摘要：以磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，介紹了其基本結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)其常溫倍率特性、高溫容量特性和低溫容量特性等進(jìn)行了測(cè)試。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，結(jié)合數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的需求和特點(diǎn)，分析了磷酸鐵鋰電池在數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中應(yīng)用的前景。

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池；倍率特性；容量特性；數(shù)據(jù)中心

1、引言

據(jù)《2016年中國(guó)新能源動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》[1]的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)至2022年，鋰電池總需求量和市場(chǎng)規(guī)模將分別達(dá)到54.9GWh和267億美元，未來十年年均復(fù)合增長(zhǎng)率分別為37.0%和31.6%，市場(chǎng)規(guī)模占比將迅速提升至63%左右。而中國(guó)已成為全球鋰電池發(fā)展最活躍的地區(qū)。

由于磷酸鐵鋰電池有著出色的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性能以及較長(zhǎng)的使用壽命，因而已經(jīng)在電動(dòng)車等動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域中占有了主要位置。在通信等需要高可靠性備用電源的場(chǎng)合，已經(jīng)有了在移動(dòng)通信基站應(yīng)用的相關(guān)研究[2,3]。

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)廣泛使用UPS設(shè)備，其配套蓄電池目前主要使用鉛酸閥控蓄電池，使用鋰電池的案例較少。

本文對(duì)磷酸鐵鋰電池在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用可行性和前景進(jìn)行了分析，對(duì)數(shù)據(jù)中心后續(xù)對(duì)于鋰電池的應(yīng)用有一定參考意義。

2、磷酸鐵鋰電池工作原理

鋰離子電池內(nèi)部主要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)及隔膜組成。正、負(fù)極及電解質(zhì)材料不同及工藝上的差異使電池有不同的性能，并且有不同的名稱。按正極材料區(qū)分，可分為鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰(LiMn2O4)、鎳酸鋰(LiNiO2)、三元材料、磷酸鐵鋰（LiFePO4，簡(jiǎn)稱LFP）等；按電解質(zhì)區(qū)分，可分為液體電解質(zhì)、固態(tài)聚合物電解質(zhì)、凝膠型聚合物電解質(zhì)。磷酸鐵鋰電池即是指正極材料為磷酸鐵鋰，采用液體電解質(zhì)的鋰離子電池。

磷酸鐵鋰電池采用橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極端子連接，采用由碳（石墨）組成的電池負(fù)極，由銅箔與電池的負(fù)極端子連接，利用隔膜將正極與負(fù)極隔開，但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)，為鋰離子運(yùn)動(dòng)提供運(yùn)輸介質(zhì)。磷酸鐵鋰電池除了上述極板、隔板、電解液等，還包括外殼、安全閥、端子等，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1磷酸鐵鋰電池結(jié)構(gòu)示意圖

LiFePO4電池在充電時(shí)，外界電流從負(fù)極流向正極，導(dǎo)致正極中的鋰離子Li+從磷酸鐵鋰等過度金屬氧化物的晶格中脫出，經(jīng)過液態(tài)電解質(zhì)這一橋梁，通過隔膜向負(fù)極遷移，并嵌入碳素材料負(fù)極的層狀結(jié)構(gòu)中。正極材料的體積因鋰離子的移出而發(fā)生變化，但本身的骨架結(jié)構(gòu)維持不變。LiFePO4電池在放電時(shí)，負(fù)極中的鋰離子Li+從碳素材料層間脫出，經(jīng)過液態(tài)電解質(zhì)這一橋梁，通過隔膜向正極遷移，并嵌入正極材料的晶格中，相應(yīng)地電流從正極經(jīng)外界負(fù)載流向負(fù)極。

磷酸鐵鋰材料為橄欖石型磷酸鹽類嵌鋰材料，晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，充放電過程中不易發(fā)生變形或破壞。同樣，鋰離子反復(fù)的嵌入和脫出只會(huì)引起負(fù)極材料的層間距變化，但不會(huì)引起材料晶體結(jié)構(gòu)的破壞。

3、磷酸鐵鋰電池主要特性

3.1常溫倍率性能

倍率特性反映了電池不同電流放電容量的穩(wěn)定性，是衡量電池大電流放電能力的指標(biāo)之一。對(duì)磷酸鐵鋰電池樣品的倍率實(shí)驗(yàn)按如下步驟進(jìn)行：

