不间断电源锂电池技术的应用

摘要：UPS供电系统在各个行业数据中心中起到了重要的电源保障作用，想要为负载提供不间断的供电，就必须具有电能储存的功能。因此电池就成为UPS供电系统的重要组成部分，随着数据中心UPS数量的增多，电池数量也在成比例的增加。电池作为供配电系统的最后保障，其状态的好坏直接影响到负载设备的正常工作。

关键词：数据中心；锂电池；铅酸电池

0引言

目前大中型UPS系统电源供应领域，采用阀控式密封铅酸蓄电池（以下简称“铅酸电池”）的解决方案比例较高。但是铅酸电池占地面积大、能量密度低、可靠性差、使用寿命短等缺点日益明显，使得UPS整体解决方案的可靠性，可用性，灵活性逐渐降低。随着锂电池大量商业用途，锂电池价格有所下降，新型锂电池技术在数据中心行业逐步得到认可。

1锂电池特点分析

电池作为一种储能装置，当充电时，可以将电能转换为化学能储存在电池中，在需要的时候电池放电，将化学能转换为电能使用。锂电池的阳极是碳基材料，阴极为金属氧化物，在有机溶剂中溶解的锂盐作为电解质溶液。铅酸电池的阳极是金属铅，阴极为二氧化铅，采用硫酸溶液作为电解质溶液；铅酸电池放电时，二氧化铅作为主要成分集中在正极，以铅为主的主要成分集中在负极；充电时，正负极的主要成分均转换成了硫酸铅。

目前比较成熟的锂电池技术主要是磷酸铁锂和三元聚合物电池，由于数据中心对安全性有很高的要求，与三元锂电池相比，磷酸铁锂电池具有不易发热、不自燃等特性，因此，当前主流的储能技术都是选用磷酸铁锂电池。下面就是磷酸铁锂电池和铅酸电池优缺点的对比。

1.1 体积能量密度分析

锂电池体积能量密度在200-300W/L，铅酸电池体积能量密度只有60-90W/L，满足相同备电时间要求时，需求的锂电池占地面积比铅酸电池少2/3，有限的空间可以放置更多的电池满足备电需求，同时节省更多空间放置更多的机柜，提升经济效益。

1.2 重量能量密度分析

锂电池重量能量密度在100-150W/kg，铅酸电池重量能量密度只有30-50W/kg，满足相同备电时间要求时，锂电池重量比铅酸电池至少减少三分之二，对楼板承重要求更低，容易选址，结构需求降低。

1.3 浮充寿命分析

在相同电网环境时，锂电池的有效使用寿命高达10到15年，铅酸电池却很短，一般在4到6年，简化运维，降低OPEX，锂电池UPS在其使用寿命内电池可以不更换，从而降低电池更换带来的宕机风险。总体来说其浮充寿命更长，更稳定。两种电池浮充寿命对比如图1所示。

图1 锂电池与铅酸电池浮充寿命对比图

1.4 循环充放电次数分析

铅酸电池的充放电次数通常在350-400次左右，锂电池却可以达到几千次的循环充放电，充放电次数是铅酸电池的3到10倍，同时锂电池可支持大电流充电，充电更快，充电时间可缩短到1-2H，相比铅酸电池快4-5倍。

1.5 绿色环保分析

锂电池是绿色环保的首选，锂电池不含铅、镍、铬等重金属有害物质且无毒，无论在生产还是使用中均无污染，为绿色环保电池。而铅酸电池中却存在着大量的铅，在其废弃后若处理不当，会对环境造成二次污染。

上述几个方面我们明显能够看到锂电池相比铅酸电池有更好的应用价值，但锂电池也存在一个明显的缺点，那就是初期投资会很高。但大多数的业主更加关注数据中心的“总体使用成本”，因为相对初期投入的硬件来说，后期设备的维护和更换花费的成本更加庞大。数据中心UPS的设计寿命一般为10到15年，如果配备的是铅酸电池，通长在5到7年就需要更换一次电池，而锂电池即使在10到15年以后，其容量依然可以达到85%以上。所以在数据中心UPS生命周期内锂电池是不需要更换的，仅此一项就可以抵消初期投入的价格差异。综合对比，新型锂电池技术将成为数据中心新的选择。

2新型锂电池在数据中心的应用

2.1 项目简介

东莞华为团泊洼云数据中心（三期）项目机电承包工程，数据中心楼总建筑面积为87327.71平方米，地上4层，建筑高度为23.8米，机房等级为A级，2800个机柜，单台网络机柜8KW。变电所设置按靠近负荷中心原则，在每个模块均设置独立的高压配电室和低压配电室，其中低压配电室内设置高压开关柜、变压器、UPS及其低压配电柜。在各模块变电所内集中设置不间断电源UPS，配备支持10分钟的锂电池柜，当市电中断时，不间断电源系统能迅速投入UPS电源给负载使用。

2.2锂电池柜介绍

2.2.1锂电池柜的基本布置

传统的铅酸电池UPS系统通常是在数据中心规划建设中设置配套的电池间，用以存放大量的蓄电池，这种方案占用数据中心平面布置大量的空间，不利于提升工艺性能指标。铅酸电池构成的电池间如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示。

图2(a) 铅酸电池  图2(b) 铅酸电池架    图2(c) 铅酸电池间

东莞华为团泊洼云数据中心项目在设计初期就采用了新型锂电池UPS供电方案。其不间断电源要求为锂电池1.2MW/10分钟，利用锂电池占用空间小的优点，将锂电池模块集成到锂电池柜中，再将UPS及锂电池柜集成到低压供电模块中，安装在电力室，其中电力室平面图中云线部分为锂电池柜安装位置。

