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1 引言
鋰電池問世至今，主要還是作為動力電池使用，因此很多工作特性和指標要求都是按動
力電池來考慮的。中國電信由集團電源中心牽頭從2006年開始跟蹤研究磷酸鐵鋰蓄電池用做通信電源的後備用蓄電池，並在通信網絡電源設備中進行現場實際應用，從此展開了後備式鋰電池在通信網絡乃至數據中心供電保障實際應用的探索。近幾年來，隨著材料技術的進步和人們對磷酸鐵鋰蓄電池設計、製造、檢測和使用諸方麵要求的認識不斷加深，還有生產成本的大幅下降以及節能減排的要求，特別是2011年以來國家對鉛酸蓄電池生產的整治等各種原因，促進了後備式磷酸鐵鋰蓄電池產業發展迅速，應用規模也不斷擴大。但是，後備式磷酸鐵鋰蓄電池的一些根本性要求並沒有得到明確規定，人們對鋰電池的認識上存在不同的看法，給鋰電池的發展和推廣應用帶來了困難，為了規範後備用磷酸鐵鋰蓄電池在數據中心的應用方式，促進產業良性發展，有必要統一認識並盡快確定後備式鋰電池應用的基本原則和相關技術要求。
2 鋰電池的基本情況和特點
（1）鋰電池的分類
鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。
①鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。
鋰金屬電池放電反應為：Li+MnO2=LiMnO2
可充電的第五代產品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優於鋰離子電池。由於其自身的高技術要求限製，現在隻有少數的幾個國家的公司在生產這種鋰金屬電池。
②鋰離子電池不含有金屬態的鋰，並且是可以充電的。鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。
充電正極上發生的反應為
LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(電子)
充電負極上發生的反應為
6C+XLi++Xe-=LixC6
充電電池總反應：LiCoO2+6C=Li(1-x)CoO2+LixC6
根據鋰離子電池所用電解質材料的不同，鋰離子電池分為液態鋰離子電池(LiquifiedLithium-IonBattery，簡稱為LIB)和聚合物鋰離子電池(PolymerLithium-IonBattery,簡稱為PLB)或塑料鋰離子電池（PlasticLithiumIonBatteries,簡稱為PLB)。它們的主要區別在於電解質的不同，液態鋰離子電池使用液體電解質，聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質來代替，這種聚合物可以是“幹態”的，也可以是“膠態”的，目前大部分采用聚合物凝膠電解質。
根據正極材料的不同鋰離子電池可分為鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰等多種，其電池工作原理是基本一致的。目前在我國作為後備式應用最廣泛的磷酸鐵鋰蓄電池是其中一種
（2）後備用蓄電池組的性能要求
蓄電池組的儲能主要有兩種用途：動力用儲能和後備用儲能。在數據中心不間斷電源係統使用的蓄電池組是一種後備儲能用蓄電池組。與的動力用儲能電池最大的不同之處在於，後備儲能蓄電池隻在市電停電或電源設備發生故障等應急情況下時才起作用，市電正常時是不需要的。因此，蓄電池組的可用性是首要的。正如消防車一樣，一輛普通的卡車甚至手推車都可以作為消防車使用，而在大城市中上千萬一輛的專業消防車也就是作為消防車使用，其實人們更關注的就是它的可用性能。正所謂“養兵千日，用兵一時”，如果在關鍵時刻，正需要蓄電池放出電時，它卻失效了，那麽就沒有必要配置後備蓄電池組了。
