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磷酸铁锂蓄电池在数据中心应用的探讨

双击自动滚屏 发布者:精密空调 发布时间:2015-09-10 08:54:05 阅读:次【字体:

1  引言

锂电池问世至今,主要还是作为动力电池使用,因此很多工作特性和指标要求都是按动

力电池来考虑的。中国电信由集团电源中心牵头从2006年开始跟踪研究磷酸铁锂蓄电池用做通信电源的后备用蓄电池,并在通信网络电源设备中进行现场实际应用,从此展开了后备式锂电池在通信网络乃至数据中心供电保障实际应用的探索。近几年来,随着材料技术的进步和人们对磷酸铁锂蓄电池设计、制造、检测和使用诸方面要求的认识不断加深,还有生产成本的大幅下降以及节能减排的要求,特别是2011年以来国家对铅酸蓄电池生产的整治等各种原因,促进了后备式磷酸铁锂蓄电池产业发展迅速,应用规模也不断扩大。但是,后备式磷酸铁锂蓄电池的一些根本性要求并没有得到明确规定,人们对锂电池的认识上存在不同的看法,给锂电池的发展和推广应用带来了困难,为了规范后备用磷酸铁锂蓄电池在数据中心的应用方式,促进产业良性发展,有必要统一认识并尽快确定后备式锂电池应用的基本原则和相关技术要求。

2 锂电池的基本情况和特点

(1)锂电池的分类

锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。

①锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

锂金属电池放电反应为:Li+MnO2=LiMnO2

可充电的第五代产品锂金属电池在1996年诞生,其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制,现在只有少数的几个国家的公司在生产这种锂金属电池。

②锂离子电池不含有金属态的锂,并且是可以充电的。锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

充电正极上发生的反应为

LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(电子)

充电负极上发生的反应为

6C+XLi++Xe-=LixC6

充电电池总反应:LiCoO2+6C=Li(1-x)CoO2+LixC6

根据锂离子电池所用电解质材料的不同,锂离子电池分为液态锂离子电池(LiquifiedLithium-IonBattery,简称为LIB)和聚合物锂离子电池(PolymerLithium-IonBattery,简称为PLB)或塑料锂离子电池(PlasticLithiumIonBatteries,简称为PLB)。它们的主要区别在于电解质的不同,液态锂离子电池使用液体电解质,聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替,这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物凝胶电解质。

根据正极材料的不同锂离子电池可分为钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂等多种,其电池工作原理是基本一致的。目前在我国作为后备式应用最广泛的磷酸铁锂蓄电池是其中一种

(2)后备用蓄电池组的性能要求

蓄电池组的储能主要有两种用途:动力用储能和后备用储能。在数据中心不间断电源系统使用的蓄电池组是一种后备储能用蓄电池组。与的动力用储能电池最大的不同之处在于,后备储能蓄电池只在市电停电或电源设备发生故障等应急情况下时才起作用,市电正常时是不需要的。因此,蓄电池组的可用性是首要的。正如消防车一样,一辆普通的卡车甚至手推车都可以作为消防车使用,而在大城市中上千万一辆的专业消防车也就是作为消防车使用,其实人们更关注的就是它的可用性能。正所谓“养兵千日,用兵一时”,如果在关键时刻,正需要蓄电池放出电时,它却失效了,那么就没有必要配置后备蓄电池组了。

对后备式蓄电池组的性能要求,一般可以关注以下几个方面:

——安全特性:如蓄电池使用的安全性、供电的可用性等;

——能量特性:如电池的比容量、比能量等;

——工作特性:如循环寿命、工作电压平台、阻抗、荷电保持率等;

——适应能力:如高温性能、低温性能、抗振动冲击性能、安全性能等;

——配套特性:主要指和用电设备的配套能力好坏,如尺寸适应能力、快速充电、脉冲放电等。

(3)磷酸铁锂电池的优势

与普通的铅酸蓄电池及其他电池相比较,磷酸铁锂电池具有以下的优点:

