鋰電池在各種不同應(yīng)用中的商用化進(jìn)程已有20余載。那么，它們何以未被普及用于數(shù)據(jù)中心UPS中的電池呢?事實(shí)上，其原因在于，與所有其他的應(yīng)用一樣，鋰電池在UPS應(yīng)用中無(wú)法為UPS供應(yīng)商提供價(jià)格、能量密度、功率、安全性和可靠性方面的合理平衡。但在過(guò)去10年里，鋰離子化學(xué)成分和技術(shù)的改進(jìn)已為UPS供應(yīng)商提供了可行的方案。這些改進(jìn)很大程度上是源于于電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動(dòng)。

在UPS不間斷供電系統(tǒng)中,后備蓄電池組是整個(gè)供電系統(tǒng)的最后一道供電保障防線，又是電源維護(hù)工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)，在系統(tǒng)中斷的事故中，由電池組引發(fā)的故障所占比重較大，因此，人們對(duì)后備電池技術(shù)的變革會(huì)更加謹(jǐn)慎。

閥控式鉛酸蓄電池經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已經(jīng)被眾多行業(yè)廣泛應(yīng)用，同樣，在數(shù)據(jù)中心、通信及各類(lèi)機(jī)房UPS亦是首選。然而，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)供電系統(tǒng)的可靠性要求更高，對(duì)實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的意識(shí)更強(qiáng)，為此，對(duì)解決閥控式鉛酸蓄電池存在的許多問(wèn)題就更加迫切。

閥控式鉛酸蓄電池和磷酸鐵鋰電池相比較

1質(zhì)能比低、體積能量比低，電池重量大，占地面積大。

2充放電效率低，充放電效率約為92%左右，使用一段時(shí)間后充放電效率還會(huì)下降。

3閥控式鉛酸蓄電池壽命短，設(shè)計(jì)壽命5-8年，實(shí)際使用大多為3～5年。

4運(yùn)行環(huán)境溫度要求高，在溫度超過(guò)25度時(shí)，環(huán)境溫度每提高7～10℃時(shí)電池壽命折損一半。

5蓄電池大量采用鉛，其開(kāi)采、加工和使用過(guò)程中均容易對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

為了解決以上問(wèn)題，通信行業(yè)和一些知名品牌的大功率UPS配置磷酸鐵鋰電池應(yīng)用在不斷增加，UPS市場(chǎng)一個(gè)新趨勢(shì)是對(duì)數(shù)據(jù)中心和UPS應(yīng)用中鋰離子電池的興趣日益增長(zhǎng)。與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，鋰離子電池具有更長(zhǎng)的使用壽命、更小的尺寸和重量、在更廣泛的環(huán)境中運(yùn)行的能力，以及可大電流快速充放電，耐高溫性能優(yōu)越，在﹣10℃～﹢65℃情況下仍然能夠正常工作;總體擁有成本(TCO)更優(yōu)。

磷酸鐵鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

磷酸鐵鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為極板、隔板、電解液、外殼、安全閥、端子等，詳見(jiàn)圖1。


左邊是橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極端子連接，右邊是由碳(石墨)組成的電池負(fù)極，由銅箔與電池的負(fù)極端子連接，中間是隔膜，它把正極與負(fù)極隔開(kāi)，但鋰離子Li+可以通過(guò)而電子e-不能通過(guò)，電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)，為鋰離子運(yùn)動(dòng)提供運(yùn)輸介質(zhì)。

LiFePO4電池在充電時(shí)，外界電流從負(fù)極流向正極，導(dǎo)致正極中的鋰離子Li+從磷酸鐵鋰等過(guò)度金屬氧化物的晶格中脫出，經(jīng)過(guò)液態(tài)電解質(zhì)這一橋梁，通過(guò)隔膜向負(fù)極遷移，并嵌入碳素材料負(fù)極的層狀結(jié)構(gòu)中。正極材料的體積因鋰離子的移出而發(fā)生變化，但本身的骨架結(jié)構(gòu)維持不變。

