探讨磷酸铁锂电池在UPS的应用

锂电池在各种不同应用中的商用化进程已有20余载。那么，它们何以未被普及用于数据中心UPS中的电池呢?事实上，其原因在于，与所有其他的应用一样，锂电池在UPS应用中无法为UPS供应商提供价格、能量密度、功率、安全性和可靠性方面的合理平衡。但在过去10年里，锂离子化学成分和技术的改进已为UPS供应商提供了可行的方案。这些改进很大程度上是源于于电动汽车产业发展的推动。

在UPS不间断供电系统中,后备蓄电池组是整个供电系统的最后一道供电保障防线，又是电源维护工作的重点与难点，在系统中断的事故中，由电池组引发的故障所占比重较大，因此，人们对后备电池技术的变革会更加谨慎。

阀控式铅酸蓄电池经过几十年的发展已经被众多行业广泛应用，同样，在数据中心、通信及各类机房UPS亦是首选。然而，随着信息技术的发展，人们对供电系统的可靠性要求更高，对实现绿色环保的意识更强，为此，对解决阀控式铅酸蓄电池存在的许多问题就更加迫切。

阀控式铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池相比较

1质能比低、体积能量比低，电池重量大，占地面积大。

2充放电效率低，充放电效率约为92%左右，使用一段时间后充放电效率还会下降。

3阀控式铅酸蓄电池寿命短，设计寿命5-8年，实际使用大多为3～5年。

4运行环境温度要求高，在温度超过25度时，环境温度每提高7～10℃时电池寿命折损一半。

5蓄电池大量采用铅，其开采、加工和使用过程中均容易对环境造成严重污染。

为了解决以上问题，通信行业和一些知名品牌的大功率UPS配置磷酸铁锂电池应用在不断增加，UPS市场一个新趋势是对数据中心和UPS应用中锂离子电池的兴趣日益增长。与传统的铅酸蓄电池相比，锂离子电池具有更长的使用寿命、更小的尺寸和重量、在更广泛的环境中运行的能力，以及可大电流快速充放电，耐高温性能优越，在﹣10℃～﹢65℃情况下仍然能够正常工作;总体拥有成本(TCO)更优。

磷酸铁锂电池内部结构及工作原理

磷酸铁锂电池内部结构可分为极板、隔板、电解液、外壳、安全阀、端子等，详见图1。


左边是橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极端子连接，右边是由碳(石墨)组成的电池负极，由铜箔与电池的负极端子连接，中间是隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，电池的上下端之间是电池的电解质，为锂离子运动提供运输介质。

LiFePO4电池在充电时，外界电流从负极流向正极，导致正极中的锂离子Li+从磷酸铁锂等过度金属氧化物的晶格中脱出，经过液态电解质这一桥梁，通过隔膜向负极迁移，并嵌入碳素材料负极的层状结构中。正极材料的体积因锂离子的移出而发生变化，但本身的骨架结构维持不变。

LiFePO4电池在放电时，负极中的锂离子Li+从碳素材料层间脱出，经过液态电解质这一桥梁，通过隔膜向正极迁移，并嵌入正极材料的晶格中，相应地电流从正极经外界负载流向负极。

磷酸铁锂材料为橄榄石型磷酸盐类嵌锂材料，晶体结构稳定，充放电过程中不易发生变形或破坏。同样，锂离子反复的嵌入和脱出只会引起负极材料的层间距变化，也不会引起材料晶体结构的破坏。锂离子电池也称为摇椅式电池。磷酸铁锂晶体结构详见图2。


磷酸铁锂电池产品特点

磷酸铁锂电池主要技术要点如下：标称电压3.2V，一般充电电流为0.2~0.5C，最大充电电流为1~1.5C，充电电压在3.65V以下时性能稳定;一般放电电流为0.5~1C，最大放电电流为5~10C，放电终止电压为2.0V;充电工作温度范围为0~55℃，放电工作温度范围为-20~60℃。

磷酸铁锂电池具有如下优点：

1输出电压高：磷酸铁锂电池工作电压范围：2.5～3.6V，平台约3.2V;

