在能源互聯網時代，電池儲能系統將被廣泛用于各種工業、商業和居民場景，如可再生能源、電動汽車和不間斷電源等。因此，電池儲能系統的效率、可靠性和安全性等主要性能指標對儲能系統成功商業化部署至關重要。然而，電池單體差異性與固定串并聯的電池成組方式之間的不匹配關系所形成的大規模電池成組中的萊比錫最小因子效應，即木桶短板效應，極大損害了電池儲能系統，尤其是大規模電池儲能系統的循環壽命、安全性、可靠性和有效容量。近年來，歸功于材料科學的發展，高頻電力電子開關器件日益普及，成本也日益降低。通過研發基于高頻開關器件的電池能量交換背板，對電池模擬能量流進行高速離散化和數字化處理，從而將電池單體之間的硬連接方式轉變為程序控制的柔性連接方式，進而將模擬電池儲能系統轉變為數字電池儲能系統，實現與信息互聯網業態無縫融合，支撐互聯網+電池的共享經濟模式的P2P能量運營。本文將系統闡述新型數字儲能系統的設計框架和相關行業應用。

0 引言

能源互聯網是一種將互聯網與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產業發展新形態。能源互聯網通過信息物理深度融合技術重新定義傳統相對獨立的不同類型能源系統邊界，構成以電力系統為核心的新型綜合能源供給利用體系，進而有效解決大量雙向電源接入，負荷的多樣性、隨機性、突發性，能源資產閑置和能源投資利用率不高，電能替代過程中的電能質量、分布式可再生能源波動性等核心行業問題，徹底改變我國能源生產和消費模式，實現能源清潔高效、安全便捷和可持續利用，從根本上保障國家能源安全[1-2]。

儲能可以實現發電曲線與負荷曲線間的快速動態匹配，因此具有平抑波動、匹配供需、削峰填谷、提高供電質量的功能，是構建能源互聯網的核心裝置。2016年國家發改委、能源局、工信部聯合發布了《關于推進“互聯網+”智慧能源(能源互聯網)發展的指導意見》(發改能源〔2016〕392號，簡稱“指導意見”)中多處提及推動儲能產業發展，并對儲能產業進行了新的定義，提出了集中式和分布式儲能應用，賦予了能源更豐富的應用方式。此外，電力儲能可以通過電能的線上線下互動交易構建電能的批發和現貨市場，夯實“互聯網+售電”的能源互聯網裝備基礎，從而有力支撐了《中共中央國務院關于進一步深化電力體制改革的若干意見》(中發〔2015〕9號)和發改委《關于推進售電側改革的實施意見》的貫徹執行。

然而需要看到的是，盡管近年來儲能介質技術發展突飛猛進，行業應用和裝機規模呈現出幾何級數的增長，儲能領域依然存在著政策標準缺失、單位系統成本高、信息化水平低、用戶體驗差、缺乏可復制的商業模式等一系列問題，嚴重阻礙了儲能作為一個新興產業的快速發展。2017年10月國家能源局《關于促進儲能產業與技術發展的指導意見》正式發布，指導意見為解決這些問題提供了一系列很好的思路和方法，其中最為重要的一點就是提高儲能系統的信息化管控水平，構建儲能共建共享的新業態，支撐能源互聯網的發展。

