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探討磷酸鐵鋰電池在UPS的應用

來源:機房360 作者:武亞波 王波?? 更新時間:2018/12/14 16:02:37

摘要: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?

  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。

  1、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。

  2、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。


圖1 LiFePO4電池內部結構

  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。


圖2 LiFePO4晶體結構

  3、 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。

  4、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。

  表1


  5、磷酸鐵鋰電池產品檢測

  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


表2(700Ah)磷酸鐵鋰電池檢驗報告

  6、磷酸鐵鋰和閥控式鉛酸電池的性能比較

  (見表3)


表3磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池性能比較

  7、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)。


圖4 電池組間歇式充放電管理示意圖

  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。

  8、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。


  華為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,華為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,華為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。華為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。

  作者:武亞波 聯通河北公司 電源工程師

  王波 華為數據中心 UPS解決方案營銷總監

  責任編輯:DJ編輯

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