磷酸鐵鋰電池在數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中應用前景分析
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-06 16:15
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以磷酸鐵鋰電池為研究對象，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(jù)測試結果，結合數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的需求和特點，分析了磷酸鐵鋰電池在數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中應用的前景。
關鍵詞：磷酸鐵鋰電池；倍率特性；容量特性；數(shù)據(jù)中心
據(jù)《2016年中國新能源動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》[1]的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，預計至2022 年，鋰電池總需求量和市場規(guī)模將分別達到54.9GWh 和267 億美元，未來十年年均復合增長率分別為37.0%和31.6%，市場規(guī)模占比將迅速提升至63%左右。而中國已成為全球鋰電池發(fā)展最活躍的地區(qū)。
由于磷酸鐵鋰電池有著出色的結構穩(wěn)定性、安全性能以及較長的使用壽命，因而已經(jīng)在電動車等動力系統(tǒng)領域中占有了主要位置。在通信等需要高可靠性備用電源的場合，已經(jīng)有了在移動通信基站應用的相關研究[2,3]。
數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)廣泛使用UPS設備，其配套蓄電池目前主要使用鉛酸閥控蓄電池，使用鋰電池的案例較少。
本文對磷酸鐵鋰電池在數(shù)據(jù)中心中的應用可行性和前景進行了分析，對數(shù)據(jù)中心后續(xù)對于鋰電池的應用有一定參考意義。
2 磷酸鐵鋰電池工作原理
鋰離子電池內部主要由正極、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(qū)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(qū)分，可分為液體電解質、固態(tài)聚合物電解質、凝膠型聚合物電解質。磷酸鐵鋰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，為鋰離子運動提供運輸介質。磷酸鐵鋰電池除了上述極板、隔板、電解液等，還包括外殼、安全閥、端子等，其結構示意如圖1所示。
圖1 磷酸鐵鋰電池結構示意圖
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(jīng)過液態(tài)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(fā)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(jīng)過液態(tài)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(jīng)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(wěn)定，充放電過程中不易發(fā)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 磷酸鐵鋰電池主要特性
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(wěn)定性，是衡量電池大電流放電能力的指標之一。對磷酸鐵鋰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(tài)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(shù)；
（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，如圖2所示。
圖2 磷酸鐵鋰電池常溫倍率性能曲線
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：
（1）
其中是放電電流；是以電流放電的總時間；是電池時間常數(shù)，和電池的類型有關；如果定義為標準放電電流下的放電容量，那么Peukert方程式可寫為：
（2）
由Peukert方程可知，電池常數(shù)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(wěn)定性好。 由圖2可知，磷酸鐵鋰電池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(wěn)定性好。
參考《通信電源設備安裝工程設計規(guī)范》（YD/T 5040-2005）中的相關數(shù)據(jù)，目前數(shù)據(jù)中心廣泛使用的鉛酸閥控蓄電池放電容量系數(shù)見表1。
從表1中可以看出，目前數(shù)據(jù)中心使用的鉛酸閥控蓄電池在1C倍率放電電流下，僅能放出全部容量的55%。而磷酸鐵鋰電池則再放電終止電壓為3.0V條件下放出至少90%的容量。
3.1 高溫容量性能
對磷酸鐵鋰電池進行45℃環(huán)境的高溫性能測試，測試方案如下：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。測試結果如圖3所示。