對後備式蓄電池組的性能要求，一般可以關注以下幾個方麵：
——安全特性：如蓄電池使用的安全性、供電的可用性等；
——能量特性：如電池的比容量、比能量等；
——工作特性：如循環壽命、工作電壓平台、阻抗、荷電保持率等；
——適應能力：如高溫性能、低溫性能、抗振動衝擊性能、安全性能等；
——配套特性：主要指和用電設備的配套能力好壞，如尺寸適應能力、快速充電、脈衝放電等。
（3）磷酸鐵鋰電池的優勢
與普通的鉛酸蓄電池及其他電池相比較，磷酸鐵鋰電池具有以下的優點：
①能量特性好。磷酸鐵鋰電池的比容量和比能量都比較高，具有高儲存能量密度。如圖2所示。
②循環壽命長。根據YD/T2344.1-2011《通信用磷酸鐵鋰電池組第1部分：集成式電池組》的要求，磷酸鐵鋰電池組的循環壽命應不少於1000次。實驗數據表明，其使用壽命可達到6年以上，按1C（100%DOD）充放電，有可以使用10,000次的記錄。而按照YD/T799-2010《通信用閥控式密封鉛酸蓄電池》中的規定，鉛酸蓄電池壽命以循環耐久性試驗測量，也隻要求不少於400次。
③額定電壓高。磷酸鐵鋰電池組的單體標稱工作電壓為3.2V，組成蓄電池組所需串聯的電池隻數要鉛酸蓄電池約減少30%。
④具備高功率承受力。其中電動汽車用的磷酸鐵鋰電池可以達到15C-30C充放電的能力，便於高強度的啟動加速。
⑤自放電率低。這是磷酸鐵鋰電池最突出的優越性之一，一般可做到1%/月以下，不到鎳氫電池的1/20。根據YD/T2344.1-2011《通信用磷酸鐵鋰電池組第1部分：集成式電池組》的要求，在環境溫度為25℃±2℃的條件下將充滿電後電池組開路靜置28天，再以1.0I10A電流放電至終止電壓，電池組容量應不低於額定容量的95％。
⑥重量輕。相同體積下重量約為鉛酸蓄電池的1/6-1/5。
⑦高溫適應性強。可以在高達60℃的環境下使用。經過工藝上的處理，還可以在-45℃環境下使用。
⑧綠色環保。磷酸鐵鋰電池的正極為橄欖石晶體結構的磷酸鐵鋰材料通過粘結劑附著在鋁箔上，負極是石墨材料通過粘結劑附著在銅箔上，電解質是六氟磷酸鋰，正負極間的隔膜采用聚乙烯或者是聚丙烯和聚乙烯複合隔膜或者是陶瓷隔膜，這些材料對人體無害，屬於環保型電池。不論生產、使用和報廢，都不含有、也不產生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質。
（4）後備式磷酸鐵鋰電池組的可用性分析
根據數據中心供電保障的特點和對後備式蓄電池組的要求，91探花视频在线观看可以設定鉛酸蓄電池和磷酸鐵鋰電池的可靠性模型如圖3所示。
如圖3（a）所表示的，在不間斷電源技術中，鉛酸蓄電池一般是作為裸電池使用的。對鉛酸蓄電池組的充放電都是由開關電源或UPS負責實施的，即使對電池組附加一些單體電池監控或接入動環監控係統中，一般也是“隻監不控”，即便這些監控設備有問題，也不會影響鉛酸蓄電池組的輸出。鉛酸蓄電池可以視作一種化學電源，其可靠性R一般都可高於電子電源設備。
對於磷酸鐵鋰蓄電池組而言，由於其一致性差等固有缺點，就必須要有對蓄電池充電過程和放電過程進行管理等保護措施和相關的管理控製，故電池管理係統（BMS）或相關功能是必不可少的，並成為電池組的必要組成部分。理論上分析，在結構上相當於在裸電池後麵串聯了BMS，即一個化學電源和一個電子電源設備的串聯，如圖3b）所示。其可靠性為R1×R2。因R1≤1且R2≤R1，故即使磷酸鐵鋰電池本身的可靠性R1與鉛酸蓄電池的可靠性R相同，R1×R2≤R，故可以得出磷酸鐵鋰電池的可靠性是要低於鉛酸蓄電池的。實際使用情況也是如此。
