鉅大LARGE | 點擊量：548次 | 2021年05月25日
磷酸鐵鋰離子電池數據中心配電系統中的應用前景分
以磷酸鐵鋰離子電池為研究對象，介紹了其基本結構和工作原理，對其常溫倍率特性、高溫容量特性和低溫容量特性等進行了測試。根據測試結果，結合數據中心供電系統的需求和特點，分析了磷酸鐵鋰離子電池在數據中心配電系統中應用的前景。
1引言
據《2016年我國新能源動力鋰電池產業發展報告》[1]的統計數據顯示，預計至2022年，鋰離子電池總需求量和市場規模將分別達到54.9GWh和267億美元，未來十年年均復合上升率分別為37.0%和31.6%，市場規模占比將迅速提升至63%左右。而我國已成為全球鋰離子電池發展最活躍的地區。
由于磷酸鐵鋰離子電池有著出色的結構穩定性、安全性能以及較長的使用壽命，因而已經在電動汽車等動力系統領域中占有了重要位置。在通信等要高可靠性備用電源的場合，已經有了在移動通信基站應用的相關研究[2,3]。
數據中心供配電系統廣泛使用UPS設備，其配套蓄電池目前重要使用鉛酸閥控蓄電池，使用鋰離子電池的案例較少。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
本文對磷酸鐵鋰離子電池在數據中心中的應用可行性和前景進行了分析，對數據中心后續關于鋰離子電池的應用有一定參考意義。
2磷酸鐵鋰離子電池工作原理
鋰離子電池內部重要由正極、負極、電解質及隔膜組成。正、負極及電解質材料不同及工藝上的差異使電池有不同的性能，并且有不同的名稱。按正極材料區分，可分為鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰(LiMn2O4)、鎳酸鋰(LiNiO2)、三元材料、磷酸鐵鋰（LiFePO4，簡稱LFP）等；按電解質區分，可分為液體電解質、固態聚合物電解質、凝膠型聚合物電解質。磷酸鐵鋰離子電池即是指正極材料為磷酸鐵鋰，采用液體電解質的鋰離子電池。
磷酸鐵鋰離子電池采用橄欖石結構的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極端子連接，采用由碳（石墨）組成的電池負極，由銅箔與電池的負極端子連接，利用隔膜將正極與負極隔開，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，為鋰離子運動供應運輸介質。磷酸鐵鋰離子電池除了上述極板、隔板、電解液等，還包括外殼、安全閥、端子等，
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，但不會引起材料晶體結構的破壞。
3磷酸鐵鋰離子電池重要特性
3.1常溫倍率性能
倍率特性反映了電池不同電流放電容量的穩定性，是衡量電池大電流放電能力的指標之一。對磷酸鐵鋰離子電池樣品的倍率實驗按如下步驟進行：
（1）按照電池樣品廠家推薦的充電方法充滿電后，靜置2小時；
（2）以1/3C倍率電流進行放電至給定的截止電壓，并在放電過程中計量累計放出的容量，將此放電容量作為電池的額定容量；
（3）按照電池樣品廠家推薦的充電方法充滿電后，靜置2小時；
（4）電池在滿電狀態下分別以不同倍率進行放電至給定的截止電壓，并在放電過程中計量累計放出的容量和電壓等參數；
（5）重復（3）和（4），得出電池樣品在不同放電電流下的電壓與放電容量百分比關系圖，
在不考慮電池制造工藝以及溫度因素的影響下，電池以恒定電流放電滿足Peukert等式：
其中是放電電流；是以電流放電的總時間；是電池時間常數，和電池的類型有關；假如含義為標準放電電流下的放電容量，那么Peukert方程式可寫為：
由Peukert方程可知，電池常數越接近于1，其放電容量受放電電流的影響越小，不同倍率放電容量穩定性好。由圖2可知，磷酸鐵鋰離子電池1C放電容量是1/3C放電容量的96.3%，具有較高的放電效率，1C內放電容量穩定性好。
參考《通信電源設備安裝工程設計規范》（YD/T5040-2005）中的相關數據，目前數據中心廣泛使用的鉛酸閥控蓄電池放電容量系對磷酸鐵鋰離子電池進行45℃環境的高溫性能測試，測試方法如下：將電池放置45℃溫箱中，擱置5小時，按照電池廠家推薦的充電制度進行充電，然后對電池進行1/3C放電。
