数字化时代,数据中心成为5G、人工智能、云计算等新一代数字技术发展的数据中枢和算力载体。供电系统做为数据中心的心脏,可以为各种设备提供可靠稳定的动力。而电池又可以算是整个供电动力的生命之源,是备用电源的核心。在电池种类上,锂电池具有能量密度高、放电功率高、循环寿命长、占地小、低承重、无记忆效应、简单维护、可靠稳定和绿色环保等明显优势,在未来必将成为数据中心备电的首选。
　　
　　2021年,全球三大权威咨询机构之一Frost&Sullivan发布了《全球数据中心锂离子电池分析报告》。该报告对锂离子电池应用现状及要求,数据中心锂离子电池市场规模、市场应用场景分析,以及如何提高锂离子电池的可靠性等方面进行了全面的解读与分析。Frost&Sullivan分析认为,2020年,锂离子电池占全球数据中心电池市场的15%,但随着锂离子电池在数据中心应用的不断增加,预计到2025年,这一比例将显著上升至38.5%,见图1所示。
　　
　　一、数据中心应用锂电池的优势
　　
　　主要体现在以下几个方面:
　　
　　1）能量密度高
　　
　　锂电池的能量密度远高于传统的铅酸电池,这意味着在相同体积或重量下,锂电池能提供更长的后备时间或支持更高的负载功率。
　　
　　2）寿命长
　　
　　锂电池的循环寿命长,即使在频繁充放电的情况下,也能保持较长的使用寿命。这有助于减少数据中心的维护成本和降低更换电池的频率。
　　
　　3）环保
　　
　　锂电池不含铅、镉等有害重金属元素,对环境友好。同时,其在使用过程中不会产生酸雾等有害气体,对数据中心的环境影响较小。
　　
　　4）充电速度快
　　
　　锂电池的充电速度比铅酸电池快很多,这有助于缩短数据中心的停电恢复时间,提高系统的可用性。
　　
　　5）充放电温度
　　
　　铅酸电池的适宜充电和放电温度一般介于20～30℃,这个范围内的环境温度敏感性较弱。然而,一旦气候变冷,电池的蓄电效率就可能会相应减弱。尤其是在温度低于15℃的情况下,电池的容量减少更为显著,每降低1℃,其可用容量就会减少大约0.8%。当温度降至零下,电池的功率可能仅为其平均水平的70%。
　　
　　与此相对,锂电池的储能性质对环境温度的反应较弱,它的使用环境温度范围更广,可以在0～60℃。这使得锂电池在更高或更低的工作温度条件下仍能保持相对稳定的性能。由于锂电池的预期使用年限以及耐热属性，它们在极端环境中依然可以维持超过铅酸电池的使用年限。
　　
　　二、目前阻碍锂电池广泛使用的原因
　　
　　1）成本顾虑
　　
　　目前,锂电池的成本仍然高于传统的铅酸电池,曾经达到铅酸电池造价的3倍以上。根据《全球数据中心锂离子电池分析报告》数据,2015年,锂电池高功率电芯价格$350/kWh。2021年,锂电池价格$161/kWh。随着科技进步和生产能力的提高,锂离子电池价格还会稳步下降,2024目前保持在$100/kWh左右。随着技术的进步和规模化生产,锂电池的成本正在逐渐降低,见图2所示。
　　
　　2）安全顾虑
　　
　　尽管锂电池在日常操作中是安全的,但如果处于过度充电、过度放电或者高温环境中,可能会出现如热失控等严重的安全风险。过去几年,国内外有多次报道因锂电池着火引发的数据中心灾害。因此,数据中心在使用锂电池时需要采取严格的安全管理措施。
　　
　　三、如何在信息系统尤其是数据中心中安全应用锂电池
　　
　　笔者从以下几方面抛砖引玉,和大家共同探讨交流。
　　
　　1）锂电池选型
　　