從技術發展升級換代層面看，現有儲能系統本質上是模擬系統，其核心特征為模擬連續的能量流，并且儲能系統中模擬能量流和數字信息流是在不同時空尺度上相互獨立存在和運行的，缺乏能量流與信息流相同尺度上的深度融合。以目前發展速度最為迅猛的電池儲能系統為例，電池儲能系統中的連續能量流通過固定串并聯能量回路，而電池管理系統則是疊加在固定串并聯能量回路上的數字系統，形成能量和信息處理不匹配的“疊加性”問題。由于缺乏能量流和信息流在相同時空尺度上的互動和管控，電池儲能系統會出現“短板效應”，進而極大影響了電池儲能系統的性能，突出問題表現為用戶體驗到的系統循環壽命遠低于單體電芯的循環壽命，單位電量轉移的系統成本過高，無法形成不依賴于補貼的電池儲能商業模式。因此，如同其他行業中模擬系統向數字系統的演進路徑一樣，儲能系統向數字時代邁進的趨勢是不可避免的。通過能量信息化技術促進儲能系統技術與信息技術的深度融合，實現儲能系統的數字化和軟件定義化，進而與云計算和大數據等互聯網技術緊密融合，實現儲能系統的互聯網化管控，提高儲能系統運維的自動化程度和儲能資源的利用效率，充分發揮儲能系統在能源互聯網中的多元化作用。

此外，儲能系統的數字化和軟件定義化還可以盤活利用碎片化閑置儲能資源，構建基于能源互聯網的共建共享儲能商業新模式。例如，目前用戶側存在數億kWh的分散閑置電池儲能資源，如電動汽車動力電池、通信基站電池、各種不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)電池、梯次利用電池等。通過采用電池能量交換系統和電池能量管控云平臺等能源互聯網的核心裝備，可以將海量的碎片化閑置電池儲能資源盤活為電網可以調度利用的大規模分布式儲能系統，實現基于“虛擬電廠”的配電網儲能系統。通過基于共享經濟模式的閑散電池資產的細粒度復用和共用，極大降低了電池儲能系統的單位成本和運維成本，催生出“互聯網+電池”的儲能系統的后付費共享商業模式，有力支撐了儲能系統的推廣應用和能源互聯網的發展。

本文將系統地闡述數字電池儲能系統的基本原理和方法，尤其是基于能量流和信息流緊密融合的數字電池系統設計理論和系統架構相關行業應用。本文第一節論述了能量信息化處理的原理和方法;第二節論述了基于可重構電池網絡的數字電池儲能系統工作原理和信息與能量耦合控制機制;第三節介紹了數字儲能系統的應用案例并對系統成本、可靠性、安全性等進行了討論;第四節對全文進行了總結。

1 能量信息化處理

能量信息化是能量信息融合技術的基礎與核心，同時也是能源系統提高能效、實現多能協同互補利用的核心技術[3]。傳統能源系統需要實現從模擬系統到數字系統的轉變，即需要在物理上把模擬能量流進行離散化和數字化，將能量轉化成與計算資源、帶寬資源以及存儲資源一樣，進行靈活的管理與調控，實現未來個性化定制的能量運營服務。

能源信息化的可行性依賴于先進電力電子技術與信息通信技術的快速發展，其物理基礎是基于片上系統的數字能量控制器和高速電力電子開關器件的數字電池能量交換系統，高頻電力電子開關器件的比較如圖1所示。

在數字化電池能量交換系統中，模擬能量流被以網絡化連接的高頻MOSFET電力電子開關離散化成為時間序列上的“能量片”(energy slice)，離散化后的“能量片”上附加其他信息數據，如電池資產的所有者、電池電荷狀態、電池健康狀態等信息。通過采用程序控制的電池網絡控制器對來自不同電芯的“能量片”進行重組和優化，去除電池能量產生和使用過程中的不確定性和非線性，徹底屏蔽了電池物理和化學上的差異性，克服短板效應，進而提升了電池儲能系統性能，可重構電池網絡對電池管理技術的范式創新原理圖如圖2所示。

圖1 高頻電力電子開關器件比較

Fig.1 Comparison of high frequency power electronic switching devices

電池能量信息化技術帶來的另一個革命性變化就是通過電池能量交換系統將傳統模擬電池系統“格式化”為數字儲能資產，從而將電池能量變為互聯網可視可管的網絡資源，進而無縫地融入互聯網業態?？梢酝ㄟ^數字儲能技術盤活閑散電池存量資產，突破地域分布的限制，有效整合各種形態和特性的備用電池儲能資產，提升能源投資和資產利用率，實現共享經濟模式下的儲能系統建設和運營，進而推動“互聯網+電池”的能量服務模式?；跀底謨δ芟到y的虛擬電廠如圖3所示