（1）按照電池樣品廠家推薦的充電方法充滿電后，靜置2小時(shí)；

（2）以1/3C倍率電流進(jìn)行放電至給定的截止電壓，并在放電過程中計(jì)量累計(jì)放出的容量，將此放電容量作為電池的額定容量；

（3）按照電池樣品廠家推薦的充電方法充滿電后，靜置2小時(shí)；

（4）電池在滿電狀態(tài)下分別以不同倍率進(jìn)行放電至給定的截止電壓，并在放電過程中計(jì)量累計(jì)放出的容量和電壓等參數(shù)；

（5）重復(fù)（3）和（4），得出電池樣品在不同放電電流下的電壓與放電容量百分比關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2磷酸鐵鋰電池常溫倍率性能曲線

在不考慮電池制造工藝以及溫度因素的影響下，電池以恒定電流放電滿足Peukert等式：

（1）其中是放電電流；是以電流放電的總時(shí)間；是電池時(shí)間常數(shù)，和電池的類型有關(guān)；如果定義為標(biāo)準(zhǔn)放電電流下的放電容量，那么Peukert方程式可寫為：

（2）由Peukert方程可知，電池常數(shù)越接近于1，其放電容量受放電電流的影響越小，不同倍率放電容量穩(wěn)定性好。由圖2可知，磷酸鐵鋰電池1C放電容量是1/3C放電容量的96.3%，具有較高的放電效率，1C內(nèi)放電容量穩(wěn)定性好。

參考《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（YD/T5040-2005）中的相關(guān)數(shù)據(jù)，目前數(shù)據(jù)中心廣泛使用的鉛酸閥控蓄電池放電容量系數(shù)見表1。

表1鉛酸閥控電池放電容量系數(shù)表

從表1中可以看出，目前數(shù)據(jù)中心使用的鉛酸閥控蓄電池在1C倍率放電電流下，僅能放出全部容量的55%。而磷酸鐵鋰電池則再放電終止電壓為3.0V條件下放出至少90%的容量。

3.2高溫容量性能

對(duì)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行45℃環(huán)境的高溫性能測(cè)試，測(cè)試方案如下：將電池放置45℃溫箱中，擱置5小時(shí)，按照電池廠家推薦的充電制度進(jìn)行充電，然后對(duì)電池進(jìn)行1/3C放電。測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

一般地，與常溫相比，電池在高溫環(huán)境中放電電壓較高，且放電容量有所增加，這是因?yàn)楦邷貢r(shí)反應(yīng)物活性較高，電池反應(yīng)充分，但高溫時(shí)電池副反應(yīng)亦隨之增加，對(duì)電池性能造成不可恢復(fù)的影響，顯著降低電池使用壽命，因此，為了使電池維持良好的性能，在使用過程中環(huán)境溫度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。由圖3可知，磷酸鐵鋰電池在45℃環(huán)境下具有很高的放電效率，且電壓平臺(tái)有所升高。

圖3磷酸鐵鋰電池高溫容量性能曲線

而傳統(tǒng)的鉛酸電池對(duì)于環(huán)境溫度的要求一般較高，在《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174-2008）中要求，電池室內(nèi)溫度控制范圍為15℃~25℃。從以往的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)來看，鉛酸電池在環(huán)境溫度較高的情況下極有可能出現(xiàn)電池失效的問題。

3.3低溫容量性能

對(duì)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行0℃環(huán)境的低溫性能測(cè)試，測(cè)試方案如下：按照電池廠家建議的充電制度對(duì)電池進(jìn)行充電，充滿電后，將其放置在0℃溫箱中，靜置16小時(shí)，然后對(duì)電池進(jìn)行不同倍率的放電實(shí)驗(yàn)，當(dāng)電池電壓降至放電截止電壓時(shí)，停止放電。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖可見，低溫條件下磷酸鐵鋰電池放電容量明顯減少，與常溫相比放電容量減少了22%。

圖4磷酸鐵鋰電池低溫容量性能曲線

3.4能量密度情況

參考某型號(hào)磷酸鐵鋰電池，其重量能量密度（kWh/kg）和體積能量密度（kWh/L）與一般鉛酸電池對(duì)比情況見圖5。

圖5磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池能量密度對(duì)比表

從圖5中可以看出，磷酸鐵鋰電池比鉛酸電池的體積減少1/3以上，重量減少1/2以上。

4、磷酸鐵鋰電池在數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)應(yīng)用的基本思路

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和磷酸鐵鋰電池相關(guān)參數(shù)，以及數(shù)據(jù)中心對(duì)于蓄電池使用的具體情況對(duì)磷酸鐵鋰電池在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的基本思路總結(jié)如下：

