摘要：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静态数据中心UPS中的电池呢?其原因在于，与所有其他的应用一样，锂电池在静态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。

　　1 概述

　　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静态数据中心UPS中的电池呢?其原因在于，与所有其他的应用一样，锂电池在静态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供应商提供了现实的方案。这些改进很大程度上是出于电动汽车产业提出的要求。图1为应用于三相UPS的锂电池示例。

图1 用于三相UPS应用的锂电池(左)和柜内连接的多个模块(右)的锂电池模块

　　(1)锂电池具备诸多优于阀控铅酸蓄电池的优势

　　①UPS使用寿命内电池更换次数较少(可能无需更换)，从而消除电池更换造成的宕机风险;

　　②同等能量下，重量为铅酸蓄电池的四分之一;

　　③放电次数是铅酸蓄电池的 10 倍，取决于化学成分、技术、温度和放电深度;

　　④自放电率约为铅酸蓄电池的五分之一(即不使用时，电池放电迟缓);

　　⑤在多种主要断电场景中，充电速度提高4倍以上。

　　(2)相比阀控铅酸蓄电池，锂电池也存在两大主要缺点

　　①由于较高的制造成本加之必要的电池管理系统成本，投资成本约为等能量铅酸蓄电池的2~3倍;

　　②运输法规更严格。

　　除此以外，人们更关心锂电池的安全性。除了使用状况方面的外部因素，锂离子电池的安全性主要取决于基本的电化学体系以及电极/电芯的结构、设计和生产工艺等内在因素，而电芯所采用的电化学体系则是决定电池安全性的最根本因素。锂离子电池的不安全行为(包括电池在过充过放、快速充放电、短路、机械滥用条件和高温热冲击等情况)容易触发电池内部的危险性副反应而产生热量，直接破坏负极和正极表面的钝化膜，从而产生锂电池的不安全性。所以，在加强内在因素的管理和外在因素的正确运维，锂电池的安全性正逐步得到保障。

　　下面将对这铅酸电池和锂电池电池之间的特性差异以及投资成本、运行成本和总拥有成本(TCO)进行分析，并讨论锂电池用于改造及其在新静态UPS中的应用。最后，阐述温度对于电池寿命、运行时间和制冷的影响。

　　2 铅酸电池和锂电池电池之间的特性差异

　　(1)能量与功率在不同储能技术以及对运行时间的相应影响

　　UPS应用要求使用能够提供长达 5~10min以上后备时间的大容量的电池。因此，UPS应用锂离子，其化学成分和技术应能够在短时间内提供大电流，同时保证安全的内部电池温度。相较于铅酸电池，锂电池的化学成分提供更高的单位重量能量和功率。就这一点而言，锂电池和铅酸蓄电池之间的主要差异是5~10min运行时间之后，电池剩余多少容量。

　　动力电池旨在利用几乎全部的电池容量的同时，短时间内提供相对较大量的功率。以UPS应用为例，动力电池解决方案在满载下可提供 1～2min的运行时间，同时放出约80%的电池容量。而能量电池旨在长期提供相对较小量的功率。在UPS应用中，能量电池解决方案在上述相同的时间内提供等量功率，但是仅放出10%~30%的电池容量。图2显示了能量与功率在不同储能技术以及对运行时间的相应影响方面的关系。每条线向下弯曲代表在较短运行时间内电池提供满容量受到的限制。注意铅酸蓄电池和锂电池的能量密度和功率密度的相对位置。

图2 能量与功率在不同储能技术以及对运行时间的相应影响方面的关系

　　(2)寿命

　　使用寿命是电池在到达 80%能量容量之前能够持续的预计时间，这是电池寿命结束的典型定义。使用寿命是指电池在指定应用的“实际”条件下运行，因此差异较大。相比之下，日历寿命是指如果电池在规定温度(通常25℃(77°F))无断电情况下仍能以微电流充电时能够持续使用的预计时间。铅酸蓄电池的使用寿命范围为3至6年，而锂电池的使用寿命可长达10年(利用加速寿命试验获得的预计时间)。