3 磷酸鐵鋰電池在數據中心應用的思路
磷酸鐵鋰電池在數據中心的應用應該揚長避短，充分發揮其優勢（循環壽命長、耐高溫、體積能量密度等），避免劣勢（價格高、可用性較低、安全性較差等）。
（1）後備式磷酸鐵鋰電池的應用尚應作為鉛酸蓄電池的補充
鉛酸蓄電池作為二次化學電池，問世已經有上百年的曆史，具有安全、廉價等優勢而經曆多年發展而不衰，雖然曆經改進但基本的原理和結構並沒有很大的變化。盡管它在體積、重量等方麵有許多局限性，在生產、使用過程也存在著大量的詬病，而人們卻無法拋棄它。近年來鉛酸蓄電池仍占到二次化學電池總量的60%～65%（在數據中心係統中幾乎100%），預計在10年甚至更長時間內，鉛酸蓄電池仍將是二次化學電池中非常有競爭力的一種。“存在就是道理!”一種傳統的電力電子產品，能夠在世間生存這麽久而且經久不衰，又沒有更好的替換品，一定有它存在且不易被替代的價值。反觀鋰電池技術，雖然有很多的優點，但畢竟問世的尚短，有待時間去檢驗。後備式磷酸鐵鋰電池在通信網絡上的應用隻不過幾年的時間，而在數據中心的應用尚在試驗和探討之中，還有許多問題需要進一步去探討、解決。
由此看來，目前要用磷酸鐵鋰電池去全麵替代鉛酸蓄電池，摒棄鉛酸蓄電池的使用是不現實的，至少在後備式儲能上是這樣。因此，磷酸鐵鋰電池相對於鉛酸蓄電池來說，當前應該定位為是一種“補充”。應該應用在一些能夠充分發揮磷酸鐵鋰電池特性的場合，即利用磷酸鐵鋰電池的長處，去補充鉛酸蓄電池的不足。應該充分探討磷酸鐵鋰電池的優勢以及信息通信和數據中心對後備用蓄電池的不同需求，找到和找準磷酸鐵鋰電池補充鉛酸蓄電池的突破口。
（2）發揮優勢，合理選擇鋰電池的應用環境
數據中心耗能主要以電為主，用電集中而且耗電量越來越大，一般都選擇部署在市電供電條件比較好的地方。在供電保障方麵，一般都會配置雙路供電或後備油機，停電的概率相當低，停電次數少且間隔時間也比較短，對蓄電池的循環充放電次數要求並不敏感。其次，在機房環境方麵，一般數據中心都配置大型的中央空調或機房小宝探花视频在线观看，有較好的空氣控製調節能力，正常情況下室內溫度都不會過高，基本上不需要高溫運行的要求。因此，在數據中心的供電保障係統中，磷酸鐵鋰電池循環壽命和耐高溫性能等方麵並無法發揮優勢。
從供電保障需求的角度，數據中心可以分為集中式供電和分布式供電兩大類。
對於集中式的供電電源係統，在數據中心建設時一般都會根據發展和規劃預留足夠的電源機房空間和儲備，非特殊情況對蓄電池的擺放麵積和空間都不會出現問題。因此，磷酸鐵鋰電池的優勢難以得到很好發揮。相反，目前磷酸鐵鋰電池價格較高以及集中供電耗電量大、需要大容量、高電壓的蓄電池組（更多串聯節數）的問題會凸顯。
對於分布式供電電源係統（例如DPS及模塊化數據中心和微模塊），由於其需要的容量相對較小，以及需要接近設備甚至與設備同機櫃內放置帶來的空間、承重限製，采用磷酸鐵鋰蓄電池是比較鉛酸蓄電池更適合的。
（3）根據應用場合和需求合理選擇磷酸鐵鋰電池的配置
91探花视频在线观看將由一個電解液係統構成、單體標稱電壓為3.2V的磷酸鐵鋰電池稱為單體電池；由2個或2個以上磷酸鐵鋰單體電池串聯組合而成的電池組合成為電池模塊，則磷酸鐵鋰蓄電池組是由1個或多個電池模塊加上BMS組成的一個整體。
目前，對磷酸鐵鋰蓄電池組在數據中心中的使用尚未有相關的國家標準和行業標準可以作為應用依據。現階段在通信網絡中用磷酸鐵鋰電池作為通信網絡後備電源，主要參照通信行業標準YD/T2344.1-2011《通信用磷酸鐵鋰電池組第1部分：集成式電池組》的技術要求。對磷酸鐵鋰蓄電池組的配置和主要技術要求包括如下：
①蓄電池組標稱電壓：48V；
②電池模塊額定容量：5Ah、10Ah、20Ah、30Ah、40Ah、50Ah；
③蓄電池組額定容量：10Ah、20Ah、40Ah、50Ah、100Ah；
