综述：可重构电池系统拓扑结构、工作原理及特性：综述

《Journal of Energy Storage》：Reconfigurable battery System Topology, Operation and Feature: A Comprehensive Survey

　　

唐帆祺|马建军|文硕丽|赵强|张冰|黄一岐|朱淼

中国江苏科技大学海洋学院，镇江市，212003

摘要

随着储能系统在现代电力系统中的应用日益增加，开发具有灵活控制和增强容错能力的电池系统变得越来越重要。在各种方法中，可重构电池系统（RBS）因其能够在单元级别动态重构连接而受到广泛关注，从而提供高灵活性和强大的容错能力。迄今为止，已经提出了许多可重构电池拓扑结构。这些系统通过动态串联-并联重构电池单元或模块，以及灵活调整电源转换拓扑结构，实现电压、容量和功率输出的自适应调整。本文基于每个单元的开关数量对现有的RBS拓扑结构进行了分类，并对这些配置进行了全面回顾，明确指出了每种拓扑结构所需的开关数量。此外，还进行了关键性能指标的详细比较分析，并确定了不同拓扑结构的适用场景。最后，基于此分析，讨论了大规模储能系统架构的潜在未来研究方向。

引言

在全球电气化的背景下，可再生能源已在全球范围内被广泛用于发电[1]。然而，尽管可再生能源具有显著的环境效益，但其内在的间歇性和波动性使得可靠的全天候电力供应变得复杂[2]。电池储能系统（BESS）在平衡供需和增强电网稳定性方面发挥着关键作用。为了有效履行这些功能，BESS必须具备高安全性、低成本、高效率和长循环寿命[3]、[4]。随着电池储能技术在电动汽车（EV）、混合动力电动汽车（HEV）和备用电源系统中的渗透率增加，这些系统的设计和运营面临着日益增长的挑战[5]。储能规模的扩大，加上操作条件的变化，要求电池系统具有改进的单元平衡能力、更快的充放电速率和更高的容错能力。

然而，传统的固定拓扑结构的电池系统常常由于制造公差和不一致的操作条件而出现单元间差异。这些不一致性会导致电池退化加速、充放电过程不平衡以及可用容量减少。结果，电池组的使用寿命缩短，整体系统效率降低。容量逐渐衰减进一步限制了可用储能的有效利用，导致能源效率低下。此外，一个或多个单元的故障会严重降低性能，在极端情况下甚至会导致整个系统失效。随着对先进电池系统的需求不断增加以及储能技术的快速进步，传统的固定电池设计越来越无法满足未来能源基础设施的效率和适应性要求。为了克服这些限制，近年来可重构电池系统（RBS）受到了广泛关注。将开关设备集成到电池管理系统（BMS）中，使RBS能够达到更高的效率和更长的循环寿命。这也有助于降低整个生命周期的环境影响。所有这些好处对可持续的大规模储能至关重要。此外，RBS技术为回收和再利用退役电池提供了有效途径[6]。

与传统具有固定串联或并联单元连接的电池系统不同，RBS在单元或模块级别集成了电源开关网络。这种架构允许通过实时状态监测和先进的控制算法动态重构电池组，如图1所示。在运行过程中，可以即时调整单元之间的电气连接。这使得RBS能够支持广泛的输入和输出电压，并适应各种负载和能源源的要求。与传统固定拓扑系统相比，RBS可以提高能源利用率并实现有效的单元平衡。这是通过选择性控制不同状态下单个单元的运行时间来实现的，从而保持电池组级别的均匀性。此外，对电源开关的精确控制，结合对故障单元的准确检测，使得能够隔离异常单元。即使在单元级别存在不规则性的情况下，也能确保系统的稳定运行。这种灵活性还支持退役电池的再利用和级联使用。因此，RBS促进了循环经济，并提升了储能系统的整体可持续性。

