得到了广泛的应用。然而，随着电池储能安全事故的不断发生，储能系统的安全性成为制约电池储能发展的关键因素。此外，随着大量动力电池达到退役年限，如何实现退役动力电池的梯次利用也成为了电池产业急需解决的问题。储能系统安全性和经济性的问题归根到底是电池系统的“短板效应”，即电池网络的整体性能取决于网络中性能最差的电池单元。
因此，如何从根本上消除电池系统的“短板效应”是储能行业发展的核心问题。为了克服电池系统的“短板效应”，现有的技术体系主要从两个方面出发。一是追求电池单体的一致性，将电池单体间的差异通过工艺、技术、分选、成组等手段不断缩小，使之满足电池系统一致性的要求。然而，追求一致性的边际效应递减，尤其是对于退役动力电池梯次利用技术而言，随着电池一致性要求的提高，退役电池分选与重组的成本也随之增大。此外，即使电池单体在出厂时保持一致性，但是在运行过程中不同单体的工作环境存在差异，在充放电循环中这种差异性会不断累积放大，“短板效应”的问题依然难以避免。
另一种思路是设计电池网络的均衡方法，主要分为被动均衡和主动均衡两大类。现有的技术路线以主动均衡为主，通过电容、电感、变压器、电力电子变换器等设备构造额外的能量传
输通道，实现电池能量在不同单元之间的转移。然而，基于主动均衡的电池网络往往采用“只串不并”的方式形成电池簇，多个电池簇需要并联以提供足够的输出容量，而电池簇间的并联会产生环流的问题。此外，现有的主动均衡方法主要围绕电力电子变换器展开，而变换器的工作频率往往是千赫兹级，在电力电子高频开断的过程中会带来额外的开关损耗，降低电池系统的能量效率。正如“世界上没有两片相同的树叶”，不同电池单元间的差异性是难以避免的，即差异性是绝对的，一致性是相对的。因此，接纳和管理电池差异性，是电池储能系统发展的必然要求。最近，得益于电力半导体器件的快速发展，动态可重构电池网络(dynamic reconfigurable battery network，DRBN)能够将千瓦级的连续能量流离散化和数字化，从而将传统的模拟电池储能系统转变为新型数字储能系统，为提高储能系统的安全性和一致性提供了新路径。然而，现有的研究主要停留在理论分析和样机验证阶段，缺少大规模动态可重构电池储能系统的运行分析与数据验证，此外，实际工况下动态可重构储能系统的安全性、可靠性和管控效果尚不明晰。有鉴于此，本工作结合实际运行数据对大规模动态可重构电池储能系统的原理与应用进行分析。首先，本文从能量数字化的基本思想出发，阐述了动态可重构电池储能系统的原理和架构；然后，分别提出了基于动态可重构电池储能技术的能量控制和系统级本质安全控制方法；接着，对储能系统的实际运行数据进行分析，从荷电状态(st
ate of charge，SOC)均衡、电热一体化管控和安全运行等方面验证了动态可重构电池储能系统的性能；最后，围绕“大与小”“高与低”“新与旧”等问题对电池储能系统设计过程中存在的一系列迷思进行了深入探讨。
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