　　(3)占地空间

　　由于锂电池具有较高的能量密度，因此它的占地空间或容积小于VRLA电池。空间节省对于托管数据中心或不动产成本较高的数据中心来说具有特别的吸引力。

　　(4)重量

　　与占地空间类似，锂电池较高能量密度也使得其重量比VRLA电池更轻。重量轻有助于降低运输成本。

　　(5)法规

　　包括锂离子或VRLA在内的任何类型的电池运输均有着不同的法律法规。由于某些化学成分具有较高的能量密度和高挥发性，因此这些运输法规对于锂离子化学成分的要求更为严格。

　　另外，电池监测电池监测系统(BMS)通常作为传统VRLA电池解决方案的附加设备。一些数据中心运营商会购买BMS来延长电池系统的使用寿命。但是，锂电池配有BMS，因为这些电池需要完全控制充电和放电，以防止锂电池内出现不安全温度。

　　3 铅酸电池和锂电池电池之间的成本分析

　　在某些数据中心投资中，愈发普及的是使用总拥有成本作为衡量标准，例如制冷系统节能冷却模式和UPS电池投资。相比于VRLA电池，锂电池的某些动力电池化学成分和技术在10-15年期内提供有利的总拥有成本。这是UPS需要更换之前的典型寿命范围。需要提及的是，一些锂电池成本研究可供使用，但由于各种不同的原因并一定完全有用：

　　①它们专注于电动汽车或着长时间应用，这适合于能量电池而不适合于用于 UPS 应用的动力电池;

　　②它们是将相互竞争的锂电池成本进行比较，而不是与VRLA电池进行比较;

　　③它们不提供 UPS 应用规定的特定锂离子化学成分和技术;

　　④它们还关注投资成本而不是总拥有成本。

　　由于缺乏针对 UPS 应用的上述动力电池成本的研究，我们主要依靠动力电池厂商针对两个特定的三相UPS系列Symmetra MW和Galaxy提供的数据。下列章节分析了1MW UPS应用在10年期间的资本支出、运营支出和总拥有成本。

　　(1)与总拥有成本分析相关的电池属性(表1)

　　表1 与总拥有成本分析相关的电池属性

电池属性	阀控铅酸蓄电池	锂电池
化学成分	铅酸	LMO/NMC
额定功率容量	1MW	1MW
25℃(77°F)时的运行时间	6分钟	6分钟
25℃(77°F)时的日历寿命	5年	17年
25℃(77°F)时的电池使用寿命	4年	12年
电池占地空间	5.4m2(59平方英尺)	2.2m2(23平方英尺)
电池重量	11,340kh(25,000磅)	2,767kh(6,100磅)
微电流充电的固定损耗(以额定UPS容量的百分比表示)	0.2%	0.1%
电池材料成本	0.06美元/瓦	0.12美元/瓦
电池管理系统成本	包含在电池成本	包含在电池成本

　　(2)用于总拥有成本分析的假设条件(表2)

　　表2 用于总拥有成本分析的假设条件

假定条件	阀控铅酸蓄电池	锂电池
寿命终结前电池需要更新的年数	第4年和第8年	不需要
公司成本	0.15美元/千瓦时	0.15美元/千瓦时
租赁月成本	32美元/m2	32美元/m2
面积(含维护空间)	18 m2	9.5 m2
安装成本	0.012美元/瓦	0.012美元/瓦
322千米(200英里)的电池运输成本	0.55美元/千瓦	0.37美元/千瓦
维护	10%	1.5%
每千瓦放热，制冷消耗0.33千瓦能量	0.33千瓦/千瓦	0.33千瓦/千瓦
成本	5%	5%

　　在表1和表2给出的相关属性和假定条件下，来提供资本支出、运营支出和总拥有成本。

　　(3)资本支出

　　在第 0 年时的初始电池支出包括电池材料成本、安装成本和运输成本。表 3 列出了这两种电池解决方案的资本支出明细。

　　表3 资本支出明细

资本支出	阀控铅酸蓄电池	锂电池	变化百分比
电池材料成本	60．000美元	120.000美元	锂电池的资本支出比VRLA电池多出一倍
安装成本	12.000美元	12.000美元	两种电池支出相同
运输成本	549美元	366美元	锂电池的运输成本比VRLA电池少33%
总计	72.549美元	132.366美元	锂电池的资本支出比VRLA电池多82%