（1）合理選擇磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用場(chǎng)景

數(shù)據(jù)中心所使用的蓄電池一般僅在外市電供電中斷、外市電供電閃斷以及主動(dòng)測(cè)試時(shí)會(huì)放電。因此，磷酸鐵鋰電池優(yōu)越的充放電循環(huán)性能并不能充分體現(xiàn)。

此外，數(shù)據(jù)中心UPS機(jī)房或電池間一般均配有空調(diào)等制冷或制熱設(shè)備，磷酸鐵鋰電池高溫穩(wěn)態(tài)特性也無法發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

因此，在應(yīng)用磷酸鐵鋰電池時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)利用其能量密度較高和常溫倍率性能良好的特點(diǎn)。

（2）適用于機(jī)房分布式供電模式或模塊化機(jī)房

對(duì)于分布式供電系統(tǒng)或模塊化供電機(jī)房，由于其單臺(tái)UPS功率較小，所以其需要的蓄電池容量較小。此外，分布式供電或模塊化機(jī)房均需要供電設(shè)備接近IT設(shè)備或與IT設(shè)備同機(jī)柜安裝，而由此所帶來的承重、空間等問題的限制，采用磷酸鐵鋰電池將更能發(fā)揮其能量密度較高的優(yōu)勢(shì)。

（3）應(yīng)用于傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)時(shí)，仍需更為深入的研究和更為廣泛的測(cè)試

UPS及其配套蓄電池組經(jīng)過多年來的發(fā)展，已形成了一整套較為完善的設(shè)計(jì)、運(yùn)維規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。而磷酸鐵鋰電池僅有工業(yè)和信息化部頒布的《通信用磷酸鐵鋰電池組第1部分：集成式電池組》（YD/T2344.1-2011）中對(duì)于集成式電池組有了一定的參數(shù)要求。但是這部分內(nèi)容僅限于電壓等級(jí)48V，常用容量（Ah）：5、10、20、30、40、50的電池，并不適用于常規(guī)的交流供電UPS。

若采用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的磷酸鐵鋰電池，則需要以48V集成式電池為基礎(chǔ)，采用多個(gè)串聯(lián)的方式組成可供UPS設(shè)備使用的蓄電池組。這種方式勢(shì)必需要在原有集成式電池管理系統(tǒng)（BMS系統(tǒng)）上再增加管理系統(tǒng)或?qū)υ蠦MS進(jìn)行調(diào)整。這樣容易導(dǎo)致蓄電池組整體復(fù)雜性提高，從而降低可靠性。

（4）磷酸鐵鋰電池不可簡(jiǎn)單的對(duì)在用鉛酸電池進(jìn)行直接替換

磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)決定了其對(duì)于充放電截止電壓要求較傳統(tǒng)鉛酸電池有著更為嚴(yán)格的要求。一般情況下，鐵鋰電池的充電電壓為3.55~3.7V，單體浮充電壓不得低于3.4V；均充模式下，單體電壓不超過3.8V，否則將引起電池的徹底損壞。

因此，磷酸鐵鋰電池不同于鉛酸電池?zé)o需單獨(dú)配置相應(yīng)的管理系統(tǒng)，其一定需要電池管理系統(tǒng)（BMS）來實(shí)現(xiàn)對(duì)于電池充電過程、放電過程和相應(yīng)的保護(hù)措施等功能。常見的48V集成式磷酸鐵鋰電池BMS結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6BMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

目前，鉛酸蓄電池均依靠UPS設(shè)備來進(jìn)行充放電的管理，因此如果簡(jiǎn)單的使用磷酸鐵鋰電池對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行直接替換，將存在兩種管理模式并存的情況，對(duì)于電池組的充放電管理容易產(chǎn)生錯(cuò)誤邏輯，從而導(dǎo)致電池均衡性劣化等問題。

5、結(jié)論

通過對(duì)磷酸鐵鋰電池基本性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析，其電化學(xué)特性較傳統(tǒng)鉛酸電池有著顯著的提高。但目前由于單體容量偏小，其可在小型化、分散化、環(huán)境惡劣的場(chǎng)景下使用，并逐步成為鉛酸電池的有效補(bǔ)充。

可以預(yù)計(jì)，磷酸鐵鋰電池的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)將會(huì)體現(xiàn)的越來越明顯，其缺點(diǎn)也將隨著技術(shù)的進(jìn)步而逐漸減少。因此，數(shù)據(jù)中心行業(yè)需要對(duì)磷酸鐵鋰電池的特性進(jìn)行深入研究和合理運(yùn)用，在實(shí)際應(yīng)用中檢驗(yàn)磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用情況，使數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)各組成部分相互匹配，提供綜合效能。

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