鉅大LARGE | 點擊量：1863次 | 2018年12月27日
新型鋰電池儲能系統在數據中心的應用
隨著鋰電池技術的成熟完善和成本日益優化，數據中心UPS將快速地完成從鉛酸電池向鋰電池的轉換，未來鋰電池將不僅僅是作為UPS短時間后備延時，例如借助UPS+鋰電池實現削峰填谷和峰谷電價差盈利，甚至不排除通過儲能式集裝箱來部分取代柴油發電機組。
本文來源：施耐德電氣信息技術微信號ID:APCDCU
電池的發展歷史及其在數據中心的地位
當今IT行業的發展可謂日新月異，但儲能電池卻成了所有IT設備發展的一個主要瓶頸，因為很久以來電池的能量密度很難像芯片的摩爾定律一樣定期升級翻倍。在數據中心，我們采用大量的鉛酸免維護電池作為UPS備用儲能，作為數據中心供電的最后一道防線，所有的負載安危都寄托在電池的可靠性上，但實際應用中我們發現30%以上的數據中心負載掉電是由于電池失效引起的。
自從1859年法國人普蘭特發明鉛酸電池以來，鉛酸電池技術發展非常緩慢，基本上沒有大的突破。對于所有數據中心管理人員來說，鉛酸電池始終是一個令人頭疼卻又不得不面對的事實。它對應用場景的要求很苛刻：環境溫度既不能過低也不能過高；電池既怕經常放電又怕總不放電；使用時既不能快速充電還不能快速放電；需要獨立的電池房間以避免酸霧侵蝕其它設備，電池占地空間巨大，樓板承重要求極高。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
隨著市電供電環境的日趨改善，以及數據中心供電系統的高度冗余化設計，UPS配套蓄電池很少有真正發揮放電作用的時候。但卻依然需要服務工程師定期維護和充放電以激活其性能。為了能夠了解蓄電池這個“黑盒子”的真實性能，有些客戶還專門配置了在線監測裝置，以便實時了解每一只蓄電池的狀態。所有這些措施都是為了讓蓄電池在關鍵時刻能發揮作用，但是我們為此付出的代價似乎太大了。
最近10年，以鋰離子電池（LithiumIonBattery，以下簡稱鋰電池）為代表的新型儲能電池已經在消費電子領域占據90%以上市場。而伴隨著電動汽車行業的高速發展，今天的鋰電池成本已經比5年前下降了70%。另一方面，自2016年以來席卷中國的環保風暴，已經使全國近80%的中小規模鉛酸蓄電池工廠關閉，鉛價成本的逐年上漲也使得鉛酸電池成品價格水漲船高。這種此消彼長的趨勢已經逼迫大多數鉛酸電池工廠部分轉型生產鋰電池，因為這場儲能技術的革命給整個鉛酸電池行業帶來的壓力是致命的，不轉型就會被淘汰。
鋰電池在全球數據中心的應用
根據Uptime在2017年所做的全球數據中心調研顯示10%的數據中心已經采用了鋰電池作為后備能源。施耐德電氣預計未來3年鋰電池的年均增速都將超過100%。與鉛酸電池相比，鋰電池具有無可匹敵的技術優勢：
韓國
在韓國，得益于三星/LG/SK等鋰電池廠商的推廣，鋰電池在儲能和數據中心領域早已得到廣泛應用，據了解目前韓國已有近80%的新建數據中心UPS采用了鋰電池。2012全球第一個鋰電池數據中心----新韓銀行（ShinhanBank）投入使用，其中采用了34臺施耐德電氣500KVAUPS和1萬多只三星鋰電池，迄今沒有任何電池故障。
日本、新加坡、香港
在日本、新加坡、香港等寸土寸金的地區，用戶對于電池的占地空間和重量更為關注，由于鋰電池的能量密度是鉛酸電池數倍，其占地空間比鉛酸電池減少了60%以上，省出的寶貴機房空間可以擺放服務器機柜來出租盈利。同時鋰電池的重量比鉛酸電池輕70%以上，因此可以大大減輕對于樓板承重的壓力，對于由寫字樓改造而成的數據機房而言，承重改造費用得以大幅縮減。