①能量特性好。磷酸铁锂电池的比容量和比能量都比较高,具有高储存能量密度。如图2所示。

②循环寿命长。根据YD/T2344.1-2011《通信用磷酸铁锂电池组第1部分:集成式电池组》的要求,磷酸铁锂电池组的循环寿命应不少于1000次。实验数据表明,其使用寿命可达到6年以上,按1C(100%DOD)充放电,有可以使用10,000次的记录。而按照YD/T799-2010《通信用阀控式密封铅酸蓄电池》中的规定,铅酸蓄电池寿命以循环耐久性试验测量,也只要求不少于400次。

③额定电压高。磷酸铁锂电池组的单体标称工作电压为3.2V,组成蓄电池组所需串联的电池只数要铅酸蓄电池约减少30%。

④具备高功率承受力。其中电动汽车用的磷酸铁锂电池可以达到15C-30C充放电的能力,便于高强度的启动加速。

⑤自放电率低。这是磷酸铁锂电池最突出的优越性之一,一般可做到1%/月以下,不到镍氢电池的1/20。根据YD/T2344.1-2011《通信用磷酸铁锂电池组第1部分:集成式电池组》的要求,在环境温度为25℃±2℃的条件下将充满电后电池组开路静置28天,再以1.0I10A电流放电至终止电压,电池组容量应不低于额定容量的95%。

⑥重量轻。相同体积下重量约为铅酸蓄电池的1/6-1/5。

⑦高温适应性强。可以在高达60℃的环境下使用。经过工艺上的处理,还可以在-45℃环境下使用。

⑧绿色环保。磷酸铁锂电池的正极为橄榄石晶体结构的磷酸铁锂材料通过粘结剂附着在铝箔上,负极是石墨材料通过粘结剂附着在铜箔上,电解质是六氟磷酸锂,正负极间的隔膜采用聚乙烯或者是聚丙烯和聚乙烯复合隔膜或者是陶瓷隔膜,这些材料对人体无害,属于环保型电池。不论生产、使用和报废,都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。

(4)后备式磷酸铁锂电池组的可用性分析

根据数据中心供电保障的特点和对后备式蓄电池组的要求,我们可以设定铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池的可靠性模型如图3所示。

 

如图3(a)所表示的,在不间断电源技术中,铅酸蓄电池一般是作为裸电池使用的。对铅酸蓄电池组的充放电都是由开关电源或UPS负责实施的,即使对电池组附加一些单体电池监控或接入动环监控系统中,一般也是“只监不控”,即便这些监控设备有问题,也不会影响铅酸蓄电池组的输出。铅酸蓄电池可以视作一种化学电源,其可靠性R一般都可高于电子电源设备。

对于磷酸铁锂蓄电池组而言,由于其一致性差等固有缺点,就必须要有对蓄电池充电过程和放电过程进行管理等保护措施和相关的管理控制,故电池管理系统(BMS)或相关功能是必不可少的,并成为电池组的必要组成部分。理论上分析,在结构上相当于在裸电池后面串联了BMS,即一个化学电源和一个电子电源设备的串联,如图3b)所示。其可靠性为R1×R2。因R1≤1且R2≤R1,故即使磷酸铁锂电池本身的可靠性R1与铅酸蓄电池的可靠性R相同,R1×R2≤R,故可以得出磷酸铁锂电池的可靠性是要低于铅酸蓄电池的。实际使用情况也是如此。

3 磷酸铁锂电池在数据中心应用的思路

磷酸铁锂电池在数据中心的应用应该扬长避短,充分发挥其优势(循环寿命长、耐高温、体积能量密度等),避免劣势(价格高、可用性较低、安全性较差等)。

(1)后备式磷酸铁锂电池的应用尚应作为铅酸蓄电池的补充

铅酸蓄电池作为二次化学电池,问世已经有上百年的历史,具有安全、廉价等优势而经历多年发展而不衰,虽然历经改进但基本的原理和结构并没有很大的变化。尽管它在体积、重量等方面有许多局限性,在生产、使用过程也存在着大量的诟病,而人们却无法抛弃它。近年来铅酸蓄电池仍占到二次化学电池总量的60%~65%(在数据中心系统中几乎100%),预计在10年甚至更长时间内,铅酸蓄电池仍将是二次化学电池中非常有竞争力的一种。“存在就是道理!”一种传统的电力电子产品,能够在世间生存这么久而且经久不衰,又没有更好的替换品,一定有它存在且不易被替代的价值。反观锂电池技术,虽然有很多的优点,但毕竟问世的尚短,有待时间去检验。后备式磷酸铁锂电池在通信网络上的应用只不过几年的时间,而在数据中心的应用尚在试验和探讨之中,还有许多问题需要进一步去探讨、解决。