LiFePO4電池在放電時(shí)，負(fù)極中的鋰離子Li+從碳素材料層間脫出，經(jīng)過(guò)液態(tài)電解質(zhì)這一橋梁，通過(guò)隔膜向正極遷移，并嵌入正極材料的晶格中，相應(yīng)地電流從正極經(jīng)外界負(fù)載流向負(fù)極。

磷酸鐵鋰材料為橄欖石型磷酸鹽類(lèi)嵌鋰材料，晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，充放電過(guò)程中不易發(fā)生變形或破壞。同樣，鋰離子反復(fù)的嵌入和脫出只會(huì)引起負(fù)極材料的層間距變化，也不會(huì)引起材料晶體結(jié)構(gòu)的破壞。鋰離子電池也稱為搖椅式電池。磷酸鐵鋰晶體結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2。


磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品特點(diǎn)

磷酸鐵鋰電池主要技術(shù)要點(diǎn)如下：標(biāo)稱電壓3.2V，一般充電電流為0.2~0.5C，最大充電電流為1~1.5C，充電電壓在3.65V以下時(shí)性能穩(wěn)定;一般放電電流為0.5~1C，最大放電電流為5~10C，放電終止電壓為2.0V;充電工作溫度范圍為0~55℃，放電工作溫度范圍為-20~60℃。

磷酸鐵鋰電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1輸出電壓高：磷酸鐵鋰電池工作電壓范圍：2.5～3.6V，平臺(tái)約3.2V;

2安全性強(qiáng)：磷酸鐵鋰正極材料具有良好的電化學(xué)性能，充放電平臺(tái)十分平穩(wěn)，充放電過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以過(guò)放電到零伏。即使電池內(nèi)部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸、安全性較好;

3高溫性能好：外部溫度65℃時(shí)內(nèi)部溫度則高達(dá)95℃，電池放電結(jié)束時(shí)溫度可達(dá)160℃，電池的結(jié)構(gòu)安全、完好;

4高效率輸出：標(biāo)準(zhǔn)放電為2～5C、連續(xù)高電流放電可達(dá)10C，瞬間脈沖放電(10S)可達(dá)20C;

5高循環(huán)壽命：經(jīng)500次循環(huán)，其放電容量仍大于95%;

6使用方便：可快速充電;

7環(huán)保：整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程清潔無(wú)毒。所有原料都無(wú)毒。

8非稀有資源：磷酸鐵鋰電池采用磷酸源、鋰源、鐵源為材料，無(wú)戰(zhàn)略資源及稀有資源。

磷酸鐵鋰與其它鋰離子性能比較

鈷酸鋰(LiCoO2)、鎳酸鋰(LiNiO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)等正極材料的性能比較詳見(jiàn)表1。


根據(jù)工信產(chǎn)部質(zhì)檢中心的檢驗(yàn)報(bào)告，19項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)均合格，其中主要指標(biāo)詳見(jiàn)表2


磷酸鐵鋰和閥控式鉛酸電池的性能比較(見(jiàn)表3)


磷酸鐵鋰電池在UPS電源供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

針對(duì)磷酸鐵鋰電池的特性，在UPS供電系統(tǒng)設(shè)置時(shí)，只須把ups給電池組的充電電壓調(diào)整到鋰電池所需要的電壓即可。因?yàn)殇囯姵丶幢闶情L(zhǎng)期處于充電狀態(tài)下，由于自身的IBMS均衡保護(hù)功能，電池性能是不容易發(fā)生改變的。

