鋰電池在各種不同應用中的商用化進程已有20余載。那么，它們何以未被普及用于數據中心UPS中的電池呢?事實上，其原因在于，與所有其他的應用一樣，鋰電池在UPS應用中無法為UPS供應商提供價格、能量密度、功率、安全性和可靠性方面的合理平衡。但在過去10年里，鋰離子化學成分和技術的改進已為UPS供應商提供了可行的方案。這些改進很大程度上是源于于電動汽車產業發展的推動。

在UPS不間斷供電系統中,后備蓄電池組是整個供電系統的最后一道供電保障防線，又是電源維護工作的重點與難點，在系統中斷的事故中，由電池組引發的故障所占比重較大，因此，人們對后備電池技術的變革會更加謹慎。

閥控式鉛酸蓄電池經過幾十年的發展已經被眾多行業廣泛應用，同樣，在數據中心、通信及各類機房UPS亦是首選。然而，隨著信息技術的發展，人們對供電系統的可靠性要求更高，對實現綠色環保的意識更強，為此，對解決閥控式鉛酸蓄電池存在的許多問題就更加迫切。

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，使用一段時間后充放電效率還會下降。

3閥控式鉛酸蓄電池壽命短，設計壽命5-8年，實際使用大多為3～5年。

4運行環境溫度要求高，在溫度超過25度時，環境溫度每提高7～10℃時電池壽命折損一半。

5蓄電池大量采用鉛，其開采、加工和使用過程中均容易對環境造成嚴重污染。

為了解決以上問題，通信行業和一些知名品牌的大功率UPS配置磷酸鐵鋰電池應用在不斷增加，UPS市場一個新趨勢是對數據中心和UPS應用中鋰離子電池的興趣日益增長。與傳統的鉛酸蓄電池相比，鋰離子電池具有更長的使用壽命、更小的尺寸和重量、在更廣泛的環境中運行的能力，以及可大電流快速充放電，耐高溫性能優越，在﹣10℃～﹢65℃情況下仍然能夠正常工作;總體擁有成本(TCO)更優。

磷酸鐵鋰電池內部結構及工作原理

磷酸鐵鋰電池內部結構可分為極板、隔板、電解液、外殼、安全閥、端子等，詳見圖1。


左邊是橄欖石結構的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)組成的電池負極，由銅箔與電池的負極端子連接，中間是隔膜，它把正極與負極隔開，但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，電池的上下端之間是電池的電解質，為鋰離子運動提供運輸介質。

LiFePO4電池在充電時，外界電流從負極流向正極，導致正極中的鋰離子Li+從磷酸鐵鋰等過度金屬氧化物的晶格中脫出，經過液態電解質這一橋梁，通過隔膜向負極遷移，并嵌入碳素材料負極的層狀結構中。正極材料的體積因鋰離子的移出而發生變化，但本身的骨架結構維持不變。

LiFePO4電池在放電時，負極中的鋰離子Li+從碳素材料層間脫出，經過液態電解質這一橋梁，通過隔膜向正極遷移，并嵌入正極材料的晶格中，相應地電流從正極經外界負載流向負極。

磷酸鐵鋰材料為橄欖石型磷酸鹽類嵌鋰材料，晶體結構穩定，充放電過程中不易發生變形或破壞。同樣，鋰離子反復的嵌入和脫出只會引起負極材料的層間距變化，也不會引起材料晶體結構的破壞。鋰離子電池也稱為搖椅式電池。磷酸鐵鋰晶體結構詳見圖2。


磷酸鐵鋰電池產品特點

磷酸鐵鋰電池主要技術要點如下：標稱電壓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以下時性能穩定;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點：

1輸出電壓高：磷酸鐵鋰電池工作電壓范圍：2.5～3.6V，平臺約3.2V;

2安全性強：磷酸鐵鋰正極材料具有良好的電化學性能，充放電平臺十分平穩，充放電過程中結構穩定，可以過放電到零伏。即使電池內部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸、安全性較好;

3高溫性能好：外部溫度65℃時內部溫度則高達95℃，電池放電結束時溫度可達160℃，電池的結構安全、完好;

4高效率輸出：標準放電為2～5C、連續高電流放電可達10C，瞬間脈沖放電(10S)可達20C;

5高循環壽命：經500次循環，其放電容量仍大于95%;

6使用方便：可快速充電;

7環保：整個生產過程清潔無毒。所有原料都無毒。

8非稀有資源：磷酸鐵鋰電池采用磷酸源、鋰源、鐵源為材料，無戰略資源及稀有資源。

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表1。


根據工信產部質檢中心的檢驗報告，19項測試指標均合格，其中主要指標詳見表2


磷酸鐵鋰和閥控式鉛酸電池的性能比較(見表3)


磷酸鐵鋰電池在UPS電源供電系統中的應用

針對磷酸鐵鋰電池的特性，在UPS供電系統設置時，只須把ups給電池組的充電電壓調整到鋰電池所需要的電壓即可。因為鋰電池即便是長期處于充電狀態下，由于自身的IBMS均衡保護功能，電池性能是不容易發生改變的。

智能間歇式充放電管理分以下兩個步驟，如圖：恒流-恒壓充電階段：電池組充電電路根據各單體電池的電壓進行充電控制，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;間歇式補充電階段：電池組完成整個恒流-恒壓充電過程后，電池組由BMS控制進入開路靜置狀態，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，由BMS控制電池組重新進入補充電狀態，補充電方式也遵循恒流-恒壓充電方式;在開路靜置狀態時，若交流電停電，BMS應能控制電池組無延遲進入放電狀態(見圖4)。

T1和T3為充電過程，T1為恒流-恒壓充電階段，T3為間歇式補充電階段;T2為電池組開路靜置階段;T4為電池組放電過程。

UPS與磷酸鐵鋰和密封閥控電池組應用方案及投資比較

舉例說明-數據中心UPS電池容量配置：

電池室空調啟動的環境溫度設定為25℃，UPS系統容量200kVA(396V/425A)，蓄電池放電時間0.5小時。經計算，需配置396V/500Ah鉛酸電池1組，或者396V/200Ah鐵鋰電池1組。考慮同樣的機房承重條件，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，降低機房面積和承重要求，更容易實現分散供電。

鋰電采用三層電池管理系統，從電芯到電池柜、電池柜并聯系統，層層保障鋰電可靠性。華為鋰電管理系統具備電池單體電壓、溫度檢測，單體均流管理，充放電檢測、SOC、SOH管理，告警管理、報表分析等功能。實現電池故障及時識別，早期預警，主動隔離。

其次，鋰電擁有業界獨有的主動均流技術，支持新舊電池柜混用，鋰電柜并柜環流可以控制在2%以下，顯著降低Capex。

在硬件設計方面，鋰電池柜配有斷路器，電池管理模塊配有熔斷器、繼電器，保障出現故障時，快速動作，保護電池。

在運維管理方面，鋰電管理系統可以集成到UPS管理系統，電池管理與UPS管理系統是一套完整的系統。鋰電管理系統可以將電池信息上傳至UPS系統，配合華為UPS與網管系統，實現電池智能管理，減少檢測頻率，做到鋰電運行狀態隨時可查、可管、可控。

結束語

鋰離子電池采用率較低的原因一是初始成本較高，二是對其安全性不放心。但我們相信，隨著鋰離子電池技術的成熟和制造業產能的增長，更多供應商開始進入磷酸鐵鋰電池UPS應用領域，而最終用戶對數據中心全生命周期實踐的認知，將會為鋰離子電池的部署進行越來越多的規劃和預算。數據中心的儲能變革已在進行時。