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。

阀控式铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池相比较

磷酸铁锂电池价格优势将逐步凸显,未来储能将是磷酸铁锂重要的潜在市场。

据悉,与三元路线相比,磷酸铁锂在使用寿命、安全性、快速充放等方面具备明显优势,更适用于储能市场。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。

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。

UPS 蓄电池

铅酸电池

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。

磷酸铁锂电池在UPS电源供电系统中的应用

在目前较为成熟的储能应用中,磷酸铁锂电池分布式储能电源,早已被广泛运用到通信基站、用户侧削峰填谷、离网电站、微电网、轨道交通、UPS甚至家庭储能等多个场景。预计到2020年,我国储能市场累计装机规模将超过50GW,有望为磷酸铁锂电池需求带来显著增量。

5G面临一个相当“不利”的发展因素——5G基站的功耗可能将数倍于4G基站,同时对电源系统提出了极大的扩容需求。目前锂电池主要应用于4G小基站,大型储能基站仍然以铅酸电池为主。由于5G设备的功率相比4G更大,这相应地意味着运营商当前几乎所有的机房都必须对电源系统进行改造以保证电力供给,包括开关电源、蓄电池、电源线都得重新更换。

铅酸电池由于污染和性能渐渐不能适应通信基站的要求,逐步淘汰。但在选择替代能源时,也初步出现了新的问题。如正在大面积使用的储能磷酸铁锂电池,运营商们在白热化竞争及技术发展中,不断追求低成本,采购低廉锂电池是最直接有效的降成本方式。在升级至5G后,基站系统中磷酸铁锂电池性能将大大影响网络信号稳定程度,这关系到用户使用状况及体验,运营商对电池一致性、稳定性要求也更高。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。

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,显著降低成本。

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。

铁塔公司在2018年已停止采购铅酸电池基站电源,改为统一采购梯次锂电池。据铁塔公司规划,2019年其将继续扩大梯次锂电使用规模,预计将替换铅蓄电池15万吨,将消化退役动力蓄电池超过5万吨。虽然基站电源领域是传统铅蓄电池需求方,但是由于国家政策指向性转换,将使得这一领域增速向锂电梯次利用转变。

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