一般地，與常溫相比，電池在高溫環(huán)境中放電電壓較高，且放電容量有所增加，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增加，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(huán)境溫度應控制在一定范圍內。由圖3可知，磷酸鐵鋰電池在45℃環(huán)境下具有很高的放電效率，且電壓平臺有所升高。
圖3 磷酸鐵鋰電池高溫容量性能曲線
而傳統(tǒng)的鉛酸電池對于環(huán)境溫度的要求一般較高，在《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》（GB50174-2008）中要求，電池室內溫度控制范圍為15℃~25℃。從以往的維護經(jīng)驗來看，鉛酸電池在環(huán)境溫度較高的情況下極有可能出現(xiàn)電池失效的問題。
3.1 低溫容量性能
對磷酸鐵鋰電池進行0℃環(huán)境的低溫性能測試，測試方案如下：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電池放電容量明顯減少，與常溫相比放電容量減少了22%。
圖4 磷酸鐵鋰電池低溫容量性能曲線
3.1 能量密度情況
參考某型號磷酸鐵鋰電池，其重量能量密度（kWh/kg）和體積能量密度（kWh/L）與一般鉛酸電池對比情況見圖5。
圖5 磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池能量密度對比表
從圖5中可以看出，磷酸鐵鋰電池比鉛酸電池的體積減少1/3以上，重量減少1/2以上。
4 磷酸鐵鋰電池在數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)應用的基本思路
綜合上述實驗結果和磷酸鐵鋰電池相關參數(shù)，以及數(shù)據(jù)中心對于蓄電池使用的具體情況對磷酸鐵鋰電池在數(shù)據(jù)中心應用的基本思路總結如下：
（1）合理選擇磷酸鐵鋰電池的應用場景
數(shù)據(jù)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，磷酸鐵鋰電池優(yōu)越的充放電循環(huán)性能并不能充分體現(xiàn)。
此外，數(shù)據(jù)中心UPS機房或電池間一般均配有空調等制冷或制熱設備，磷酸鐵鋰電池高溫穩(wěn)態(tài)特性也無法發(fā)揮優(yōu)勢。
因此，在應用磷酸鐵鋰電池時，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
對于分布式供電系統(tǒng)或模塊化供電機房，由于其單臺UPS功率較小，所以其需要的蓄電池容量較小。此外，分布式供電或模塊化機房均需要供電設備接近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，采用磷酸鐵鋰電池將更能發(fā)揮其能量密度較高的優(yōu)勢。
（3）應用于傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)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(jīng)過多年來的發(fā)展，已形成了一整套較為完善的設計、運維規(guī)范和標準。而磷酸鐵鋰電池僅有工業(yè)和信息化部頒布的《通信用磷酸鐵鋰電池組 第1部分：集成式電池組》（YD/T 2344.1-2011）中對于集成式電池組有了一定的參數(shù)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(guī)的交流供電UPS。
若采用這個標準中的磷酸鐵鋰電池，則需要以48V集成式電池為基礎，采用多個串聯(lián)的方式組成可供UPS設備使用的蓄電池組。這種方式勢必需要在原有集成式電池管理系統(tǒng)（BMS系統(tǒng)）上再增加管理系統(tǒng)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）磷酸鐵鋰電池不可簡單的對在用鉛酸電池進行直接替換
磷酸鐵鋰電池的結構決定了其對于充放電截止電壓要求較傳統(tǒng)鉛酸電池有著更為嚴格的要求。一般情況下，鐵鋰電池的充電電壓為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，磷酸鐵鋰電池不同于鉛酸電池無需單獨配置相應的管理系統(tǒng)，其一定需要電池管理系統(tǒng)（BMS）來實現(xiàn)對于電池充電過程、放電過程和相應的保護措施等功能。常見的48V集成式磷酸鐵鋰電池BMS結構見圖6。
目前，鉛酸蓄電池均依靠UPS設備來進行充放電的管理，因此如果簡單的使用磷酸鐵鋰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，對于電池組的充放電管理容易產(chǎn)生錯誤邏輯，從而導致電池均衡性劣化等問題。
通過對磷酸鐵鋰電池基本性能的實驗測試和分析，其電化學特性較傳統(tǒng)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(huán)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，磷酸鐵鋰電池的各項優(yōu)勢將會體現(xiàn)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(shù)據(jù)中心行業(yè)需要對磷酸鐵鋰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電池的應用情況，使數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)各組成部分相互匹配，提供綜合效能。