④每個電源係統中，蓄電池組宜分兩組或多組配置，最多不應超過4組。
其他具體的技術要求可以參考YD/T2344.1-2011《通信用磷酸鐵鋰電池組第1部分：集成式電池組》的相關內容。
值得注意的是，目前對與UPS或高電壓直流電源係統所配置的磷酸鐵鋰蓄電池組，一般都是以48V的集成式磷酸鐵鋰蓄電池組為基礎，采用多個串聯而組成。這種方式需要在原有的集成式電池組BMS之上再增加一級電池管理或控製，形成了兩級甚至多級的多重電池管理，容易導致管理紊亂和供電可靠性下降。這並非可取之舉。
4 磷酸鐵鋰電池在數據中心應用應注意的問題
（1）兼容性能要好
在數據中心總采用交流UPS係統或直流電源係統作為不間斷供電保障技術應用已久，已經成為是整個數據中心供電電源的核心。相關的交流UPS係統和高頻開關電源係統技術標準和規範已經製定在前並都已經有較全麵詳細的要求（詳見相關國家標準以及通信行業標準YD/T1095-2008《通信用不間斷電源-UPS》以及YD/T1058-2007《通信用高頻開關電源係統》等）。後備式磷酸鐵鋰電池組應去適應現有交流UPS係統和高頻開關電源的技術條件，在不改變現有技術要求的情況下能夠與鉛酸蓄電池組兼容應用。也就是說，盡量在不改變現有交流UPS係統和高頻開關電源係統的參數配置或在可調整的參數設置範圍內去使用磷酸鐵鋰蓄電池組。否則，就有可能需要去修改交流UPS係統和高頻開關電源的技術標準要求，造成老舊設備不兼容或改造工作牽涉麵廣等問題。由此導致不能夠在現有的電源係統中使用磷酸鐵鋰蓄電池組或者新電源係統不能兼容使用鉛酸蓄電池組，造成推廣應用的局限性。
（2）不宜作為裸電池直接使用
從磷酸鐵鋰蓄電池的特性以及實際推廣實踐證明，由於磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池的特性確實存在較大的差異。在電池單體串聯成組使用的情況下，單體之間一致性靠自身控製是非常困難和低效的，其均衡性以及過充過放對電池本身的不可逆損壞等問題決定當使用磷酸鐵鋰電池作為後備電源時，不可能不作管理而直接使用。也就說，電池組管理功能不能簡單省去，磷酸鐵鋰蓄電池不應該作為裸電池直接在數據中心供電電源係統中使用，否則很容易出現均衡性嚴重劣化的不利後果。
（3）關注蓄電池的實時控製和管理
電池管理功能是指用於實現對磷酸鐵鋰蓄電池組的實時控製管理，特別是對蓄電池組中單體電池的均衡性、一致性管理以及過充過放的限流管理。電池管理功能的應用可以有效延長磷酸鐵鋰電池組的使用壽命，並對電池組提供一定的安全保障。這是磷酸鐵鋰蓄電池應用與鉛酸蓄電池的最大不同之處，也是其最明顯的優勢之處。
對磷酸鐵鋰蓄電池的管理作為一種功能要求，可以有不同的型式。有些可以是分散式的控製方式，甚至可以利用高頻開關電源的蓄電池管理功能來實現。其中，通過電池管理係統（BMS）來實現對磷酸鐵鋰蓄電池的管理，是目前常見和有效的方式。
由於BMS的概念來自於對汽車動力用鋰電池的應用，其功能要求更多地是適合於動力型鋰電池係統的控製。但後備用磷酸鐵鋰蓄電池BMS的應用要求和特點與動力用是不一樣的，且BMS屬於電力電子控製技術範疇與電化學是兩個不同的學科，許多擅長電化學技術的廠家在BMS技術方麵明確存在短板。加上尚沒有統一的後備式磷酸鐵鋰蓄電池BMS功能的技術標準和規範，目前，各廠家的磷酸鐵鋰蓄電池的產品主要的差別就是在BMS技術上。
（4）蓄電池管理係統（BMS）的功能
在磷酸鐵鋰蓄電池組的BMS或管理功能中，以下幾點是必不可少的：
①必須包括對單體電池的均衡性的管理；
②在實施充電過流保護時，應保證繼續的限流充電而不是截止型的停止充電措施；
③在實施放電過流保護時，應保證在最大限流值內電流輸出而不得中斷蓄電池組輸出；