锂电池UPS系统就是在平面布置中省去了传统电池间，将以往大量的铅酸电池用体积小的锂电池代替，集成到锂电池柜中，根据设计要求容量和供电时间，选择一定数量的锂电池柜，并和UPS一起安装在电力配电室中。优化出的空间可以布置更多的服务器机柜，提高机房服务器机柜容积率占比，根据以往经验可以增加15%-25%的机柜数量。

东莞华为团泊洼云数据中心项目在初期规划建设时就采用这一方案，成功解决了服务器机柜有效利用空间的问题。

该项目根据设计容量选择合适的电池模块进行组合，电池柜内总共安装有16个电池模块，每个电池模块支持多个串联以调整系统电压，单个电池的额定电压为64伏，额定容量为40安时，16个电池模块平均分成两组并联，每8个电池模块串联成1组，一个电力室放置6个电池柜。

2.2.2锂电池柜的组成

将锂电池模块按照容量要求集成到配电柜中，并配有火灾探测消防装置、电池控制与监控装置就形成了锂电池柜。锂电池柜内部组成包括：（1）电池空开（2）监控模块（3）电池控制单元（4）末端压力表（5）电池模块（6）熔丝（7）塑壳开关辅助扳手（8）MDU（9）火探管（10）消防气瓶。

锂电池柜中火灾探测消防装置是由装有灭火剂的消防气瓶、容器阀及能释放灭火剂的火探管等组成，火探管自上而下布置在锂电池模块周围，并考虑置于最可能发生火灾的探测点上方，时刻监视锂电池的平稳运行，当锂电池发生火灾，探测点温度升高，火探管受热并软化爆破，将压力容器中的灭火介质释放到电池柜内，能够快速、准确、高效地探测并扑灭柜内早期火源，将火灾隐患控制在最初阶段。 

锂电池柜中电池控制与监控装置由电池控制单元、监视模块、液晶显示模块组成。其中电池控制单元支持拔插功能，提供电池组功率变换和电池系统管理；监控模块提供电池柜间并机接口；液晶显示模块是提供操作功能的液晶显示屏。

监控显示模块菜单分为三部分：1、状态栏，2、告警栏，3信息显示栏。为操作锂电池的控制和监管提供便捷的界面服务。

主菜单界面在信息显示栏显示的是“系统状态”界面。能够实时监测到锂电池的运行状态，并提供报警功能。

在“系统状态”界面，点击电池柜图形，即可显示不同的“电池柜”界面，可以查看每个电池柜的组成模块信息。如图3所示。

图3 电池柜界面图

2.2.3锂电池柜的原理及维护

由锂电池组成的锂电池柜替代传统铅酸电池构成的电池间作为UPS的新型储能设备，无论从经济还是性能上都得到了优化和提升。锂电池UPS系统设计原理也是将蓄电池更改为锂电池而已，但在其使用寿命上却有质的飞跃。

锂电池柜可以实现快速扩容或维护退出，其前提条件是在线操作时需要配置外接空开，能够控制电池回路断开，如需要多机并机需求时，按照单柜安装方法，将各单柜依次排好，切断外接空开，将电池柜线缆连接至主母排上，同时将通信线缆依次连接形成环路。

2.3 锂电池柜安装

该项目选用的锂电池柜是集成组装式柜体，柜体中有独立的消防报警设施，在消防早期灭火及火灾信号传递中起到至关重要的角色，并且电池柜的消防报警设施不影响电力配电室的消防报警系统的设计。柜体中的消防报警设施安装步骤如以下几点：

1、电池柜设备到场安装前拆除原有气瓶，检查是否损坏；

2、将消防气瓶充满灭火剂并检查气瓶状态；

3、安装检查完毕的消防气瓶；

4、安装气瓶连接部件及火探管；

5、拆除阀门限位结构件，并打开阀门，再装回限位结构件；

6、安装干接点线缆；

7、观察电池柜正面压力表，指针位于绿色区，压力值大于1.6MPa，并且8小时候压力值不变。

在锂电池柜周围需要预留适当的维修及通风空间，电池柜正面至少需要预留0.8米的操作间距，顶部需要留出0.5米~0.6米的接线维护空间。

3 结语

（1）数据中心在空间方面和运行效率上要求很高，体积轻巧的锂电池能减少UPS电源系统的占用空间比例高达45-75%，在其相同功率密度下，空间利用效率更高。

（2）锂电池储能让UPS供电系统变得更加小巧轻便，营运周期更长，同时维护操作更加稳定便捷。据有关数据统计，截止到2026年，锂电池供电技术将占数据中心UPS系统的50%。

（3）从安全性、可靠性方面来讲，锂电池柜有两套相互独立且又相互补充的消防报警设施，一个是其自身柜体内部的，对于早期灭火及火灾信号传递有重要作用；另一个是所处环境电力配电室的气体灭火系统；在双重保护下使得锂电池柜更加可靠安全。

参考文献：

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[3]丁宁翔, 黄旭清. 储能锂电池在数据中心机房应用趋势的分析[J]. 金融科技时代, 2018, 000(010):82-85.

[4]白磊. 探讨锂电池在数据中心的应用[J]. 现代电视技术, 2020, No.225(03):137-140.

【作者简介】

张风光，1989年12月出生于甘肃静宁，2013年毕业于德阳安装技师学院机械制造与自动化专业，中级职称。