圖2 可重構電池網絡對電池管理技術的范式創新原理圖

Fig.2 Reconfigurable battery network paradigm innovation for battery management technology

圖3 基于數字儲能系統的虛擬電廠

Fig.3 Virtual power plant based on digital energy storage system

2 基于可重構電池網絡的數字儲能系統架構

如前所述，數字儲能系統是以高頻電池能量交換背板為基礎構建的可重構大規模電池能量交換硬件系統，以動態可重構電池網絡控制器為基礎構建本地實時控制的智能軟件系統，以軟件定義的可編程接口為基礎實現廣域協同和能量云平臺的新型信息物理能量系統[4]，這種“自下而上”的設計思路，貫通了電池單體與應用需求之間的各個環節，形成了基于云和大數據及智能硬件的一體化新型數字儲能系統。接下來本文將詳細討論系統的主要組成部分。

2.1 動態可重構電池網絡

動態可重構電池網絡是數字儲能系統的核心單元，其架構如圖4所示。大規?？芍貥嬰姵鼐W絡的設計和運行實質是復雜網絡的動態優化和控制問題，而電池網絡最優拓撲的動態生成是影響大規模復雜網絡特性的重要因素。要解決大規模動態電池網絡優化問題，實現對電池網絡的細粒度高效管控，需要實時掌握網絡節點的特性和狀態及由網絡節點構成的不同網絡拓撲的特性和性能，繼而通過網絡拓撲的動態重構實現電池儲能系統性能的整體優化[5-8]。

圖4 數字電池儲能系統架構

Fig.4 Digital battery energy storage system architecture

具體來說，在動態可重構電池網絡單元中，通過電池能量交換背板對每個電池單體或模塊的電流、電壓和溫度等信息進行實時測量，電池網絡控制器可以在線精確估算電池的的健康狀態(state of health，SOH)和荷電狀態(state of ge，SOC)等狀態信息，然后分析形成電池網絡拓撲的最優控制策略，最后通過電池能量交換背板實現當前時刻最優電池網絡拓撲。與互聯網中的分布式組網類似，多個可重構電池網絡系統可以進一步構成更大規模的動態可重構電池網絡，使得快速構建任意規模的數字電池儲能系統成為可能[9]。

傳統電池管理系統(battery management system，BMS)與電池能量交換系統的比較如圖5所示。由于在可重構電池網絡中電池單體或模塊之間的串并聯拓撲可根據電池運行狀況、負載需求、安全閾值等條件進行細粒度動態重構，實現了模擬電池能量流的離散化和數字化，從理論上解決了電池系統的短板效應問題，因此極大提升了電池系統的有效容量、循環壽命、安全性和可靠性，與傳統電池管理系統有著本質區別，對貫穿電池行業產業鏈和價值鏈具有重大意義。

2.2 軟件定義復合儲能系統

如前所述，儲能系統的功能定義和性能指標應與用戶需求匹配。然而，受限于目前電池電化學體系和性能上的限制，在儲能實際應用中尚無法采用一套物理儲能系統同時滿足功率型和能量型的應用，這種情況加大了儲能系統的建造成本和部署難度。通過能量信息化技術，可以實現異構儲能介質的數字化混用以解決儲能介質體系和種類有限與用戶需求多樣性之間的矛盾，提升儲能系統的整體經濟性、能量密度和功率密度。

