1 电池的发展历史及其在数据中心的地位
　　
　　当今IT行业的发展可谓日新月异,但储能电池却成了所有IT设备发展的一个主要瓶颈,因为很久以来电池的能量密度很难像芯片的摩尔定律一样定期升级翻倍。在数据中心,我们采用大量的铅酸免维护电池作为UPS备用储能,作为数据中心供电的最后一道防线,所有的负载安危都寄托在电池的可靠性上,但实际应用中我们发现30%以上的数据中心负载掉电是由于电池失效引起的。
　　
　　自从1859年法国人普兰特发明铅酸电池以来,铅酸电池技术发展非常缓慢,基本上没有大的突破。对于所有数据中心管理人员来说,铅酸电池始终是一个令人头疼却又不得不面对的事实。它对应用场景的要求很苛刻:环境温度既不能过低也不能过高;电池既怕经常放电又怕总不放电;使用时既不能快速充电还不能快速放电;需要独立的电池房间以避免酸雾侵蚀其它设备,电池占地空间巨大,楼板承重要求极高。
　　
　　随着市电供电环境的日趋改善,以及数据中心供电系统的高度冗余化设计,UPS配套蓄电池很少有真正发挥放电作用的时候。但却依然需要服务工程师定期维护和充放电以激活其性能。为了能够了解蓄电池这个“黑盒子”的真实性能,有些客户还专门配置了在线监测装置,以便实时了解每一只蓄电池的状态。所有这些措施都是为了让蓄电池在关键时刻能发挥作用,但是我们为此付出的代价似乎太大了。
　　
　　最近10年,以锂离子电池(Lithium IonBattery,以下简称锂电池)为代表的新型储能电池已经在消费电子领域占据90%以上市场。而伴随着电动汽车行业的高速发展,今天的锂电池成本已经比5年前下降了70%。另一方面,自2016年以来席卷中国的环保风暴,已经使全国近80%的中小规模铅酸蓄电池工厂关闭,铅价成本的逐年上涨也使得铅酸电池成品价格水涨船高。这种此消彼长的趋势已经逼迫大多数铅酸电池工厂部分转型生产锂电池,因为这场储能技术的革命给整个铅酸电池行业带来的压力是致命的,不转型就会被淘汰。
　　
　　2 锂电池在全球数据中心的应用
　　
　　根据Uptime在2017年所做的全球数据中心调研显示10%的数据中心已经采用了锂电池作为后备能源。施耐德电气预计未来3年锂电池的年均增速都将超过100%。与铅酸电池相比,锂电池具有无可匹敌的技术优势(图1)。
　　
　　(1)韩国
　　
　　在韩国,得益于三星/LG/SK等锂电池厂商的推广,锂电池在储能和数据中心领域早已得到广泛应用,据了解目前韩国已有近80%的新建数据中心UPS采用了锂电池。2012全球第一个锂电池数据中心——新韩银行(Shinhan Bank)投入使用,其中采用了34台施耐德电气500KVA UPS和1万多只三星锂电池,迄今没有任何电池故障。
　　
　　(2)日本、新加坡、香港
　　
　　在日本、新加坡、香港等寸土寸金的地区,用户对于电池的占地空间和重量更为关注,由于锂电池的能量密度是铅酸电池数倍,其占地空间比铅酸电池减少了60%以上,省出的宝贵机房空间可以摆放服务器机柜来出租盈利(图2)。同时锂电池的重量比铅酸电池轻70%以上,因此可以大大减轻对于楼板承重的压力,对于由写字楼改造而成的数据机房而言,承重改造费用得以大幅缩减。
　　
　　(3)印度
　　
　　在印度,由于市电供电不稳定导致电池经常充放电,且环境温度高,普通铅酸电池2~3年就要更换,而使用锂电池后由于其对高温适应能力更强、放电后能快速回充、循环次数4倍于铅酸电池,因此在印度这样对价格及其敏感的市场上,尽管锂电池价格是铅酸电池的两倍以上,却依然受到用户和顾问公司的广泛认可。例如全球最大的搜索引擎公司、饮料公司和日用消费品公司在印度的数据中心均采用了施耐德电气VX UPS+锂电池的配置方案。
　　
　　(4)北美市场
　　
　　在北美市场,客户更加理性地关注数据中心的TCO(总体拥有成本),因为相对于硬件的初始购买价格来说,设备后期的维护和更换成本(OPEX)花费更大。数据中心UPS的设计寿命通常为10年以上,而其配套的铅酸电池虽然标称设计寿命10年,但通常在第5～6年就要更换一次,因为在铅酸电池使用后期其使用容量会呈现断崖式跌落,铅酸电池在剩余容量到达80%时即宣告报废。而锂电池即使在使用10～15年后其剩余容量依然达到80%以上(图3),其容量衰减是一个近似线性的渐变过程,我们建议锂电池至少可以使用到70%容量。鉴于锂电池的长寿命设计和高循环次数,在UPS10年生命周期内都无需更换,而铅酸电池至少要更换一次,
