数据中心电池技术：阀控铅酸蓄电池 与锂电池的比较
作者：VictorAvelarMartin Zacho
摘要
近几年，锂电池（Li-ion）的价格持续下降，目前正成为数据中心UPS应用的可行性选择方案.本 白皮书将简要概述用于静态UPS应用的锂电池与阀控铅酸蓄电池（VRLA）的不同特征，包含最佳化学成分和技术.为期10年的总拥有成本
电池的TCO比阀控铅酸蓄电池低39%.通过敏感 （TCO）分析显示，尽管存在投资成本溢价，但锂性分析，将揭示TCO的驱动因素.在篇末，我们会讨论锂电池用于改造及在新UPS中的应用，以 及温度对于电池寿命，运行时间和制冷的影响.
锂电池在各种不同应用中的商用化进程已有20余载1.那么，它们何以未被普及用于静态2数据中心UPS中的电池呢？事实上，其原因在于，与其他的应用一样，锂性方面的合理平衡.但在过去10年里，锂离子化学成分和技术的改进已为UPS供应 电池3在静态UPS应用中无法为UPS供应商提供价格、能量密度、功率、安全性和可商提供了现实的方案，这些改进很大程度上是出于电动汽车产业提出的要求.图1为应用于三相UPS的锂电池示例.
简介
图1
用于三相UPS应用（左）和柜内连接的多模块 个模块（右）的锂电池
锂电池具备诸多优于阀控铅酸蓄电池的合理优势，包括“：
UPS使用寿命内电池更换次数较少（可能无需更换），从而消除电池更换造成的岩机风险.同等能量下，重量为铅酸蓄电池的四分之一.放电次数是铅酸蓄电池的10倍，取决于化学成分、技术，温度和放电深度.自放电率约为铅酸蓄电池的五分之一（即，不使用时，电池放电迟缓） 在多种主要断电场景中，充电速度提高4倍以上.
但是，相比阀控铅酸蓄电池，锂电池也存在两大主要缺点：
由于较高的制造成本加之必要的电池管理系统成本，投资成本约为等能量铅酸蓄电池的2-3倍.运输法规更严格.
本白皮书简要概述锂电池不同于阔控铅酸蓄电池的特征，文中还对这两类电池之间的投资成本、运行成本和总拥有成本（TCO）进行了分析，并讨论锂电池用于改造及其在新 静态UPS中的应用.在篇末，我们会阐述温度对于电池寿命、运行时间和制冷的影响.
一般来说，的单节锂电池都有着一些共同特征.例如，它们均可充电和使用电解成分指的是产生化学反应以对单节电池充电和放电的元素.化学成分决定单节电池电 液，以及锂离子在不同电极之间游动.但一些具体的特征取决于化学成分和技术.化学压.技术指的是最终决定能量（瓦时）、功率（瓦特）、能量密度（瓦时/千克）、功 率密度（瓦/千克）、使用寿命、温度影响、稳定性及一系列其他设计特征（即电极厚度、电解液组成、涂层、添加剂等），
锂电池概述
以下章节简要概述部分主要锂电池特征以及它们如何与静态UPS应用中的阀控铅酸蓄电池进行比较.第231号白皮书《用于UPS锂电池的常见问题解答》提供了有关上述特征的更多信息.
最佳化学成分
UPS应用要求使用能够提供长达5-10分钟大量电容的电池.因此，UPS应用所需的锂（瓦时/千克）和功率密度（瓦/千克）.
离子化学成分和技术应能够在短时间内提供大电流，同时保证安全的内部电池温度.相较于铅酸电池，锂电池的化学成分提供更高的单位重量能量和功率，通常称为能量密度
动力电池与能量电池
如上所述，UPS应用需要电池能够在5-10分钟内提供较大电流及功率.就这一点而言，锂电池和铅酸蓄电池之间的主要差异是5-10分钟运行时间之后电池剩余多少容量.
能量与功率
动力电池旨在利用几乎全部的电池容量的同时，短时间内提供相对较大量的功率.以UPS应用为例，动力电池解决方案在满载下可提供1-2分钟的运行时间， 同时放出约80%的电池容量.能量电池旨在长期提供相对较小量的功率.在UPS应用中，能量电池解决方案在（上述）相同的时间内提供等量功率，但是仅放出10-30%的电池容量，
能量（单位：瓦时）指的是可向负载供电（单位：瓦特）多长时 间.下例解释了这一差异.
电池功率（W）=伏特×安培，如果电池系统在100状特下提供10 安培电流时，那么它可支持1000瓦的负载.