由此看来,目前要用磷酸铁锂电池去全面替代铅酸蓄电池,摒弃铅酸蓄电池的使用是不现实的,至少在后备式储能上是这样。因此,磷酸铁锂电池相对于铅酸蓄电池来说,当前应该定位为是一种“补充”。应该应用在一些能够充分发挥磷酸铁锂电池特性的场合,即利用磷酸铁锂电池的长处,去补充铅酸蓄电池的不足。应该充分探讨磷酸铁锂电池的优势以及信息通信和数据中心对后备用蓄电池的不同需求,找到和找准磷酸铁锂电池补充铅酸蓄电池的突破口。

(2)发挥优势,合理选择锂电池的应用环境

数据中心耗能主要以电为主,用电集中而且耗电量越来越大,一般都选择部署在市电供电条件比较好的地方。在供电保障方面,一般都会配置双路供电或后备油机,停电的概率相当低,停电次数少且间隔时间也比较短,对蓄电池的循环充放电次数要求并不敏感。其次,在机房环境方面,一般数据中心都配置大型的中央空调或机房精密空调,有较好的空气控制调节能力,正常情况下室内温度都不会过高,基本上不需要高温运行的要求。因此,在数据中心的供电保障系统中,磷酸铁锂电池循环寿命和耐高温性能等方面并无法发挥优势。

从供电保障需求的角度,数据中心可以分为集中式供电和分布式供电两大类。

对于集中式的供电电源系统,在数据中心建设时一般都会根据发展和规划预留足够的电源机房空间和储备,非特殊情况对蓄电池的摆放面积和空间都不会出现问题。因此,磷酸铁锂电池的优势难以得到很好发挥。相反,目前磷酸铁锂电池价格较高以及集中供电耗电量大、需要大容量、高电压的蓄电池组(更多串联节数)的问题会凸显。

对于分布式供电电源系统(例如DPS及模块化数据中心和微模块),由于其需要的容量相对较小,以及需要接近设备甚至与设备同机柜内放置带来的空间、承重限制,采用磷酸铁锂蓄电池是比较铅酸蓄电池更适合的。

(3)根据应用场合和需求合理选择磷酸铁锂电池的配置

我们将由一个电解液系统构成、单体标称电压为3.2V的磷酸铁锂电池称为单体电池;由2个或2个以上磷酸铁锂单体电池串联组合而成的电池组合成为电池模块,则磷酸铁锂蓄电池组是由1个或多个电池模块加上BMS组成的一个整体。

目前,对磷酸铁锂蓄电池组在数据中心中的使用尚未有相关的国家标准和行业标准可以作为应用依据。现阶段在通信网络中用磷酸铁锂电池作为通信网络后备电源,主要参照通信行业标准YD/T2344.1-2011《通信用磷酸铁锂电池组第1部分:集成式电池组》的技术要求。对磷酸铁锂蓄电池组的配置和主要技术要求包括如下:

①蓄电池组标称电压:48V;

②电池模块额定容量:5Ah、10Ah、20Ah、30Ah、40Ah、50Ah;

③蓄电池组额定容量:10Ah、20Ah、40Ah、50Ah、100Ah;

④每个电源系统中,蓄电池组宜分两组或多组配置,最多不应超过4组。

其他具体的技术要求可以参考YD/T2344.1-2011《通信用磷酸铁锂电池组第1部分:集成式电池组》的相关内容。

值得注意的是,目前对与UPS或高电压直流电源系统所配置的磷酸铁锂蓄电池组,一般都是以48V的集成式磷酸铁锂蓄电池组为基础,采用多个串联而组成。这种方式需要在原有的集成式电池组BMS之上再增加一级电池管理或控制,形成了两级甚至多级的多重电池管理,容易导致管理紊乱和供电可靠性下降。这并非可取之举。

