電池的發(fā)展歷史及其在數(shù)據(jù)中心的地位
當今IT行業(yè)的發(fā)展可謂日新月異，但儲能電池卻成了所有IT設(shè)備發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)30%以上的數(shù)據(jù)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(fā)明鉛酸電池以來，鉛酸電池技術(shù)發(fā)展非常緩慢，基本上沒有大的突破。對于所有數(shù)據(jù)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(yīng)用場景的要求很苛刻：環(huán)境溫度既不能過低也不能過高；電池既怕經(jīng)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(shè)備，電池占地空間巨大，樓板承重要求極高。
隨著市電供電環(huán)境的日趨改善，以及數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的高度冗余化設(shè)計，UPS配套蓄電池很少有真正發(fā)揮放電作用的時候。但卻依然需要服務(wù)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(jiān)測裝置，以便實時了解每一只蓄電池的狀態(tài)。所有這些措施都是為了讓蓄電池在關(guān)鍵時刻能發(fā)揮作用，但是我們?yōu)榇烁冻龅拇鷥r似乎太大了。
最近10年，以鋰離子電池（Lithium Ion Battery，以下簡稱鋰電池）為代表的新型儲能電池已經(jīng)在消費電子領(lǐng)域占據(jù)90%以上市場。而伴隨著電動汽車行業(yè)的高速發(fā)展，今天的鋰電池成本已經(jīng)比5年前下降了70%。另一方面，自2016年以來席卷中國的環(huán)保風暴，已經(jīng)使全國近80%的中小規(guī)模鉛酸蓄電池工廠關(guān)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(jīng)逼迫大多數(shù)鉛酸電池工廠部分轉(zhuǎn)型生產(chǎn)鋰電池，因為這場儲能技術(shù)的革命給整個鉛酸電池行業(yè)帶來的壓力是致命的，不轉(zhuǎn)型就會被淘汰。
鋰電池在全球數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用
根據(jù)Uptime在2017年所做的全球數(shù)據(jù)中心調(diào)研顯示10%的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)采用了鋰電池作為后備能源。施耐德電氣預(yù)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(shù)優(yōu)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(shù)據(jù)中心領(lǐng)域早已得到廣泛應(yīng)用，據(jù)了解目前韓國已有近80%的新建數(shù)據(jù)中心UPS采用了鋰電池。2012全球第一個鋰電池數(shù)據(jù)中心----新韓銀行（Shinhan Bank）投入使用，其中采用了34臺施耐德電氣500KVA UPS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(qū)，用戶對于電池的占地空間和重量更為關(guān)注，由于鋰電池的能量密度是鉛酸電池數(shù)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(wù)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(shù)據(jù)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(wěn)定導致電池經(jīng)常充放電，且環(huán)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(yīng)能力更強、放電后能快速回充、循環(huán)次數(shù)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(shù)據(jù)中心均采用了施耐德電氣VX UPS+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(guān)注數(shù)據(jù)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(shè)備后期的維護和更換成本（OPEX）花費更大。數(shù)據(jù)中心UPS的設(shè)計壽命通常為10年以上，而其配套的鉛酸電池雖然標稱設(shè)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(xiàn)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(shè)計和高循環(huán)次數(shù)，在UPS 10年生命周期內(nèi)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(tǒng)），因此可以實現(xiàn)對每一只電芯、模組、機架和系統(tǒng)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(tài)和健康趨勢，省去了服務(wù)工程師到現(xiàn)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(fù)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(yè)采用的都是高度自動化的產(chǎn)線，產(chǎn)能決定成本，這是一個近乎勝者通吃的行業(yè)。作為全球最大的鋰電池生產(chǎn)國，近幾年各廠商都在大力擴產(chǎn)，但由此帶來的結(jié)果就是整個行業(yè)產(chǎn)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(yè)亟待開拓新的應(yīng)用增長點，諸如風光儲能、電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)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(guān)注