軟件定義復合儲能與信息存儲體系的對照邏輯關系如圖6所示，類比于信息存儲體系中從頂端的寄存器到底端的云存儲，不同信息存儲介質的單位成本是快速遞減的，但存儲介質的存取時延是不斷增大的。通過信息存儲介質的數字化和虛擬化(格式化)，不同信息存儲介質可以無縫融合在一起使用，共同支撐起各類計算任務對信息存儲的要求。同樣在能源互聯網中，不同性質的能量存儲介質適用于不同儲能應用需求?；谀芰啃畔⒒夹g，可以針對不同儲能應用需求，將多種物理化學性質迥異的儲能介質進行數字化混用，實現一套物理儲能系統同時滿足多種儲能應用需求，實現儲能系統的價值最大化。

圖5 傳統電池管理系統與電池能量交換系統的比較

Fig.5 Comparison between traditional battery management system and battery energy exchange system

圖6 軟件定義復合儲能與信息存儲體系的對照邏輯關系

Fig.6 Comparison of software defined composite energy storage and information storage system

軟件定義復合儲能的提出對解決目前電池行業自身問題提供了新思路和新方法。目前，電池材料能量密度的發展嚴重滯后于電池系統應用需求，并且單一類型電池難以滿足多樣化應用需求以及負載動態變化。通過開發軟件定義電池儲能系統可以把不同廠家、不同批次、不同種類、不同電化學特性的儲能介質集成到一個儲能系統中，通過數字化能量管控系統來選擇不同類型的儲能介質以適應負荷和工況的變化。在許多儲能應用場景中，由于負荷是時變的，需要儲能系統在不同工況下提供不同的輸出功率。例如，電動汽車在加速時和平穩行駛時需要的電池系統功率輸出會有數倍或數十倍的差異;又如，電力系統通常需要電池儲能系統用于調峰(能量型)或調頻(功率型)等應用場景。傳統的電池儲能系統解決方案通常采用同廠家同批次同型號的電池單體組成電池系統，然而這樣做的問題是如此構建的電池系統要么適用于功率型應用，要么適用于能量型應用，很難滿足復雜應用需求。因此，傳統電池系統在功率或容量方面采用超配的方式來滿足應用需求的多樣性，這不僅造成了電池系統成本高、體積大、重量大的問題，也造成了電池資源浪費的問題。針對此類問題，采用軟件定義數字電池儲能系統可以將功率型電池(如鈦酸鋰、三元鋰電池等)和能量型電池(如磷酸鐵鋰、鉛酸電池、鉛碳電池等)及其他能量存儲載體(如超級電容器等)無縫集成到一起形成一個高效儲能供電系統，滿足了不同工況對電池系統輸出功率和工作時間的多樣性要求，從而極大提升了電池系統的整體性能，并極大降低了電池系統的單位成本。

2.3 電池能量管控云平臺

隨著近年來能源和信息行業的迅猛發展，終端用戶和行業客戶對電池系統的管控能力提出了多種多樣的應用需求，如細顆粒度管控與運維、高精度動態均衡、面向應用需求的在線可編程、硬件系統對動態用戶需求的適應性、基于云和大數據的電池服務等，為此在儲能系統數字化的基礎上，提出了基于云平臺的軟件定義電池能量管控系統。電池能量管控云平臺的實質是就是將原來高度耦合的一體化電池硬件，如固定串并聯的電池硬件系統，通過標準化、抽象化(虛擬化)等信息技術手段解耦成不同的物理子系統，進而圍繞這些物理子系統建立虛擬化軟件層，通過定義應用編程接口(application programming interface，API)的方式實現原來硬件系統才提供的功能。通過管理控制軟件，系統可以自動地進行硬件資源的部署、組合、優化和管理，為應用提供高度靈活性的服務。簡而言之，電池能量管控云平臺就是由軟件來驅動并控制電池硬件資源，將傳統固定串并聯的電池組演進成為面向用戶需求的軟件可操控的電池智能硬件系統。因此，電池能量管控云平臺具備信息與能量緊密耦合的連接能力，支撐未來能源互聯網中電池能量服務的加載，形成“云+端”的典型架構，具備了電池能量大數據運營等附加價值。