智能間歇式充放電管理分以下兩個(gè)步驟，如圖：恒流-恒壓充電階段：電池組充電電路根據(jù)各單體電池的電壓進(jìn)行充電控制，控制電池單體和電池組的充電電壓滿足充電限制電壓要求(充電限制電壓：電池單體3.7V，)，直到所有電池都充滿電;間歇式補(bǔ)充電階段：電池組完成整個(gè)恒流-恒壓充電過(guò)程后，電池組由BMS控制進(jìn)入開(kāi)路靜置狀態(tài)，直至容量減少到電池組充電限制電壓初始容量的SOC(其中X取值在75～95之間)時(shí)，由BMS控制電池組重新進(jìn)入補(bǔ)充電狀態(tài)，補(bǔ)充電方式也遵循恒流-恒壓充電方式;在開(kāi)路靜置狀態(tài)時(shí)，若交流電停電，BMS應(yīng)能控制電池組無(wú)延遲進(jìn)入放電狀態(tài)(見(jiàn)圖4)。

T1和T3為充電過(guò)程，T1為恒流-恒壓充電階段，T3為間歇式補(bǔ)充電階段;T2為電池組開(kāi)路靜置階段;T4為電池組放電過(guò)程。

UPS與磷酸鐵鋰和密封閥控電池組應(yīng)用方案及投資比較

舉例說(shuō)明-數(shù)據(jù)中心UPS電池容量配置：

電池室空調(diào)啟動(dòng)的環(huán)境溫度設(shè)定為25℃，UPS系統(tǒng)容量200kVA(396V/425A)，蓄電池放電時(shí)間0.5小時(shí)。經(jīng)計(jì)算，需配置396V/500Ah鉛酸電池1組，或者396V/200Ah鐵鋰電池1組?？紤]同樣的機(jī)房承重條件，后者占地面積是前者的28%，后者重量是前者的16%。利用磷酸鐵鋰電池大電流放電特性，降低機(jī)房面積和承重要求，更容易實(shí)現(xiàn)分散供電。

鋰電采用三層電池管理系統(tǒng)，從電芯到電池柜、電池柜并聯(lián)系統(tǒng)，層層保障鋰電可靠性。華為鋰電管理系統(tǒng)具備電池單體電壓、溫度檢測(cè)，單體均流管理，充放電檢測(cè)、SOC、SOH管理，告警管理、報(bào)表分析等功能。實(shí)現(xiàn)電池故障及時(shí)識(shí)別，早期預(yù)警，主動(dòng)隔離。

其次，鋰電擁有業(yè)界獨(dú)有的主動(dòng)均流技術(shù)，支持新舊電池柜混用，鋰電柜并柜環(huán)流可以控制在2%以下，顯著降低Capex。

在硬件設(shè)計(jì)方面，鋰電池柜配有斷路器，電池管理模塊配有熔斷器、繼電器，保障出現(xiàn)故障時(shí)，快速動(dòng)作，保護(hù)電池。

在運(yùn)維管理方面，鋰電管理系統(tǒng)可以集成到UPS管理系統(tǒng)，電池管理與UPS管理系統(tǒng)是一套完整的系統(tǒng)。鋰電管理系統(tǒng)可以將電池信息上傳至UPS系統(tǒng)，配合華為UPS與網(wǎng)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電池智能管理，減少檢測(cè)頻率，做到鋰電運(yùn)行狀態(tài)隨時(shí)可查、可管、可控。

結(jié)束語(yǔ)

鋰離子電池采用率較低的原因一是初始成本較高，二是對(duì)其安全性不放心。但我們相信，隨著鋰離子電池技術(shù)的成熟和制造業(yè)產(chǎn)能的增長(zhǎng)，更多供應(yīng)商開(kāi)始進(jìn)入磷酸鐵鋰電池UPS應(yīng)用領(lǐng)域，而最終用戶對(duì)數(shù)據(jù)中心全生命周期實(shí)踐的認(rèn)知，將會(huì)為鋰離子電池的部署進(jìn)行越來(lái)越多的規(guī)劃和預(yù)算。數(shù)據(jù)中心的儲(chǔ)能變革已在進(jìn)行時(shí)。