通過以上介紹可以看出，鋰電池各項性能指標都已經(jīng)遠遠優(yōu)于鉛酸電池?？梢灶A(yù)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(yè)用鋰電池全面替代鉛酸電池已經(jīng)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(guān)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(shè)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(zhì)量的鋰電池和設(shè)計粗糙的BMS，從而導致電池在充電時熱失控而發(fā)生燃燒事故。
作為數(shù)據(jù)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(guān)注：
1、高質(zhì)量的電芯生產(chǎn)和質(zhì)量管控
2、完善的BMS的設(shè)計
3、鋰電池的化學材料
4、鋰電池與UPS的兼容性測試
高質(zhì)量的電芯生產(chǎn)和質(zhì)量管控
鋰電池的生產(chǎn)線都是高度自動化的，只有通過高質(zhì)量的生產(chǎn)工藝管控才能保證電芯的高品質(zhì)和高度一致性。目前全球頂級的鋰電池制造商如韓國的三星/LG，日本的松下/東芝，都已經(jīng)采用了先進的自動化產(chǎn)線，年產(chǎn)能都已超過10GWh。
鋰電芯生產(chǎn)完畢后，需要再將多只電芯通過串并聯(lián)組成電池模組（俗稱Module），這一過程中需要將電池的正負極端子進行連接，大廠商通常采用的是激光焊接機進行端子的焊接，以減少接觸電阻，保證端子連接的可靠性。而小廠商則普遍采用手動螺栓螺母壓接的方式，難以保證端子的可靠連接，可能給將來的長期運行帶來隱患。
由于鋰電池的嚴格質(zhì)量管控，加上自身循環(huán)壽命相比鉛酸電池有了很大的提升，因此在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，很多大品牌的鋰電池可以做到10年質(zhì)保。
完善的BMS設(shè)計是鋰電池系統(tǒng)安全的核心技術(shù)
鉛酸電池廠商通常都不生產(chǎn)BMS（電池管理系統(tǒng)），BMS在鉛酸電池時代屬于一個豪華配置，只有銀行之類的高端客戶才會舍得花費蓄電池額外10~20%的成本來加裝BMS，當然這對于用戶實時了解鉛酸電池的健康狀況是非常重要的，但缺點是鉛酸電池BMS只能看而不能控制。
所有的鋰電池都是標配BMS的。目前國際一線品牌的鋰電池廠商例如三星/LG等都是自己設(shè)計生產(chǎn)BMS，以確保自己電芯和BMS的性能匹配和充放電安全。當電池發(fā)生任何過壓充電、過流放電、電池短路等故障時，通過BMS可以迅速切斷故障電流，防止電池發(fā)生熱失控風險。可以說BMS才是整個鋰電池系統(tǒng)安全的核心技術(shù)所在。
鋰電池BMS不僅要實時監(jiān)測每個電芯的電壓電流溫度等狀態(tài)，提供電池健康趨勢分析，更重要的是它可以主動平衡電芯的充放電，最終改善各個電芯的一致性，避免因為木桶短板效應(yīng)導致的整組電池失效。而這些都是鉛酸電池BMS所不具備的。下表中列出了鉛酸電池BMS和鋰電池BMS的比較：
鋰電池的化學材料
鋰電池有很多流派，例如鈦酸鋰、鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元鋰（NCM）、鎳鈷鋁三元鋰（NCA）等，這些指的都是鋰電池的正極材料，每種化學材料都有其適合的應(yīng)用場景。對于數(shù)據(jù)中心UPS而言，由于其短時間大電流放電、放電功率大、長期備電浮充等應(yīng)用特點，比較適合的是磷酸鐵鋰、錳酸鋰、NCM三元鋰技術(shù)。
縱觀全球鋰電池市場，日韓系主要是以三元鋰和錳酸鋰為主。而中國市場由于專利技術(shù)和政府引導等因素，多數(shù)廠商是以磷酸鐵鋰開始起步的。但近幾年由于中國政府對電動汽車補貼門檻的提高，加上磷酸鐵鋰的能量密度已經(jīng)很難再向上突破，因此絕大多數(shù)廠商都已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)向三元鋰技術(shù)，2017年中國電動乘用車市場上三元鋰已達到76%市場占有率。
在鉛酸電池時代，UPS所使用的鉛酸電池占了整個行業(yè)的近20%；但進入鋰電池時代后，UPS所使用的鋰電池只占整個鋰電池行業(yè)的2%都不到。鋰電池的使用大戶依然是IT電子消費品、電動汽車和ESS儲能為主，因此這些行業(yè)的鋰電池技術(shù)走向就直接決定了UPS鋰電池的方向。
市場上關(guān)于三元鋰和磷酸鐵鋰的能量密度及安全性爭論不休，但不可否認的是，這些爭論只是局限在了鋰電池正極材料理論性能的一個方面。鋰電池系統(tǒng)的安全，需要綜合考慮負極材料、電解液、隔膜材料、電芯外殼封裝、電池模塊成組、BMS、熔絲保護、直流斷路器、生產(chǎn)制造工藝水平、質(zhì)量管控等眾多因素。由于鋰電池正極材料而產(chǎn)生的問題還不到所有鋰電池系統(tǒng)問題的10%。對于UPS鋰電池的選擇是應(yīng)該是安全性、能量密度、成本的綜合權(quán)衡，選擇大品牌公司的鋰電池系統(tǒng)才能得到可靠的質(zhì)量保障。
鋰電池與UPS的兼容性測試
UPS可以采用各種品牌的鉛酸電池，但對鋰電池則不可以，因為鋰電池是自帶BMS的，是一種智能型電池，具備自我管控能力，并與UPS主機進行通訊。當鋰電池充滿電后它會自動從UPS充電器上脫開，傳統(tǒng)的UPS軟件設(shè)計可能會認為這是電池故障而發(fā)出告警。
不同材質(zhì)的鋰電池充放電電壓、電流，截止電壓等都不相同，例如磷酸鐵鋰電芯的額定電壓是3.2V，而三元鋰則是3.8V。因此我們絕對不可以簡單地說UPS可以適用鋰電池，而只能說是適用某個品牌的某款鋰電池。在使用鋰電池前UPS需要與之進行嚴格的匹配測試才可以，并需要針對這款鋰電池對UPS更新固件（Firmware）。施耐德電氣公司近年來上市的UPS都已經(jīng)具備了鋰電池的兼容性。
UPS采用的高倍率鋰電池可以進行短時間大電流充放電，與此對應(yīng)的是UPS充電器設(shè)計也需要適應(yīng)這一變化。傳統(tǒng)UPS充電器功率僅為UPS輸出額定功率的10~15%，但施耐德電氣新型Galaxy V系列UPS充電功率可達UPS輸出額定功率的40%，如此強大的充電器理論上可在30分鐘~1小時內(nèi)將鋰電池快速充滿。
鋰電池在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用瞻望
隨著鋰電池技術(shù)的成熟完善和成本日益優(yōu)化，數(shù)據(jù)中心UPS將快速地完成從鉛酸電池向鋰電池的轉(zhuǎn)換，這將讓數(shù)據(jù)中心管理者重新規(guī)劃灰區(qū)和白區(qū)布局。未來鋰電池將不僅僅是作為UPS短時間后備延時，其強大的循環(huán)放電性能將會延伸出更多應(yīng)用，例如借助UPS+鋰電池實現(xiàn)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(fā)電機組，讓我們拭目以待這場新能源為數(shù)據(jù)中心帶來的技術(shù)革命。