由于電池能量管控云平臺按應用需求通過系統可編程接口或電池能量服務模式將電池硬件系統的管控能力開放到互聯網云平臺上，使終端用戶和行業客戶對其電池系統硬件資源實現多維度的軟件配置和管控，因此，電池能量管控云平臺解決了電池系統在設計過程中的成本與性能聯合優化問題及其在使用過程中的適應需求動態變化的問題，提高了系統的性能、效率和安全可靠性，實現了電池儲能資產的數字化、信息化和互聯化管控，使之成為一種可計量可計算的互聯網資源，有力支撐了“互聯網+智慧能源”的應用模式。值得指出的是電池能量管控云平臺是實現未來云儲能(或儲能云)的使能技術。云儲能被認為是未來電力系統儲能的新形態，是一種基于已建成的現有電網的共享儲能技術，使用戶可以隨時、隨地、按需使用由集中式或分布式的儲能設施構成的共享儲能資源，并按照使用需求支付服務費。通過大規模部署分布式電池能量交換系統，將用戶側現有的各種儲能資源(如備用電池等)數字化虛擬化為云端的數字儲能資產，進而為各種用戶提供基于數字儲能資產的能量服務，催生基于能源互聯網的儲能業態。

除商業模式外，隨著儲能產業的快速發展，儲能系統的運維成本將快速上升，成為影響商業模式至關重要的因素。通過電池能量管控云平臺對電池單體或模塊進行細粒度的管控和維護可以極大降低運維成本和系統有效運行時間。同時，還可以對電池單體或模塊狀態進行細粒度感知，進而在考慮到電網實時電價、用戶負荷、電池容量和健康狀態及安全閾值等邊界條件的前提下動態生成儲能系統高效安全運行控制策略，并與電網能量調度系統實時互動。

3 數字儲能系統的應用

3.1 面向數據中心的軟件定義數字儲能系統

備用電源在各種通信系統中占有重要地位，是保障主營業務正常運行的必備保障條件。然而，目前備用電源普遍存在著建設投資和運維成本高、運行效率低、安全性和可靠性差、單位能量和功率密度低等痛點問題。而且，隨著電網供電質量的顯著提升，現有備用電源的設計標準和規范已經無法適應運營商的需求和要求。因此，新型備用電源架構的設計和實施勢在必行。

隨著互聯網數據量的爆炸式增長，作為互聯網數據源頭的互聯網數據中心(internet data center，IDC)的數量與規模在全球范圍內急速膨脹。數據中心的急速發展帶來了嚴重的能耗問題，一個大型IDC的能耗超過美國一個中型城市的耗電量。中國的數據中心能耗正在高速增長，并顯著高于世界的平均水平。據ICT Research統計，2012年我國數據中心能耗高達664.5 億kWh，占當年全國工業用電量的1.8%。2015年我國數據中心能耗高達1000 億kWh，相當于三峽水電站當年的發電量。造成這一現象的核心問題之一在于傳統IDC中UPS到服務器電源要經過三次交直流轉換，其損耗占總能耗的50%左右，這部分損耗還將以熱量形式散發，造成二次能耗損失。另外，服務器通常有92%左右的時間處于空閑狀態，進入服務器的能量利用率也十分低下，而目前IDC能效指標計算方式中并沒有考慮此因素。除此之外，溫度、濕度等環境因素也會影響IDC的能耗。又如，基站和機房的備用電池系統的配置作用是保障供電安全和可靠性，在輸入電力中斷的情況下保證直流供電不間斷，蓄電池運行狀態好壞將直接影響到基站和機房直流系統正常、安全、可靠的運行。但是，由于基站和機房備用電源系統蓄電池存量大、長期處于浮充電狀態，缺少精細化管理，造成一系列效率、安全性、整組更換、人工運維成本高等問題。