④對蓄電池的管理可以是分散的，但不應是多級串聯式進行管理或多重管理。
（5）繼續關注鋰電池的安全性能
鋰電池的熱穩定性和過充保護對其本身的安全性有直接影響。雖然磷酸鐵鋰蓄電池的安全性能遠比其他材料的鋰電池要好，但作為在數據中心這種特定環境下應用的磷酸鐵鋰蓄電池，其安全性能仍然不容忽視。正負極材料、電解液及其添加劑、電池的結構以及製備工藝條件都對磷酸鐵鋰電池的安全性有重要影響。實際使用時，尤其在濫用情況下：如高溫環境、內部，外部短路、過充放、振動、擠壓和撞擊，保護電路失靈等，更容易出現冒煙、著火甚至爆炸情況。因此，要保證磷酸鐵鋰蓄電池的可用性，其本身的安全性能是絕對不可忽視的！
（6）目前鋰電池組不宜作為大容量或高電壓後備電池組使用
由於磷酸鐵鋰單體電池的標稱電壓恒定為3.2V，目前的技術條件也不允許單體容量做的很大，故大容量或高電壓的蓄電池組需要靠更多單體電池的串聯和並聯來實現。而在大容量、高電壓的磷酸鐵鋰蓄電池組的生產和應用中還存在許多技術問題，例如：技術開發、技術規範、散熱問題、可靠性設計問題、大功率保護電路開發、安全性等諸多技術難題，需要整個行業從材料到生產以及使用單位，同心協力，不斷改進，方能真正實現推廣應用。
另一方麵，磷酸鐵鋰蓄電池組容量越大、電壓越高，存在不安全因素可能性也越大。並且到目前為止，並沒有很好的技術手段來克服這些根本性問題。這一點對安全性要求越來越高的數據中心不間斷供電保障電源係統是無法接受的。因此，目前磷酸鐵鋰蓄電池組不宜作為大容量或高電壓後備電池組使用。
（7）不可能長期均充也不應長期浮充
磷酸鐵鋰蓄電池充滿電後，隻要BMS由外界電源維持工作，電芯的自耗電非比較低，在一段時間內可以不需要再補充電。另一方麵，若在已經充滿電的狀態下，長期維持外界電源電壓加在電芯上，會出現時充時放或反複微電流充電工作模式，BMS或電池管理功能中均衡電路、充放電MOSFET管都要頻繁工作，對鋰電池反而不利。從電化學的角度來說，長期浮充會使電解液的緩慢分解、促進氧化膜的形成，造成電池容量的損失。基於鋰電池與鉛酸電池不同的特點，磷酸鐵鋰電池不應長期工作在浮充狀態，而應該采用間隙性充電模式，比如有的產品的間歇性充電模式是充電到最高一節單體3.75V停止整組充電，自放電到最低一節單體3.5V時再次啟動整組充電（各廠家條件數值也許有些不同，還可以用荷電量（SOC）變化作為判斷條件，但基本原則相同）。
磷酸鐵鋰電池充電電壓與容量變化曲線與鉛酸蓄電池有不同之處在於：鉛酸蓄電池在接近充電電壓上限時增加0.1V電壓（比如從2.23V上升到2.33V），容量還可以充進去10%以上；而磷酸鐵鋰電池則不同，在接近充電電壓上限時增加0.1V電壓（比如3.6V上升到3.7V），最多再充進1%~2%電量，幾乎沒有多大實際意義。而且即使用更高電壓對磷酸鐵鋰電池進行了均充，把電壓和容量都充上去了，隨著長期處於浮充電壓狀態，電池的自放電也會將電壓和容量退回原來狀態。因此，可以考慮在交流UPS係統和高頻開關電源係統采用磷酸鐵鋰電池時，關閉係統內的自動或手動均充功能，將浮充電壓設定為磷酸鐵鋰電池的正常工作電壓即可。
作者簡介
侯福平,中國電信股份有限公司廣州研究院高級技術經理、高級工程師、中國通信學會高級會員、中國通信學會電源專業委員會委員、中國電源學會高級會員。中國通信標準化協會通信電源與通信局站工作環境技術工作委員會（TC4）第二工作組（WG2）組長、工業和信息化部通信電源專業情報網專家、廣東省電源行業協會監事、廣東省電源行業協會電源及電力電子專業技術委員會專家、《電信技術》雜誌特邀技術顧問、《通信電源技術》編委會委員。
編輯：Harris
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