一般地，與常溫相比，電池在高溫環境中放電電壓較高，且放電容量有所新增，這是因為高溫時反應物活性較高，電池反應充分，但高溫時電池副反應亦隨之新增，對電池性能造成不可恢復的影響，顯著降低電池使用壽命，因此，為了使電池維持良好的性能，在使用過程中環境溫度應控制在一定范圍內。由圖3可知，磷酸鐵鋰離子電池在45℃環境下具有很高的放電效率，且電壓平臺有所升高。
而傳統的鉛酸電池關于環境溫度的要求一般較高，在《電子信息系統機房設計規范》（GB50174-2008）中要求，電池室內溫度控制范圍為15℃~25℃。從以往的維護相關經驗來看，鉛酸電池在環境溫度較高的情況下極有可能出現電池失效的問題。
3.1低溫容量性能
對磷酸鐵鋰離子電池進行0℃環境的低溫性能測試，測試方法如下：按照電池廠家建議的充電制度對電池進行充電，充滿電后，將其放置在0℃溫箱中，靜置16小時，然后對電池進行不同倍率的放電實驗，當電池電壓降至放電截止電壓時，停止放電。測試結果如圖4所示。由圖可見，低溫條件下磷酸鐵鋰離子電池放電容量明顯減少，與常溫相比放電容量減少了22%。
3.1能量密度情況
參考某型號磷酸鐵鋰離子電池，其重量能量密度（kWh/kg）和體積能量密度（kWh/L）與一般鉛酸電池比較情況。
4磷酸鐵鋰離子電池在數據中心配電系統應用的基本思路
綜合上述實驗結果和磷酸鐵鋰離子電池相關參數，以及數據中心關于蓄電池使用的具體情況對磷酸鐵鋰離子電池在數據中心應用的基本思路總結如下：
（1）合理選擇磷酸鐵鋰離子電池的應用場景
數據中心所使用的蓄電池一般僅在外市電供電中斷、外市電供電閃斷以及主動測試時會放電。因此，磷酸鐵鋰離子電池優越的充放電循環性能并不能充分體現。
此外，數據中心UPS機房或電池間一般均配有空調等制冷或制熱設備，磷酸鐵鋰離子電池高溫穩態特性也無法發揮優勢。
因此，在應用磷酸鐵鋰離子電池時，應重點利用其能量密度較高和常溫倍率性能良好的特點。
（2）適用于機房分布式供電模式或模塊化機房
關于分布式供電系統或模塊化供電機房，由于其單臺UPS功率較小，所以其要的蓄電池容量較小。此外，分布式供電或模塊化機房均要供電設備接近IT設備或與IT設備同機柜安裝，而由此所帶來的承重、空間等問題的限制，采用磷酸鐵鋰離子電池將更能發揮其能量密度較高的優勢。
（3）應用于傳統UPS系統時，仍需更為深入的研究和更為廣泛的測試
UPS及其配套蓄電池組經過多年來的發展，已形成了一整套較為完善的設計、運維規范和標準。而磷酸鐵鋰離子電池僅有工業和信息化部頒布的《通信用磷酸鐵鋰離子電池組第1部分：集成式電池組》（YD/T2344.1-2011）中關于集成式電池組有了一定的參數要求。但是這部分內容僅限于電壓等級48V，常用容量（Ah）：5、10、20、30、40、50的電池，并不適用于常規的交流供電UPS。
若采用這個標準中的磷酸鐵鋰離子電池，則要以48V集成式電池為基礎，采用多個串聯的方式組成可供UPS設備使用的蓄電池組。這種方式勢必要在原有集成式電池管理系統（BMS系統）上再新增管理系統或對原有BMS進行調整。這樣容易導致蓄電池組整體復雜性提高，從而降低可靠性。
（4）磷酸鐵鋰離子電池不可簡單的對在用鉛酸電池進行直接替換
磷酸鐵鋰離子電池的結構決定了其關于充放電截止電壓要求較傳統鉛酸電池有著更為嚴格的要求。一般情況下，鐵鋰離子電池的充電電壓為3.55~3.7V，單體浮充電壓不得低于3.4V；均充模式下，單體電壓不超過3.8V，否則將引起電池的徹底損壞。
因此，磷酸鐵鋰離子電池不同于鉛酸電池無需單獨配置相應的管理系統，其一定要電池管理系統（BMS）來實現關于電池充電過程、放電過程和相應的保護措施等功能。
目前，鉛酸蓄電池均依靠UPS設備來進行充放電的管理，因此假如簡單的使用磷酸鐵鋰離子電池對鉛酸蓄電池進行直接替換，將存在兩種管理模式并存的情況，關于電池組的充放電管理容易出現錯誤邏輯，從而導致電池均衡性劣化等問題。
通過對磷酸鐵鋰離子電池基本性能的實驗測試和分析，其電化學特性較傳統鉛酸電池有著顯著的提高。但目前由于單體容量偏小，其可在小型化、分散化、環境惡劣的場景下使用，并逐步成為鉛酸電池的有效補充。
可以預計，磷酸鐵鋰離子電池的各項優勢將會體現的越來越明顯，其缺點也將隨著技術的進步而逐漸減少。因此，數據中心行業要對磷酸鐵鋰離子電池的特性進行深入研究和合理運用，在實際應用中檢驗磷酸鐵鋰離子電池的應用情況，使數據中心配電系統各組成部分相互匹配，供應綜合效能。
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