2安全性强：磷酸铁锂正极材料具有良好的电化学性能，充放电平台十分平稳，充放电过程中结构稳定，可以过放电到零伏。即使电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸、安全性较好;

3高温性能好：外部温度65℃时内部温度则高达95℃，电池放电结束时温度可达160℃，电池的结构安全、完好;

4高效率输出：标准放电为2～5C、连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电(10S)可达20C;

5高循环寿命：经500次循环，其放电容量仍大于95%;

6使用方便：可快速充电;

7环保：整个生产过程清洁无毒。所有原料都无毒。

8非稀有资源：磷酸铁锂电池采用磷酸源、锂源、铁源为材料，无战略资源及稀有资源。

磷酸铁锂与其它锂离子性能比较

钴酸锂(LiCoO2)、镍酸锂(LiNiO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4)等正极材料的性能比较详见表1。


根据工信产部质检中心的检验报告，19项测试指标均合格，其中主要指标详见表2


磷酸铁锂和阀控式铅酸电池的性能比较(见表3)


磷酸铁锂电池在UPS电源供电系统中的应用

针对磷酸铁锂电池的特性，在UPS供电系统设置时，只须把ups给电池组的充电电压调整到锂电池所需要的电压即可。因为锂电池即便是长期处于充电状态下，由于自身的IBMS均衡保护功能，电池性能是不容易发生改变的。

智能间歇式充放电管理分以下两个步骤，如图：恒流-恒压充电阶段：电池组充电电路根据各单体电池的电压进行充电控制，控制电池单体和电池组的充电电压满足充电限制电压要求(充电限制电压：电池单体3.7V，)，直到所有电池都充满电;间歇式补充电阶段：电池组完成整个恒流-恒压充电过程后，电池组由BMS控制进入开路静置状态，直至容量减少到电池组充电限制电压初始容量的SOC(其中X取值在75～95之间)时，由BMS控制电池组重新进入补充电状态，补充电方式也遵循恒流-恒压充电方式;在开路静置状态时，若交流电停电，BMS应能控制电池组无延迟进入放电状态(见图4)。

T1和T3为充电过程，T1为恒流-恒压充电阶段，T3为间歇式补充电阶段;T2为电池组开路静置阶段;T4为电池组放电过程。

UPS与磷酸铁锂和密封阀控电池组应用方案及投资比较

举例说明-数据中心UPS电池容量配置：

电池室空调启动的环境温度设定为25℃，UPS系统容量200kVA(396V/425A)，蓄电池放电时间0.5小时。经计算，需配置396V/500Ah铅酸电池1组，或者396V/200Ah铁锂电池1组。考虑同样的机房承重条件，后者占地面积是前者的28%，后者重量是前者的16%。利用磷酸铁锂电池大电流放电特性，降低机房面积和承重要求，更容易实现分散供电。

锂电采用三层电池管理系统，从电芯到电池柜、电池柜并联系统，层层保障锂电可靠性。华为锂电管理系统具备电池单体电压、温度检测，单体均流管理，充放电检测、SOC、SOH管理，告警管理、报表分析等功能。实现电池故障及时识别，早期预警，主动隔离。

其次，锂电拥有业界独有的主动均流技术，支持新旧电池柜混用，锂电柜并柜环流可以控制在2%以下，显著降低Capex。

在硬件设计方面，锂电池柜配有断路器，电池管理模块配有熔断器、继电器，保障出现故障时，快速动作，保护电池。

在运维管理方面，锂电管理系统可以集成到UPS管理系统，电池管理与UPS管理系统是一套完整的系统。锂电管理系统可以将电池信息上传至UPS系统，配合华为UPS与网管系统，实现电池智能管理，减少检测频率，做到锂电运行状态随时可查、可管、可控。

结束语

锂离子电池采用率较低的原因一是初始成本较高，二是对其安全性不放心。但我们相信，随着锂离子电池技术的成熟和制造业产能的增长，更多供应商开始进入磷酸铁锂电池UPS应用领域，而最终用户对数据中心全生命周期实践的认知，将会为锂离子电池的部署进行越来越多的规划和预算。数据中心的储能变革已在进行时。