因此，通過研發適用于數據中心的軟件定義數字UPS系統，對傳統備用電源供電架構進行革命性改進，如圖7所示。通過采用電池能量交換系統，研發IDC數據中心和基站機房的分布式數字儲能供電系統，實現了備用供電系統的數字化和互聯網化能量管控。與傳統模擬備用供電系統相比，數字電池能量交換系統可以對備用供電系統中的電池單體輸出模擬能量流進行微秒級的離散化和數字化處理和管控，通過毫秒級的電池網絡拓撲動態重構保證了每一個電池單體不過充不過放，并且在微秒級隔離故障電池單體，從而極大提升了備用電池供電系統的有效容量、效率、安全性、可靠性和可維護性，顯著提升了備用電池儲能系統循環壽命(可單獨更換任一電池單體)。此外，數字儲能供電系統極大放寬了對電池單體一致性的要求，支持互聯網化自動運維巡檢和調度，降低了儲能系統的建設成本和運維成本，從根本上保證了備用供電系統的商業經濟性。

圖7 軟件定義數字UPS系統

Fig.7 Software defined digital UPS system

示范系統運行數據表明，數字儲能供電系統實現了信息流與能量流的緊密融合，從能量流、信息流和環境參數等三個方面對備用供電系統進行全面感知與管控。通過采用分布式數字儲能供電系統代替傳統集中式UPS系統和模擬鉛酸電池系統，以及采用旁路式連接方式代替串入式連接方式，新系統可以減少兩次交直流轉換，降低10%以上的能耗，IDC的有效空間利用率提升30%左右，這些措施將大幅度提升IDC的運營收益。此外，通過采用鋰電池代替鉛酸電池，可成倍提高備用電池系統的有效容量、放電效率和使用壽命，在滿足備用電源要求的前提下，數字儲能供電系統可以用作分布式儲能系統，進而從“節流”和“開源”兩個方面全面降低IDC的能耗和運營成本。同時，數字儲能供電系統還可以實現鉛酸電池和鋰離子電池數字化混用，最大程度的利用現有鉛酸電池的殘值，支撐從鉛酸電池到鋰電池的低成本平穩過渡。

3.2 面向退役動力電池梯次利用的數字儲能系統

隨著電動汽車的大規模推廣使用，可以預見在未來幾年內將有大批的退役動力電池。依據現行退役標準，退役動力電池依然具有巨大的經濟價值和市場空間，因此在儲能需求迫切的智能電網和能源互聯網中有著廣闊的應用前景。然而退役動力電池梯次利用在性能評估、分選成組、集成管控、安全與經濟性、商業模式等方面有著大量原理性和技術性問題需要研究與解決?；跀底蛛姵啬芰拷粨Q系統，本文提出了數字無損梯次利用方法，如圖8所示。

不同廠家、類型、批次、使用工況的動力電池退役后在健康狀態、有效容量等方面差異顯著，而目前的電池拆解、精細分選和固定串并聯重組的梯次利用方法采用的是基于電池一致性的思路，這就造成了退役動力電池規?；荽卫脮r面臨難度大、效率低、成本高等問題，進而降低了退役動力電池再利用價值，并且難以保證梯次利用電池儲能系統的整體性能、安全性和經濟性。針對上述問題，國內外學者開展了一系列研究工作。在基礎理論研究方面，國內外研究主要集中在基于電性能參數探測的健康狀態(SOH)和荷電狀態(SOC)的電池剩余容量和安全閾值評估。在梯次利用技術方面，傳統精選方法難以適應海量差異化退役電池的低成本快速分選要求，而固定串并聯重組方式難以適應退役動力電池差異性大的事實，因此傳統電池分選成組方法難以達到梯次利用電池儲能系統在整體性能、安全性和經濟性之間的平衡。在系統集成管理方面，國內外研究主要集中在電池管理系統高級功能擴展和電池組均衡方法以及傳統儲能系統電、熱、安全管理方法在梯次利用動力電池儲能系統上的可用性。然而，退役動力電池參數離散度大，效率和可靠性低，發生系統安全事故的概率顯著增大，這些都對儲能系統電、熱管理提出了更為苛刻的要求。