　　
　　仅此一项即可抵消锂电池不到2倍的成本压力。锂电池均自带三级BMS(电池管理系统),因此可以实现对每一只电芯、模组、机架和系统进行在线智能管理。只需一台电脑就可以通过BMS实时了解电池的电气状态和健康趋势,省去了服务工程师到现场逐只测量的繁重工作(图4)。铅酸电池需要定期进行充放电,以便激活电池性能和防止电池极板钝化,而锂电池则无需进行这些复杂的维护操作,用户由此可以降低运营成本。
　　
　　(5)中国
　　
　　在中国,UPS改用锂电池的趋势将更加迅猛。锂电池行业采用的都是高度自动化的产线,产能决定成本,这是一个近乎胜者通吃的行业。作为全球最大的锂电池生产国,近几年各厂商都在大力扩产,但由此带来的结果就是整个行业产能严重过剩,随着中国政府对于电动汽车的补贴日渐缩减,锂电池行业亟待开拓新的应用增长点,诸如风光储能、电网调频调峰、通信电源、UPS备用电池等将成为锂电池市场的新宠。
　　
　　3 中国用户对于UPS配置锂电池的关注
　　
　　通过以上介绍可以看出,锂电池各项性能指标都已经远远优于铅酸电池。可以预期的是今后几年锂电池的价格将逐年走低,与之相反的是铅酸电池价格逐年走高,整个UPS行业用锂电池全面替代铅酸电池已经是不可避免的了,只是时间问题。除了采购价格因素外,目前中国客户在选择UPS锂电池的关注点还是集中在安全方面。
　　
　　由于锂电池的能量密度是铅酸电池的3倍以上,因此如果缺乏合理的电气保护设计和BMS管理,锂电池失控带来的后果将远大于铅酸电池。最近各地报道的一些电动自行车充电着火等报道更是加重了用户的担忧。造成这些问题的原因在于很多电动自行车/摩托车过分压低成本,采用了低质量的锂电池和设计粗糙的BMS,从而导致电池在充电时热失控而发生燃烧事故。作为数据中心里面最大的储能部件,锂电池的安全很大程度上取决于以下四点,建议用户在选型时重点关注:
　　
　　①高质量的电芯生产和质量管控;
　　
　　②完善的BMS的设计;
　　
　　③锂电池的化学材料;
　　
　　④锂电池与UPS的兼容性测试。
　　
　　4 高质量的电芯生产和质量管控(图5)
　　
　　锂电池的生产线都是高度自动化的,只有通过高质量的生产工艺管控才能保证电芯的高品质和高度一致性。目前全球顶级的锂电池制造商如韩国的三星/LG,日本的松下/东芝,都已经采用了先进的自动化产线,年产能都已超过10GWh。
　　
　　锂电芯生产完毕后,需要再将多只电芯通过串并联组成电池模组(俗称Module),这一过程中需要将电池的正负极端子进行连接,大厂商通常采用的是激光焊接机进行端子的焊接,以减少接触电阻,保证端子连接的可靠性。而小厂商则普遍采用手动螺栓螺母压接的方式,难以保证端子的可靠连接,可能给将来的长期运行带来隐患。
　　
　　由于锂电池的严格质量管控,加上自身循环寿命相比铅酸电池有了很大的提升,因此在数据中心领域,很多大品牌的锂电池可以做到10年质保。
　　
　　5 完善的BMS设计是锂电池系统安全的核心技术
　　
　　铅酸电池厂商通常都不生产BMS(电池管理系统),BMS在铅酸电池时代属于一个豪华配置,只有银行之类的高端客户才会舍得花费蓄电池额外10～20%的成本来加装BMS,当然这对于用户实时了解铅酸电池的健康状况是非常重要的,但缺点是铅酸电池BMS只能看而不能控制。
　　
　　所有的锂电池都是标配BMS的。目前国际一线品牌的锂电池厂商例如三星/LG等都是自己设计生产BMS,以确保自己电芯和BMS的性能匹配和充放电安全。当电池发生任何过压充电、过流放电、电池短路等故障时,通过BMS可以迅速切断故障电流,防止电池发生热失控风险。可以说BMS才是整个锂电池系统安全的核心技术所在。
　　