随着RBS技术的进步，已经对包括拓扑设计和系统控制与操作在内的各个方面进行了大量研究。然而，现有的研究和综述主要集中在系统管理和控制上，对应用特定分析的关注较少。尽管对可重构电池系统（RBS）拓扑结构进行了大量研究并提出了多种架构，但这些拓扑结构的适用场景和性能差异仍不够明确。此外，对现有拓扑结构的全面评估和系统比较仍然缺乏。通过分析RBS拓扑结构，可以识别出更高效的架构设计。同时，探索和分析高效的RBS架构可以推动电池技术的发展，加深对可重构电池系统的整体理解，并为能源领域创造更多的创新机会。

本文提供了对可重构电池系统的设计和操作特性的全面回顾和讨论。它分析了不同拓扑结构在各种应用领域的优势和挑战，为未来的研究和工程应用提供了见解和指导。本文的其余部分组织如下：第2节详细介绍了现有的RBS拓扑结构。第3节介绍了RBS的操作特性。第4节介绍了电池等效电路模型，并分析了RBS并联过程中产生的最大循环电流。第5节深入讨论了RBS的重构方法。第6节根据相关指标评估了现有的RBS拓扑结构，并探讨了这些拓扑结构的适用场景。第7节总结了本文。

章节摘录

现有的可重构电池系统拓扑

RBS可以通过控制调整开关来重新配置电池单元的排列，并在系统内部遇到开路条件和单元故障时表现出高水平的容错能力[7]。现有的可重构电池拓扑通常根据每个单元使用的开关数量分为两开关、三开关、四开关和亚两开关拓扑。为了实现所需的可控性，使用了诸如MOSFET之类的电源开关设备……

RBS的操作特性

与传统固定拓扑结构的电池系统不同，RBS具有动态重构能力。这些能力提高了能源效率，延长了电池寿命，并增强了容错能力。这些优势直接源于RBS独特的操作特性。本质上，这些操作特性在很大程度上决定了系统的效率、可靠性和适应性。因此，对这些操作特性的深入理解和分析至关重要

系统重构等效建模

在RBS中，准确的电池模型不仅是电池状态估计的基础，也是实现系统重构策略、电池管理和故障诊断等功能的先决条件[72]、[73]、[74]。因此，构建高精度和实时的电池模型对于提高系统性能和可靠性非常重要。目前，锂离子电池的等效电路模型（ECM）是最广泛使用的建模方法

重构方法

RBS的操作从根本上依赖于电池重构。通过控制这一重构过程，RBS可以动态调整电池单元之间的连接模式。这使得能够有效地管理系统的整体输入和输出特性[90]。然而，由于电池是电源，重构必须谨慎避免关键问题，包括短路、并联连接期间的电压不匹配以及有故障的单元被连接……

系统管理和控制

RBS的控制主要由BMS管理，BMS是监控和控制电池操作的核心组件。在传统电池系统中，BMS主要执行被动监控和保护功能。然而，在RBS中，其角色已显著演变，包括电池拓扑的动态调度和重构。BMS的具体控制架构直接影响系统的响应速度和实施的可行性

RBS性能比较

不同RBS拓扑结构的性能和适用场景存在显著差异。这些差异不能仅通过直接观察来确定；相反，需要基于关键性能指标进行系统性的比较分析。尽管文献中提出了许多可重构电池拓扑结构，但它们已在第2节中根据每个单元使用的开关数量进行了总结和分类。到目前为止，还没有全面的研究

结论

与传统采用固定配置的电池系统相比，模块和单元级别的可重构拓扑在减轻单元不一致性、实现快速充电和提高整体效率方面具有更好的性能。基于这些优势，近期研究提出了多种具有动态重构能力的电池系统拓扑结构。本文根据用于控制的开关数量对现有的RBS拓扑结构进行了分类

CRediT作者贡献声明

唐帆祺：写作——审阅和编辑，写作——原始草稿，验证，调查，正式分析，数据整理。马建军：写作——审阅和编辑，监督，正式分析，概念化。文硕丽：监督，方法论。赵强：概念化。张冰：正式分析。黄一岐：调查。朱淼：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金的支持，项目编号为52577209。