圖8 傳統梯次利用與數字無損梯次利用的比較

Fig.8 Comparison of traditional second-use and digital lossless second-use

與傳統方法不同，數字無損梯次利用方法無需將電池進行單體層面的拆解、精選和重組，通過可重構電池網絡對退役的電池單體或焊接在一起的低壓電池模塊進行簡單電氣和外觀粗選及柔性重構。通過數字電池能量交換系統，可以實現退役動力電池單體或模塊的精準充放電均衡和微秒級故障電池精準隔離，同時對電池進行“邊用邊測邊管(on-the-go)”式的實時狀態量測和性能分析，實現基于可重構電池網絡的數字化梯次利用退役動力電池電、熱及安全管控。從圖9和圖10可以看出數字無損梯次利用方法可以在很大程度上消除退役動力電池單體或模塊在充放電過程中的差異性，屏蔽系統短板效應帶來的一系列電池應用問題，如系統有效容量、可靠性和安全性等問題。此外，基于軟件定義電池能量交換系統構建的梯次利用動力電池自動巡檢和智能管控云平臺可以對電池單體或模組進行雙向細粒度能量管控，實現電池運維和能量調度的自動化、網絡化及智能化。因此，數字無損梯次利用幾乎是當前唯一一種可以解決退役動力電池低成本安全高效梯次利用的方法。

3.3 結論和討論

圖9 傳統電池系統與數字儲能系統充電特性比較(測試基于64只退役動力電池單體)

Fig.9 Charging comparison between traditional battery system and digital energy storage system (test based on 64 decommissioned battery cells).

圖10 傳統電池系統與數字儲能系統放電特性比較

Fig.10 Disging comparison between traditional battery system and digital energy storage system.

基于上述應用案例，可以看到基于能量數字化和信息化處理技術的數字電池儲能系統與傳統模擬電池有著本質上的不同，是電池應用領域的范式創新。由于采用可重構電池網絡，電池本體物理化學差異性與電池應用場景需求實現了徹底分離，因此數字電池系統將比模擬電池系統具有更高的可靠性和安全性及更長的系統循環壽命。從另一方面看，數字儲能作為一種范式創新，必然面臨著一系列理論和應用方面的問題和不足，如性能優化、系統成本、應用場景和用戶體驗等。數字儲能系統在一些應用場景下的大規模推廣離不開產業界的緊密配合，例如數字儲能系統在電動汽車上的推廣應用必然會改變目前電動汽車電池系統的成本構成、運營模式和系統結構設計，這些必然需要電池生產廠商和整車設計及生產廠商的支持和配合。

然而，通過采用超大規模集成電路(very large scale integration，VLSI)技術和高頻電力電子半導體技術，數字電池能量交換系統的成本將符合摩爾定律的產業規律，隨著大規模普及，其成本必將呈現幾何級數快速下降，因此數字儲能實質上是通過利用摩爾定律克服電池本體問題的新方法、新技術。值得指出的是，電池能量交換背板采用的低壓電力電子半導體開關器件(40 V以下)近年來隨著出貨量增大，價格快速下降(平均單價0.5元)，性能極大提升(通流能力達到數百安，內阻小于1 mΩ)，隨著電池能量交換系統的大規模普及，其平準化成本(levelized cost)將達到每次度電成本0.1元以下。

數字系統取代傳統模擬系統是技術演進的明確方向，也是第三次工業革命和工業4.0的核心技術路徑。信息通信和互聯網領域在過去的數十年的發展路徑已經證明了這一論斷。摩爾定律作為數字系統的核心產業規律必將對能源行業和能源互聯網的發展產生巨大而深遠的影響。