印度
在印度，由于市電供電不穩定導致電池經常充放電，且環境溫度高，普通鉛酸電池2~3年就要更換，而使用鋰電池后由于其對高溫適應能力更強、放電后能快速回充、循環次數4倍于鉛酸電池，因此在印度這樣對價格及其敏感的市場上，盡管鋰電池價格是鉛酸電池的兩倍以上，卻依然受到用戶和顧問公司的廣泛認可。例如全球最大的搜索引擎公司、飲料公司和日用消費品公司在印度的數據中心均采用了施耐德電氣VXUPS+鋰電池的配置方案。
北美市場
在北美市場，客戶更加理性地關注數據中心的TCO（總體擁有成本），因為相對于硬件的初始購買價格來說，設備后期的維護和更換成本（OPEX）花費更大。數據中心UPS的設計壽命通常為10年以上，而其配套的鉛酸電池雖然標稱設計壽命10年，但通常在第5~6年就要更換一次，因為在鉛酸電池使用后期其使用容量會呈現斷崖式跌落，鉛酸電池在剩余容量到達80%時即宣告報廢。而鋰電池即使在使用10~15年后其剩余容量依然達到80%以上，其容量衰減是一個近似線性的漸變過程，我們建議鋰電池至少可以使用到70%容量。鑒于鋰電池的長壽命設計和高循環次數，在UPS10年生命周期內都無需更換，而鉛酸電池至少要更換一次，僅此一項即可抵消鋰電池不到2倍的成本壓力。
鋰電池均自帶三級BMS（電池管理系統），因此可以實現對每一只電芯、模組、機架和系統進行在線智能管理。只需一臺電腦就可以通過BMS實時了解電池的電氣狀態和健康趨勢，省去了服務工程師到現場逐只測量的繁重工作。鉛酸電池需要定期進行充放電，以便激活電池性能和防止電池極板鈍化，而鋰電池則無需進行這些復雜的維護操作，用戶由此可以降低運營成本。
中國
在中國，UPS改用鋰電池的趨勢將更加迅猛。鋰電池行業采用的都是高度自動化的產線，產能決定成本，這是一個近乎勝者通吃的行業。作為全球最大的鋰電池生產國，近幾年各廠商都在大力擴產，但由此帶來的結果就是整個行業產能嚴重過剩，隨著中國政府對于電動汽車的補貼日漸縮減，鋰電池行業亟待開拓新的應用增長點，諸如風光儲能、電網調頻調峰、通信電源、UPS備用電池等將成為鋰電池市場的新寵。
中國用戶對于UPS配置鋰電池的關注
通過以上介紹可以看出，鋰電池各項性能指標都已經遠遠優于鉛酸電池。可以預期的是今后幾年鋰電池的價格將逐年走低，與之相反的是鉛酸電池價格逐年走高，整個UPS行業用鋰電池全面替代鉛酸電池已經是不可避免的了，只是時間問題。除了采購價格因素外，目前中國客戶在選擇UPS鋰電池的關注點還是集中在安全方面。
由于鋰電池的能量密度是鉛酸電池的3倍以上，因此如果缺乏合理的電氣保護設計和BMS管理，鋰電池失控帶來的后果將遠大于鉛酸電池。最近各地報道的一些電動自行車充電著火等報道更是加重了用戶的擔憂。造成這些問題的原因在于很多電動自行車/摩托車過分壓低成本，采用了低質量的鋰電池和設計粗糙的BMS，從而導致電池在充電時熱失控而發生燃燒事故。
作為數據中心里面最大的儲能部件，鋰電池的安全很大程度上取決于以下四點，建議用戶在選型時重點關注：
1高質量的電芯生產和質量管控
2完善的BMS的設計
3鋰電池的化學材料
4鋰電池與UPS的兼容性測試
高質量的電芯生產和質量管控
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