機架式不間斷電源(UPS)主要用于數(shù)據(jù)中心或企業(yè)的機房,可以在市電中斷時為服務器和交換機等IT設備提供備用電源UPS通常采用的是鉛酸蓄電池。隨著開源計算項目(OCP)計劃和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的推出,鋰離子電池正在搶占鉛酸電池在UPS電源市場份額。
　　
　　本文介紹了UPS在選擇鋰離子電池為數(shù)據(jù)中心設備提供電源保障時的一些權衡因素。其中鋰離子電池有兩種可用的電池:磷酸鐵鋰電池(LFP)和鋰鎳錳鈷三元鋰電池(NMC)。數(shù)據(jù)中心運營商需要考慮預期放電時間、主動與被動冷卻、可擴展性選項以及電池的工作壽命。
　　
　　UPS采用的兩種鋰電池對于UPS電源供應商來說,通常會采用兩種流行的鋰離子電池。鋰鎳錳鈷三元鋰離子電池(NMC)是最常見的鋰電池,這種電池以往用于筆記本電腦和手機等消費類應用場景。磷酸鐵鋰電池(LFP)在消費類應用場景中不太常見,但用于充放電次數(shù)更高或高功率應用場合,例如電鉆或工業(yè)電動汽車。雖然這兩種電池都基于鋰離子交換的工作原理,但它們具有一些顯著不同的性能和特征。
　　
　　NMC電池與LFP電池相比具有更高的重量和體積能量/密度比。因此,NMC電池具有更高的能量密度和更低的成本使其成為大多數(shù)低功耗應用最佳的電池產(chǎn)品。這意味著,如果給UPS給這種電池留出一定的空間安裝,采用NMC電池的UPS將提供比同等空間的采用LFP電池的UPS有著更長的運行時間。
　　
　　三個主要因素影響鋰離子電池的工作壽命——充放電循環(huán)次數(shù)、使用時間和電池的平均溫度。行業(yè)的規(guī)范通過比較實際容量與電池的原始容量來衡量電池的有效性。LFP電池至少可以進行2000～3000次的完全充電/放電循環(huán),才能降到其原始容量的80%。而NMC電池可以在達到其原始容量的80%之前提供500～1000次完全充電/放電循環(huán)。這意味著LFP電池的充放電循環(huán)壽命是典型NMC電池的兩到三倍。NMC電池的工作壽命為三到四年,而LFP電池的工作壽命通常超過八年。影響鋰離子電池壽命的最大因素是電池的平均溫度,其次是放電深度。
  
      安全性
　
     LFP電池具有比NMC電池更安全的陰極材料,并且不會在更高的溫度下退化。實際上,LFP電池提供了最佳的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性,因此比NMC電池具有更高的安全性。LFP電池只會在195℃時進入熱失控狀態(tài),并在熱失控期間釋放最少的能量。典型的NMC電池可以進入低至170℃的熱失控狀態(tài),將會釋放更多能量并有可能起火燃燒。雖然各種鋰離子電池都是安全的,但LFP電池是最安全的鋰離子電池產(chǎn)品之一。
　　
　　溫度和排放
　　
　　一般來說,UPS有兩種典型的使用模型。第一種應用是當數(shù)據(jù)中心運營商計劃在5到10分鐘的時間間隔內使用UPS電源時,特別是從斷電到備用發(fā)電機啟動的過渡時期。在這種情況下,UPS以非常高的速率提供所有可用能量。第二種應用是當數(shù)據(jù)中心運營商計劃使用UPS提供1到8小時的放電,并希望避免啟動備用發(fā)電機。
　　
　　LFP電池的內部阻抗非常低,能夠以非常高的速率放電而不會產(chǎn)生太多熱量。NMC電池的內部阻抗比LFP電池高約10倍,并且在以與LFP電池相同的速率放電時會在內部產(chǎn)生更多熱量。例如,48V、50A的NMC電池(2400Wh)可以提供約50～100A的放電電流,而類似尺寸的LFP電池可以提供約500～1000A的放電電流。電力輸送是UPS電源中的一個關鍵指標。為了提供特定的電流曲線,可能需要并聯(lián)多塊NMC電池才能達到所需的電流,而一塊LFP電池就可能提供所需的電流�？紤]到特定的空間限制,這意味著NMC電池更適合可以在較長的放電期間(即1h50A)內承受較低電流傳輸?shù)膽��?而LFP電池還可以在較短的時間內提供較高的電流傳輸放電時間(即10min內300A)。UPS運行時間的預期是選擇電池的關鍵因素。
　　
　　被動或主動冷卻
　　
　　在機架式UPS市場中,UPS的熱管理有多種選擇,從被動冷卻(無風扇)到主動冷卻(持續(xù)運行的風扇)再到動態(tài)主動冷卻(變速風扇驅動)來管理電池溫度。影響鋰離子電池壽命的第三個因素是環(huán)境溫度。鋰離子電池可以在-20℃至60℃安全運行,但最大限度延長電池壽命的最佳溫度范圍是10℃到30℃。大電流放電會在電池內部產(chǎn)生熱量,但穩(wěn)定的溫度環(huán)境可以最大限度地延長電池的壽命。
　　
　　需要注意的是,基于NMC電池的化學成分和更高的阻抗,與LFP電池相比,它們在放電時會產(chǎn)生更多的熱量。鑒于冷卻散熱是數(shù)據(jù)中心內的一個關鍵問題,LFP電池的化學成分確實使其在氣候控制環(huán)境中具有優(yōu)勢。

    主動冷卻的優(yōu)勢　　
　　
    在通常情況下,通過引入風扇和熱調節(jié)來增加產(chǎn)品的復雜性可被視為缺點,但也有一些優(yōu)點。在沒有氣候控制的應用中,機柜的溫度范圍可以從非常寒冷和干燥到非常溫暖和潮濕。電池體積很大并且很重。在采用被動冷卻措施的電池中,在熱失控事件中,電池的內部溫度比外部上升得更快,從而產(chǎn)生熱點并限制可用的放電電流量。這也會使電池組的電池過早老化。在放電或充電事件期間,主動冷卻電池可以更好地去除電池熱量。與等效的被動冷卻電池相比,主動冷卻技術還可以支持電池更高的充電電池和放電電流。
　　
　　這也可能帶來冷凝的挑戰(zhàn)。在早上,來自環(huán)境的潮濕空氣可能會進入機柜并接觸到電池。由于溫差,這種潮濕的空氣可能會將水冷凝到電池內部的敏感電子設備上。隨著時間的推移,電子設備上的冷凝可能會改變電池的功能或損壞電池組件。主動冷卻還具有保持電子設備溫度與空氣溫度相同的優(yōu)點,從而防止冷凝。
　　
　　總之,市場上有許多機架式UPS。在選擇UPS制造商或型號之前,應該了解這些設備的功率,以評估在電力中斷期間維持運行所需的功率、所需的運行時間、確定將要運行的環(huán)境以及確定熱量起到的作用有了這些數(shù)據(jù),可以評估鋰離子電池化學特性、被動和主動冷卻特性以及可用解決方案提供的關鍵特性。一旦將這些功能納入選擇標準,UPS生產(chǎn)商將確保其UPS產(chǎn)品在停電期間提供所需的電源。