4 磷酸铁锂电池在数据中心应用应注意的问题

(1)兼容性能要好

在数据中心总采用交流UPS系统或直流电源系统作为不间断供电保障技术应用已久,已经成为是整个数据中心供电电源的核心。相关的交流UPS系统和高频开关电源系统技术标准和规范已经制定在前并都已经有较全面详细的要求(详见相关国家标准以及通信行业标准YD/T1095-2008《通信用不间断电源-UPS》以及YD/T1058-2007《通信用高频开关电源系统》等)。后备式磷酸铁锂电池组应去适应现有交流UPS系统和高频开关电源的技术条件,在不改变现有技术要求的情况下能够与铅酸蓄电池组兼容应用。也就是说,尽量在不改变现有交流UPS系统和高频开关电源系统的参数配置或在可调整的参数设置范围内去使用磷酸铁锂蓄电池组。否则,就有可能需要去修改交流UPS系统和高频开关电源的技术标准要求,造成老旧设备不兼容或改造工作牵涉面广等问题。由此导致不能够在现有的电源系统中使用磷酸铁锂蓄电池组或者新电源系统不能兼容使用铅酸蓄电池组,造成推广应用的局限性。

(2)不宜作为裸电池直接使用

从磷酸铁锂蓄电池的特性以及实际推广实践证明,由于磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池的特性确实存在较大的差异。在电池单体串联成组使用的情况下,单体之间一致性靠自身控制是非常困难和低效的,其均衡性以及过充过放对电池本身的不可逆损坏等问题决定当使用磷酸铁锂电池作为后备电源时,不可能不作管理而直接使用。也就说,电池组管理功能不能简单省去,磷酸铁锂蓄电池不应该作为裸电池直接在数据中心供电电源系统中使用,否则很容易出现均衡性严重劣化的不利后果。

(3)关注蓄电池的实时控制和管理

电池管理功能是指用于实现对磷酸铁锂蓄电池组的实时控制管理,特别是对蓄电池组中单体电池的均衡性、一致性管理以及过充过放的限流管理。电池管理功能的应用可以有效延长磷酸铁锂电池组的使用寿命,并对电池组提供一定的安全保障。这是磷酸铁锂蓄电池应用与铅酸蓄电池的最大不同之处,也是其最明显的优势之处。

对磷酸铁锂蓄电池的管理作为一种功能要求,可以有不同的型式。有些可以是分散式的控制方式,甚至可以利用高频开关电源的蓄电池管理功能来实现。其中,通过电池管理系统(BMS)来实现对磷酸铁锂蓄电池的管理,是目前常见和有效的方式。

由于BMS的概念来自于对汽车动力用锂电池的应用,其功能要求更多地是适合于动力型锂电池系统的控制。但后备用磷酸铁锂蓄电池BMS的应用要求和特点与动力用是不一样的,且BMS属于电力电子控制技术范畴与电化学是两个不同的学科,许多擅长电化学技术的厂家在BMS技术方面明确存在短板。加上尚没有统一的后备式磷酸铁锂蓄电池BMS功能的技术标准和规范,目前,各厂家的磷酸铁锂蓄电池的产品主要的差别就是在BMS技术上。

(4)蓄电池管理系统(BMS)的功能

在磷酸铁锂蓄电池组的BMS或管理功能中,以下几点是必不可少的:

①必须包括对单体电池的均衡性的管理;

②在实施充电过流保护时,应保证继续的限流充电而不是截止型的停止充电措施;

③在实施放电过流保护时,应保证在最大限流值内电流输出而不得中断蓄电池组输出;