4 總結與展望

數字儲能顛覆了電池系統構建范式，將傳統模擬電池系統轉變為數字電池系統，進而將電池能量變為信息互聯網中可視可管的一種新型網絡資源，實現電池儲能系統中能量流與信息流的深度融合，使得儲能電站基于共享經濟的輕資產建設方式和互聯網+電池的后付費服務模式成為可能。通過數字儲能構建軟件定義復合儲能系統實現異構儲能介質的數字化復用，解決了電池種類有限和用戶需求多樣的矛盾，并且極大降低了成本和部署難度。數字電池系統與互聯網業態的無縫融合可以支撐低成本電池儲能系統的能量云服務，催生用戶側新型售電業務的發展。值得指出的是，作為電池應用的范式創新，數字儲能的未來發展需要進一步研究信息能量同頻處理、多尺度物理信息能量耦合、高維度非線性優化、大規模低成本可重構電池能量交換背板設計、高效數字儲能系統的系統集成和能量管控等核心科學和技術問題，以及基于能源互聯網的數字電池儲能系統的后付費建設和運營模式。能源互聯網的發展離不開摩爾定律對傳統能源行業的滲透和改造，數字儲能系統必將替代模擬儲能系統成為“互聯網+電池”商業模式的信息物理基礎設施。

參考文獻

[1]周孝信. 期望2030年初步建成新一代能源系統[J]. 中國戰略新興產業，2017(13)：94-94.Zhou Xiaoxin. Expect to Initially Build a New Generation of Energy Systems by 2030[J]. China Strategic Emerging Industry, 2017(13): 94-94 (in Chinese).

[2]周孝信，曾嶸，高峰，等. 能源互聯網的發展現狀與展望[J]. 中國科學：信息科學，2017, 47(02)：149-170.Zhou Xiaoxin, Zeng Rong, Gao Feng, et al. Development Status and Prospects of the Energy Internet[J]. Scientia Sinica(Informationis), 2017, 47(02): 149-170 (in Chinese).

[3]慈松. 能量信息化和互聯網化管控技術及其在分布式電池儲能系統中的應用[J]. 中國電機工程學報，2015, 35(14)：3643-3648.Ci Song. Energy Informatization and Internet-based Management and Its Applications in Distributed Energy Storage System[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(14):3643-3648 (in Chinese).

[4]慈松，李宏佳，陳鑫，等. 能源互聯網重要基礎支撐：分布式儲能技術的探索與實踐[J]. 中國科學：信息科學，2014, 4(6)：762-773.Ci Song, Li Hongjia, Chen Xin, et al. The Cornerstone of Energy Internet: Research and Practice of Distributed Energy Storage Technology[J]. Scientia Sinica(Informationis), 2017,47(02): 149-170 (in Chinese).

[5]慈松，周楊林，林倪. 軟件定義可重構電池系統及其應用[J]. 中國材料進展，2017, 36(10)：694-699.Ci Song, Zhou Yanglin, Lin Ni. Software-Defined Reconfigurable Battery System and Its Applications[J].Materials China, 2017, 36(10)：694-699 (in Chinese).

[6]康重慶，劉靜琨，張寧. 未來電力系統儲能的新形態：云儲能[J]. 電力系統自動化，2017, 41(21)：2-8.Kang Chongqing, Liu Jingkun, Zhang Ning. A New Form of Energy Storage in Future Power System: Cloud Energy Storage[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017,41(21): 2-8 (in Chinese).

[7]A. K. Panda, R. K. Parida, N. C. Agrawala, et al. Comparative Study on the High-Bandgap Material (GaN and SiC)-Based Impact Avalanche Transit Time Device [J]. IET Microwaves,Antennas & Propagation, 2008, 2(8): 789-793.

[8]N. Lin, S. Ci, D. Wu, et al. An Optimization Framework for Dynamically Reconfigurable Battery Systems [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion (To be appeared).

[9]S. Ci, Ni. Lin, D. Wu, Reconfigurable Battery Techniquesand Systems: A Survey [J]. IEEE Acess, 2016(4): 1175-1189.