这基本意味着用于此类应用时，能量电池解决方案采用过度规划（以能量的形式），而且可以提供长于所需的运行时间.根据能量电池与动力电池之间的价格比较，在UPS应用中采用过度规划的能量电池解决方案相比采用合理规划的动力电池解决方 案价格更低.图2显示了能量与功率在不同储能技术以及对运行时间的相应影响方面的关系，每条线向下弯曲代表在较短运行时间内电池提供满容量受到的限制.注意铅酸蓄电池和锂电池的能量密度和功率密度的相对位置.
电池能量（Wh）=功率×小时 数.如果电池系统向负载提供时），那么它提供100瓦时的能 1.00瓦功率达6分钟（0.1小量
得出的重要结论是锂电池可设计为动力电池或能量电池.相反，VRLA电池的化学成分和技术限制其只能设计成能量电池.
施耐德电气-数据中心科研中心
2
能量与功率密度的关系图，又称为“关系曲线
资料来源：http:l/
生命周期
提到电池寿命时，电池在需要更换之前能够持续使用多长时间是问题的关键.不过，了达80%能量容量之前能够持续的预计时间，这是电池寿命结束的典型定义，使用寿命 解供应商采用的不同寿命测量标准至关重要.其中，使用寿命尤其关键.这是电池在到是指电池在指定应用的“实际”条件下运行，因此差异较大.相比之下，日历寿命是指使用的预计时间.铅酸蓄电池的使用寿命范围为3至6年，而锂电池的使用寿命可长达 如果电池在规定温度（通常25°C（77F））无断电情况下仍能以微电流充电时能够持续10年（利用加速寿命试验获得的预计时间）.请注意，对于新锂电池获得其实际使用 寿命数据还需要多年时间，但是，一些锂电池提供10年质保作为缺少服务数据的措施.
占地空间
由于锂电池具有较高的能量密度，因此它的占地空间或容积小于VRLA电池.空间节省对于托管数据中心或不动产成本较高的数据中心来说具有特别的吸引力.
重量
降低运输成本. 与占地空间类似，锂电池较高能量密度也使得其重量比VRLA电池更轻.重量轻有助于
电池监测
池需要完全控制充电和放电，以防止锂电池内出现不安全温度.
运营商会购买BMS来延长电池系统的使用寿命.但是，锂电池配有BMS，因为这些电
安全性
当谈及电池，尤其是锂电池时，安全乃重中之重.UPS应用需要记住的一件重要事情是，UPS供应商如要寻求特定UPS的化学成分、技术、电池封装和电池管理的最佳组合，则需与信誉良好的锂电池供应商密切合作.参阅第231号白皮书《用于UPS锂电 池的常见问题解答》，了解有关安全危害的更多信息.
法规
包括锂离子或VRLA在内的任何类型的电池运输均有着不同的法律法规.由于某些化学成分具有较高的能量密度和高挥发性，因此这些运输法规对于锂离子化学成分的要求更 为严格.
在某些数据中心投资中，愈发普及的是使用总拥有成本作为衡量标准，例如制冷系统节 能冷却模式和UPS电池投资.相比于VRLA电池，锂电池的某些动力电池化学成分和技术在10-15年期内提供有利的总拥有成本.这是UPS需要更换之前的典型寿命范围.
财务分析
一些锂电池成本研究可供使用，但由于各种不同的原因并一定完全有用：
它们专注于电动汽车或着长时间应用，这适合于能量电池而不适合于用于UPS应用的动力电池.它们是将相互竞争的锂电池成本进行比较，而不是与VRLA电池进行比较.它们不提供UPS应用规定的特定锂离子化学成分和技术.它们还关注投资成本而不是总拥有成本，
由于缺乏针对UPS应用的上述动力电池成本的研究，我们主要依靠动力电池厂商针对两个特定的三相UPS系列SymmetraMW和Galaxy提供的数据.下列章节分析了 1MWUPS应用在10年期间的资本支出、运营支出和总拥有成本.
假设条件
表1列出了与总拥有成本分析相关的电池属性.
电池属性 阀控铅酸蓄电池 锂电池化学成分 铅酸 LMO/NMC额定功率容量 1MW 1MW25C（77*F）时的运行时间 6分钟 6分钟25°C（77F）时的电池使用寿命 25°C（77°F）时的日历寿命 5年 17年5.4m²（59平方英尺） 4年 2.2m²（23平方英尺） 12年电池占地空间微电流充电的固定损耗（以额定 电池重量 11 340 kg (25.000 磅) 2.767 kg（6 100磅）UPS容量的百分比表示） 0.2% 0.1%电池材料成本 0.06美元/瓦 0.12美元/瓦电池管理系统成本 包含在电池成本 包含在电池成本
表1 用于总拥有成本分析的电池属性
