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探讨磷酸铁锂电池在UPS的应用

2019/1/22 17:41:07      点击:

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数据中心UPS中的电池呢?事实上,其原因在于,与所有其他的应用一样,锂电池在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供应商提供了可行的方案。这些改进很大程度上是源于于电动汽车产业发展的推动。
  
  在UPS不间断供电系统中,后备蓄电池组是整个供电系统的最后一道供电保障防线,又是电源维护工作的重点与难点,在系统中断的事故中,由电池组引发的故障所占比重较大,因此,人们对后备电池技术的变革会更加谨慎。
  
  阀控式铅酸蓄电池经过几十年的发展已经被众多行业广泛应用,同样,在数据中心、通信及各类机房UPS亦是首选。然而,随着信息技术的发展,人们对供电系统的可靠性要求更高,对实现绿色环保的意识更强,为此,对解决阀控式铅酸蓄电池存在的许多问题就更加迫切。
  
  阀控式铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池相比较
  
  1、质能比低、体积能量比低,电池重量大,占地面积大。
  
  2、充放电效率低,充放电效率约为92%左右,使用一段时间后充放电效率还会下降。
  
  3、阀控式铅酸蓄电池寿命短,设计寿命5-8年,实际使用大多为3~5年。
  
  4、运行环境温度要求高,在温度超过25度时,环境温度每提高7~10℃时电池寿命折损一半。
  
  5、蓄电池大量采用铅,其开采、加工和使用过程中均容易对环境造成严重污染。
  
  为了解决以上问题,通信行业和一些知名品牌的大功率UPS配置磷酸铁锂电池应用在不断增加,UPS市场一个新趋势是对数据中心和UPS应用中锂离子电池的兴趣日益增长。与传统的铅酸蓄电池相比,锂离子电池具有更长的使用寿命、更小的尺寸和重量、在更广泛的环境中运行的能力,以及可大电流快速充放电,耐高温性能优越,在﹣10℃~﹢65℃情况下仍然能够正常工作;总体拥有成本(TCO)更优。
  
  磷酸铁锂电池内部结构及工作原理
  
  磷酸铁锂电池内部结构可分为极板、隔板、电解液、外壳、安全阀、端子等,详见图1。


  图1   LiFePO4电池内部结构
  左边是橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极,由铝箔与电池正极端子连接,右边是由碳(石墨)组成的电池负极,由铜箔与电池的负极端子连接,中间是隔膜,它把正极与负极隔开,但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过,电池的上下端之间是电池的电解质,为锂离子运动提供运输介质。
  
  LiFePO4电池在充电时,外界电流从负极流向正极,导致正极中的锂离子Li+从磷酸铁锂等过度金属氧化物的晶格中脱出,经过液态电解质这一桥梁,通过隔膜向负极迁移,并嵌入碳素材料负极的层状结构中。正极材料的体积因锂离子的移出而发生变化,但本身的骨架结构维持不变。
  
  LiFePO4电池在放电时,负极中的锂离子Li+从碳素材料层间脱出,经过液态电解质这一桥梁,通过隔膜向正极迁移,并嵌入正极材料的晶格中,相应地电流从正极经外界负载流向负极。
  
  磷酸铁锂材料为橄榄石型磷酸盐类嵌锂材料,晶体结构稳定,充放电过程中不易发生变形或破坏。同样,锂离子反复的嵌入和脱出只会引起负极材料的层间距变化,也不会引起材料晶体结构的破坏。锂离子电池也称为摇椅式电池。磷酸铁锂晶体结构详见图2。


  图2 LiFePO4晶体结构
  磷酸铁锂电池产品特点
  
  磷酸铁锂电池主要技术要点如下:标称电压3.2V,一般充电电流为0.2~0.5C,最大充电电流为1~1.5C,充电电压在3.65V以下时性能稳定;一般放电电流为0.5~1C,最大放电电流为5~10C,放电终止电压为2.0V;充电工作温度范围为0~55℃,放电工作温度范围为-20~60℃。
  
  磷酸铁锂电池具有如下优点:
  
  1、输出电压高:磷酸铁锂电池工作电压范围:2.5~3.6V,平台约3.2V;
  
  2、安全性强:磷酸铁锂正极材料具有良好的电化学性能,充放电平台十分平稳,充放电过程中结构稳定,可以过放电到零伏。即使电池内部或外部受到伤害,电池不燃烧、不爆炸、安全性较好;
  
  3、高温性能好:外部温度65℃时内部温度则高达95℃,电池放电结束时温度可达160℃,电池的结构安全、完好;
  
  4、高效率输出:标准放电为2~5C、连续高电流放电可达10C,瞬间脉冲放电(10S)可达20C;
  
  5、高循环寿命:经500次循环,其放电容量仍大于95%;
  
  6、使用方便:可快速充电;
  
  7、环保:整个生产过程清洁无毒。所有原料都无毒。
  
  8、非稀有资源:磷酸铁锂电池采用磷酸源、锂源、铁源为材料,无战略资源及稀有资源。
  
  磷酸铁锂与其它锂离子性能比较
  
  钴酸锂(LiCoO2)、镍酸锂(LiNiO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4)等正极材料的性能比较详见表1。
     
  表1
    磷酸铁锂电池产品检测
  根据工信产部质检中心的检验报告,19项测试指标均合格,其中主要指标详见表2


  表2   (700Ah)磷酸铁锂电池检验报告
  磷酸铁锂和阀控式铅酸电池的性能比较
  (见表3)


  表3磷酸铁锂电池和铅酸电池性能比较
  T1和T3为充电过程,T1为恒流-恒压充电阶段,T3为间歇式补充电阶段;T2为电池组开路静置阶段;T4为电池组放电过程。
  
  UPS与磷酸铁锂和密封阀控电池组应用方案及投资比较
  
  举例说明-数据中心UPS电池容量配置:
  
  电池室空调启动的环境温度设定为25℃,UPS系统容量200kVA(396V/425A),蓄电池放电时间0.5小时。经计算,需配置396V/500Ah铅酸电池1组,或者396V/200Ah铁锂电池1组。考虑同样的机房承重条件,后者占地面积是前者的28%,后者重量是前者的16%。利用磷酸铁锂电池大电流放电特性,降低机房面积和承重要求,更容易实现分散供电。
  
  华为锂电采用三层电池管理系统,从电芯到电池柜、电池柜并联系统,层层保障锂电可靠性。华为锂电管理系统具备电池单体电压、温度检测,单体均流管理,充放电检测、SOC、SOH管理,告警管理、报表分析等功能。实现电池故障及时识别,早期预警,主动隔离。
  
  其次,华为锂电拥有业界独有的主动均流技术,支持新旧电池柜混用,锂电柜并柜环流可以控制在2%以下,显著降低Capex。
  
  在硬件设计方面,锂电池柜配有断路器,电池管理模块配有熔断器、继电器,保障出现故障时,快速动作,保护电池。
  
  在运维管理方面,华为锂电管理系统可以集成到UPS管理系统,电池管理与UPS管理系统是一套完整的系统。华为锂电管理系统可以将电池信息上传至UPS系统,配合华为UPS与网管系统,实现电池智能管理,减少检测频率,做到锂电运行状态随时可查、可管、可控。
  
  结束语
  
  锂离子电池采用率较低的原因一是初始成本较高,二是对其安全性不放心。但我们相信,随着锂离子电池技术的成熟和制造业产能的增长,更多供应商开始进入磷酸铁锂电池UPS应用领域,而最终用户对数据中心全生命周期实践的认知,将会为锂离子电池的部署进行越来越多的规划和预算。数据中心的储能变革已在进行时。