　　为了保证电池可靠性,应选择稳定的电芯材质。数据中心使用的锂电池的主要类型,常见的有磷酸铁锂电池和三元锂电池。磷酸铁锂电池因其高安全性、长寿命和低成本而被广泛使用。磷酸铁锂电池还具有高功率放电特性,能达到4C-6C放电能力。三元锂电池则因其高能量密度及元素活泼的特性,被认为易于出现热失控问题而逐渐被避免使用。具体在数据中心的应用中,选择哪种类型的锂电池还需要考虑数据中心的实际需求,如功率需求、空间限制、成本预算、安全要求等因素,详见表1所示。
　　
　　2）电池Pack设计
　　
　　总体设计原则:需要做好绝缘和可靠热传递。由于电池电芯采用串联方式,需要保证一个电芯出现问题不要影响或较小影响整个系统使用。在设计上,电池间需要做好绝缘,保证电池Pack外壳（带正电）间不发生短路。良好的支撑防止电池鼓包变形，进而防止热扩散、热失控。
　　
　　3）BMS锂电池管理系统设计
　　
　　通过多层级的智能化BMS管理可以提前识别故障、提前维护,将热失控控制在早期,防止火灾发生。可以通过内短路算法来预测电芯的可靠性。在电芯内部短路到一定情况时,通过算法识别出来,从而产生告警提醒使用方及时更换故障电池,防止热失控发生。另外还要注意系统均流控制,可通过控制电池组并联数量（一般不超过四组为宜）、每组电池和主机之间线缆型号和长度保持一致以防止产生不同内阻等方式实现均流。
　　
　　4）冷却方式选择:
　　
　　目前电池冷却方式主要有三种方式:空气冷却、冷板式液冷、全浸没式液冷。三种方式的优缺点见表2。
　　
　　目前浸没式液冷逐渐成为未来冷却的主流方式。浸没式液冷热管理技术是将电池电芯与冷却液直接接触,将电池完全浸没于绝缘冷却液中,并辅助循环系统和制冷系统,利用冷却液作散热介质,将电池产热及时、快速、高效带走,让电芯保持在最佳温度范围之内,有效提升电池的使用寿命,进而提升整个系统的安全性。用通俗的话讲,全浸没式相当于给电池电芯“泡”了个“冷水浴”,而具体用什么“泡”呢?常用的浸没液种类及特点见表3。其中氟化液以它无闪点燃点、热导率高的优点逐渐成为数据中心行业未来冷却液的选择。
　　
　　5）设计布局原则
　　
　　2023年12月15日,中国建筑节能协会正式发布《数据中心锂离子电池室设计标准》。这是数据中心行业首个锂离子电池室的设计标准,旨在推动锂电在数据中心行业的规范化和规模化应用。该标准对数据中心锂离子电池室的环境设计、建筑与装修及设备布置、空气调节与通风及给排水、电气设计、消防设计等方面进行统一规定。锂电池室设计应满足《标准》的各项要求。
　　
　　6）应急措施
　　
　　一旦锂电池出现故障(尤其是热失控),相应的应急措施必不可少。在《数据中心锂离子电池室设计标准》中要求电池宜采用模块化设计,电池模组内部宜安装独立的模组级灭火装置或电池柜级灭火装置,灭火装置应具备自动灭火功能。《标准》对电池室的灭火系统设计给出指导,指出锂离子电池室应采取能够有效灭火且抑制复燃的自动灭火系统。应在单独房间设置电池室,电池柜体应采取封闭式设计。每个柜体设置单独排烟通道,可以增设灭火毯加泡沫等灭火装置,增加多种灭火措施。另外,需要特别强调的是每组电池需加装性能可靠的直流断路器和熔断器,发生故障时能够可靠的分熔断,不要发生电气过热,进而造成火灾。
　　
　　以上是笔者对锂电池在数据中心行业安全应用的拙文管见。数据中心建设和运营业已为发展数字经济,推进数字产业化和产业数字化,推动数字经济和实体经济深度融合提供了设施的保障,锂电池的安全应用必然也将会为未来的数据中心保驾护航。
　　
　　作者简介
　　
　　张炳达,男,1994年毕业于天津大学工业电气自动化专业,工学学士学位,现任先控捷联电气股份有限公司数据中心机房产品市场总监,全国注册电气工程师、高级工程师。
　　
　　编辑：Harris