　　锂电池BMS不仅要实时监测每个电芯的电压电流温度等状态,提供电池健康趋势分析,更重要的是它可以主动平衡电芯的充放电,最终改善各个电芯的一致性,避免因为木桶短板效应导致的整组电池失效。而这些都是铅酸电池BMS所不具备的。图6给出了铅酸电池BMS和锂电池BMS的比较。
　　
　　6 锂电池的化学材料
　　
　　图7给出了锂电池的结构图。锂电池有很多流派,例如钛酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元锂(NCM)、镍钴铝三元锂(NCA)等,这些指的都是锂电池的正极材料,每种化学材料都有其适合的应用场景。对于数据中心UPS而言,由于其短时间大电流放电、放电功率大、长期备电浮充等应用特点,比较适合的是磷酸铁锂、锰酸锂、NCM三元锂技术。
　　
　　纵观全球锂电池市场,日韩系主要是以三元锂和锰酸锂为主。而中国市场由于专利技术和政府引导等因素,多数厂商是以磷酸铁锂开始起步的。但近几年由于中国政府对电动汽车补贴门槛的提高,加上磷酸铁锂的能量密度已经很难再向上突破,因此绝大多数厂商都已经逐步转向三元锂技术,2017年中国电动乘用车市场上三元锂已达到76%市场占有率。
　　
　　在铅酸电池时代,UPS所使用的铅酸电池占了整个行业的近20%;但进入锂电池时代后,UPS所使用的锂电池只占整个锂电池行业的2%都不到。锂电池的使用大户依然是IT电子消费品、电动汽车和ESS储能为主,因此这些行业的锂电池技术走向就直接决定了UPS锂电池的方向。
　　
　　市场上关于三元锂和磷酸铁锂的能量密度及安全性争论不休,但不可否认的是,这些争论只是局限在了锂电池正极材料理论性能的一个方面。锂电池系统的安全,需要综合考虑负极材料、电解液、隔膜材料、电芯外壳封装、电池模块成组、BMS、熔丝保护、直流断路器、生产制造工艺水平、质量管控等众多因素。由于锂电池正极材料而产生的问题还不到所有锂电池系统问题的10%。
　　
　　对于UPS锂电池的选择是应该是安全性、能量密度、成本的综合权衡,选择大品牌公司的锂电池系统才能得到可靠的质量保障。
　　
　　7 锂电池与UPS的兼容性测试
　　
　　UPS可以采用各种品牌的铅酸电池,但对锂电池则不可以,因为锂电池是自带BMS的,是一种智能型电池,具备自我管控能力,并与UPS主机进行通讯。当锂电池充满电后它会自动从UPS充电器上脱开,传统的UPS软件设计可能会认为这是电池故障而发出告警。
　　
　　不同材质的锂电池充放电电压、电流,截止电压等都不相同,例如磷酸铁锂电芯的额定电压是3.2V,而三元锂则是3.8V。因此我们绝对不可以简单地说UPS可以适用锂电池,而只能说是适用某个品牌的某款锂电池。在使用锂电池前UPS需要与之进行严格的匹配测试才可以,并需要针对这款锂电池对UPS更新固件(Firmware)。施耐德电气公司近年来上市的UPS都已经具备了锂电池的兼容性。
　　
　　UPS采用的高倍率锂电池可以进行短时间大电流充放电(图8),与此对应的是UPS充电器设计也需要适应这一变化。传统UPS充电器功率仅为UPS输出额定功率的10%～15%,但施耐德电气新型GalaxyV系列UPS充电功率可达UPS输出额定功率的40%,如此强大的充电器理论上可在30min～1h内将锂电池快速充满。
　　
　　8 结束语
　　
　　̶̶锂电池在数据中心的应用瞻望随着锂电池技术的成熟完善和成本日益优化,数据中心UPS将快速地完成从铅酸电池向锂电池的转换,这将让数据中心管理者重新规划灰区和白区布局。未来锂电池将不仅仅是作为UPS短时间后备延时,其强大的循环放电性能将会延伸出更多应用,例如借助UPS+锂电池实现削峰填谷和峰谷电价差盈利,甚至不排除通过储能式集装箱来部分取代柴油发电机组,让我们拭目以待这场新能源为数据中心带来的技术革命。
　　
　　(本文由施耐德电气信息技术《大施专栏》推荐)
　　
　　作者简介
　　
　　张学文,施耐德电气集团新储能业务亚太区产品经理,电力电子高级工程师,在电能质量保护领域成绩斐然。现致力于新型锂电池系统在施耐德电气UPS电源和工业储能中的应用。
　　
　　编辑：Harris