④对蓄电池的管理可以是分散的,但不应是多级串联式进行管理或多重管理。

(5)继续关注锂电池的安全性能

锂电池的热稳定性和过充保护对其本身的安全性有直接影响。虽然磷酸铁锂蓄电池的安全性能远比其他材料的锂电池要好,但作为在数据中心这种特定环境下应用的磷酸铁锂蓄电池,其安全性能仍然不容忽视。正负极材料、电解液及其添加剂、电池的结构以及制备工艺条件都对磷酸铁锂电池的安全性有重要影响。实际使用时,尤其在滥用情况下:如高温环境、内部,外部短路、过充放、振动、挤压和撞击,保护电路失灵等,更容易出现冒烟、着火甚至爆炸情况。因此,要保证磷酸铁锂蓄电池的可用性,其本身的安全性能是绝对不可忽视的!

(6)目前锂电池组不宜作为大容量或高电压后备电池组使用

由于磷酸铁锂单体电池的标称电压恒定为3.2V,目前的技术条件也不允许单体容量做的很大,故大容量或高电压的蓄电池组需要靠更多单体电池的串联和并联来实现。而在大容量、高电压的磷酸铁锂蓄电池组的生产和应用中还存在许多技术问题,例如:技术开发、技术规范、散热问题、可靠性设计问题、大功率保护电路开发、安全性等诸多技术难题,需要整个行业从材料到生产以及使用单位,同心协力,不断改进,方能真正实现推广应用。

另一方面,磷酸铁锂蓄电池组容量越大、电压越高,存在不安全因素可能性也越大。并且到目前为止,并没有很好的技术手段来克服这些根本性问题。这一点对安全性要求越来越高的数据中心不间断供电保障电源系统是无法接受的。因此,目前磷酸铁锂蓄电池组不宜作为大容量或高电压后备电池组使用。

 (7)不可能长期均充也不应长期浮充

磷酸铁锂蓄电池充满电后,只要BMS由外界电源维持工作,电芯的自耗电非比较低,在一段时间内可以不需要再补充电。另一方面,若在已经充满电的状态下,长期维持外界电源电压加在电芯上,会出现时充时放或反复微电流充电工作模式,BMS或电池管理功能中均衡电路、充放电MOSFET管都要频繁工作,对锂电池反而不利。从电化学的角度来说,长期浮充会使电解液的缓慢分解、促进氧化膜的形成,造成电池容量的损失。基于锂电池与铅酸电池不同的特点,磷酸铁锂电池不应长期工作在浮充状态,而应该采用间隙性充电模式,比如有的产品的间歇性充电模式是充电到最高一节单体3.75V停止整组充电,自放电到最低一节单体3.5V时再次启动整组充电(各厂家条件数值也许有些不同,还可以用荷电量(SOC)变化作为判断条件,但基本原则相同)。

磷酸铁锂电池充电电压与容量变化曲线与铅酸蓄电池有不同之处在于:铅酸蓄电池在接近充电电压上限时增加0.1V电压(比如从2.23V上升到2.33V),容量还可以充进去10%以上;而磷酸铁锂电池则不同,在接近充电电压上限时增加0.1V电压(比如3.6V上升到3.7V),最多再充进1%~2%电量,几乎没有多大实际意义。而且即使用更高电压对磷酸铁锂电池进行了均充,把电压和容量都充上去了,随着长期处于浮充电压状态,电池的自放电也会将电压和容量退回原来状态。因此,可以考虑在交流UPS系统和高频开关电源系统采用磷酸铁锂电池时,关闭系统内的自动或手动均充功能,将浮充电压设定为磷酸铁锂电池的正常工作电压即可。

  作者简介

侯福平,中国电信股份有限公司广州研究院高级技术经理、高级工程师、中国通信学会高级会员、中国通信学会电源专业委员会委员、中国电源学会高级会员。中国通信标准化协会通信电源与通信局站工作环境技术工作委员会(TC4)第二工作组(WG2)组长、工业和信息化部通信电源专业情报网专家、广东省电源行业协会监事、广东省电源行业协会电源及电力电子专业技术委员会专家、《电信技术》杂志特邀技术顾问、《通信电源技术》编委会委员。

编辑:Harris

 

关键词:ups电源参数/list-3-1.html


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