　　(4)运营支出

　　电池的运营支出于第一年开始计算，直至第 10 年。电池维护、场地租赁和能源成本每 年都会产生，而电池更换成本在第 4 年和第 8 年时产生。表 4 列出了这两种电池解决 方案的运营支出明细。

　　表 4 两种电池解决 方案的运营支出明细

运营支出	阀控铅酸蓄电池	锂电池	变化百分比
电池维护	46.330美元	13.899美元	锂电池的运营支出比VRLA电池少70%
场地租赁成本	54.597美元	28.368美元	锂电池的运营支出比VRLA电池少48%
用电成本	26.989美元	13.495美元	锂电池的运营支出比VRLA电池少50%
电池更换	108.790美元	0美元	锂电池的运营支出比VRLA电池少100%
总计	236.706美元	55.762美元	锂电池的运营支出比VRLA电池少76%

　　(5)总拥有成本

　　10 年期总拥有成本需考虑上述的资本支出和运营支出。锂电池解决方案 10 年总拥有成 本比 VRLA 解决方案低 39%。与第 0 年的较高锂电池资本支出，仅需 3.4 年就可以实 现投资回报。表 5 列出了两种电池解决方案的总拥有成本明细。

　　表 5 两种电池解决方案的总拥有成本明细

总拥有成本	阀控铅酸蓄电池	锂电池	变化百分比
资本支出	72.549美元	132.366美元	锂电池的资本支出比VRLA电池多82%
运维支出	236.706美元	55.762美元	锂电池的资本支出比VRLA电池少76%
总计	309.255美元	188.128美元	锂电池的总拥有成本比VRLA电池少39%

　　4 锂电池在新UPS中的应用

　　2018年是在中国数据中心领域采用锂电池的元年，在电动汽车市场以及储能市场需求的推动下，锂电池价格快速降低，其全生命周期TCO(拥有总成本)已经低于传统铅酸电池25%~40%。在电性能、体积、重量、使用寿命、环保安全等方面锂电池也优于铅酸电池，为数据中心UPS供应商提供了更理想的蓄电池技术选择。

　　锂电池相比铅酸电池具有更快充电和更快放电的能力，传统的大功率UPS配套铅酸电池，只提供10%~20%的电池功率，但为发挥锂电池的快充能力，施耐德电气的大功率UPS系列(Galaxy VM、Galaxy VX等)将电池充电功率提升到了35%~40%，实现快速充电，尽可能的保证系统处于满电状态，从而提高UPS系统的可用性。图3为Galaxy VX的实物图。

图4 Galaxy VX的实物图

　　锂电池快放的能力使得锂电池在短时间放电的情况下可以比铅酸电池放出更多的能量，这个特点使得锂电池特别适合于大功率UPS系统(1000~1500kW系统)7~15min的短时间放电的应用场合。在这种情况下，配置锂电池的采购成本甚至与配置铅酸电池相当。国外数据表明，大型IDC项目已经有30%在设计中采用锂电池。

　　5 结束语

　　通过施耐德电气对为期10年的TCO分析显示，锂电池的TCO比铅酸蓄电池低25%~40%。除降低TCO外，锂电池能带来更多优势：UPS使用寿命内电池更换次数较少或无需更换，以避免电池更换造成的宕机风险;同等能量下，重量为铅酸蓄电池的四分之一;循环放电次数是铅酸蓄电池的10倍;自放电率约为铅酸蓄电池的五分之一;在多种主要断电场景中，锂电池的充电速度快4倍以上。

　　凭借在数据中心UPS行业的领先专业能力，施耐德电气拥有多款可完全兼容锂电池技术的大功率UPS产品，并为用户带来诸多优势性能并有效降低TCO：体积降低50%，优化灰白区配比;重量降低60%，省却楼板加固;10年质保，终生无需更换;可在0~40℃工作，无需空调;内置BMS，实现单只电池控制;无铅环保，显著降低碳足迹，从而轻松解决客户面临的未来能源需求变化挑战，满足客户不断增长的业务可持续性需求。

　　作为数据中心基础设施和服务的全球领导者，施耐德电气将继续以前瞻性理念和无限技术突破，为不同行业的数字化发展赋能高能效、高可靠、高可用的电力基石。

　　责任编辑:DJ编辑