電池的發(fā)展歷史及其在數(shù)據(jù)中心的地位
當(dāng)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(gè)主要瓶頸，因?yàn)楹芫靡詠黼姵氐哪芰棵芏群茈y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(hù)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(fù)載安危都寄托在電池的可靠性上，但實(shí)際應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)30%以上的數(shù)據(jù)中心負(fù)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(gè)令人頭疼卻又不得不面對的事實(shí)。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(shí)既不能快速充電還不能快速放電；需要獨(dú)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(jì)，UPS配套蓄電池很少有真正發(fā)揮放電作用的時(shí)候。但卻依然需要服務(wù)工程師定期維護(hù)和充放電以激活其性能。為了能夠了解蓄電池這個(gè)“黑盒子”的真實(shí)性能，有些客戶還專門配置了在線監(jiān)測裝置，以便實(shí)時(shí)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(shí)刻能發(fā)揮作用，但是我們?yōu)榇烁冻龅拇鷥r(jià)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(fèi)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(fēng)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(jià)成本的逐年上漲也使得鉛酸電池成品價(jià)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?yàn)檫@場儲能技術(shù)的革命給整個(gè)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(jì)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(gè)鋰電池?cái)?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?cái)?shù)倍，其占地空間比鉛酸電池減少了60%以上，省出的寶貴機(jī)房空間可以擺放服務(wù)器機(jī)柜來出租盈利。同時(shí)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(jī)房而言，承重改造費(fèi)用得以大幅縮減。
印度
在印度，由于市電供電不穩(wěn)定導(dǎo)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(qiáng)、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(jià)格及其敏感的市場上，盡管鋰電池價(jià)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(rèn)可。例如全球最大的搜索引擎公司、飲料公司和日用消費(fèi)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?yàn)橄鄬τ谟布某跏假徺I價(jià)格來說，設(shè)備后期的維護(hù)和更換成本（OPEX）花費(fèi)更大。數(shù)據(jù)中心UPS的設(shè)計(jì)壽命通常為10年以上，而其配套的鉛酸電池雖然標(biāo)稱設(shè)計(jì)壽命10年，但通常在第5~6年就要更換一次，因?yàn)樵阢U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(dá)80%時(shí)即宣告報(bào)廢。而鋰電池即使在使用10~15年后其剩余容量依然達(dá)到80%以上，其容量衰減是一個(gè)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(jì)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)對每一只電芯、模組、機(jī)架和系統(tǒng)進(jìn)行在線智能管理。只需一臺電腦就可以通過BMS實(shí)時(shí)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(jìn)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(jìn)行這些復(fù)雜的維護(hù)操作，用戶由此可以降低運(yùn)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(gè)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(kuò)產(chǎn)，但由此帶來的結(jié)果就是整個(gè)行業(yè)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，隨著中國政府對于電動汽車的補(bǔ)貼日漸縮減，鋰電池行業(yè)亟待開拓新的應(yīng)用增長點(diǎn)，諸如風(fēng)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(xiàng)性能指標(biāo)都已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鉛酸電池?？梢灶A(yù)期的是今后幾年鋰電池的價(jià)格將逐年走低，與之相反的是鉛酸電池價(jià)格逐年走高，整個(gè)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(shí)間問題。除了采購價(jià)格因素外，目前中國客戶在選擇UPS鋰電池的關(guān)注點(diǎn)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(hù)設(shè)計(jì)和BMS管理，鋰電池失控帶來的后果將遠(yuǎn)大于鉛酸電池。最近各地報(bào)道的一些電動自行車充電著火等報(bào)道更是加重了用戶的擔(dān)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(jì)粗糙的BMS，從而導(dǎo)致電池在充電時(shí)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(diǎn)，建議用戶在選型時(shí)重點(diǎn)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(jì)
3、鋰電池的化學(xué)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(jìn)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(fù)極端子進(jìn)行連接，大廠商通常采用的是激光焊接機(jī)進(jìn)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(yùn)行帶來隱患。
由于鋰電池的嚴(yán)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(jì)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(shí)代屬于一個(gè)豪華配置，只有銀行之類的高端客戶才會舍得花費(fèi)蓄電池額外10~20%的成本來加裝BMS，當(dāng)然這對于用戶實(shí)時(shí)了解鉛酸電池的健康狀況是非常重要的，但缺點(diǎn)是鉛酸電池BMS只能看而不能控制。
所有的鋰電池都是標(biāo)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(jì)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(dāng)電池發(fā)生任何過壓充電、過流放電、電池短路等故障時(shí)，通過BMS可以迅速切斷故障電流，防止電池發(fā)生熱失控風(fēng)險(xiǎn)?？梢哉fBMS才是整個(gè)鋰電池系統(tǒng)安全的核心技術(shù)所在。
鋰電池BMS不僅要實(shí)時(shí)監(jiān)測每個(gè)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(gè)電芯的一致性，避免因?yàn)槟就岸贪逍?yīng)導(dǎo)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(xué)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(xué)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(shí)間大電流放電、放電功率大、長期備電浮充等應(yīng)用特點(diǎn)，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(dǎo)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(bǔ)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(dá)到76%市場占有率。
在鉛酸電池時(shí)代，UPS所使用的鉛酸電池占了整個(gè)行業(yè)的近20%；但進(jìn)入鋰電池時(shí)代后，UPS所使用的鋰電池只占整個(gè)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(fèi)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(rèn)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(gè)方面。鋰電池系統(tǒng)的安全，需要綜合考慮負(fù)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(hù)、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?yàn)殇囯姵厥亲詭MS的，是一種智能型電池，具備自我管控能力，并與UPS主機(jī)進(jìn)行通訊。當(dāng)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(jì)可能會認(rèn)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(gè)品牌的某款鋰電池。在使用鋰電池前UPS需要與之進(jìn)行嚴(yán)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(jìn)行短時(shí)間大電流充放電，與此對應(yīng)的是UPS充電器設(shè)計(jì)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(dá)UPS輸出額定功率的40%，如此強(qiáng)大的充電器理論上可在30分鐘~1小時(shí)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(shí)間后備延時(shí)，其強(qiáng)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(shí)現(xiàn)削峰填谷和峰谷電價(jià)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(jī)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。
