2024鋰離子電池在不間斷電源應用場景中的關鍵因素

鋰離子電池在不間斷電源鋰離子電池在不間斷電源應用場景中的關鍵因素如今，鋰離子電池已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心后備儲能的替代品，越來越多的用戶正在考慮鋰電池在不間斷電源系統(tǒng)中的應用。作為全球領先的關鍵基礎設施提供商，維諦技術與一系列計劃使用鋰離子電池的客戶合作，解決客戶在是否采用鋰電池時面臨的關鍵問題。長期以來，鉛酸電池作為不間斷電源應用中的備用電源，一直作為保證數(shù)據(jù)中心、通信設備和工業(yè)場景的儲能選擇。雖然鉛酸電池能夠提供此類應用所需的功率及可靠性，但由于需要進行適當?shù)谋O(jiān)測和維護，且維護成本高、重量大、需要頻繁更換，因此鉛酸電池通常被視作不間斷電源系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。相關信息，請參閱配套文件“關于在不間斷電源應用中使用鋰離子電池的常見問題”。不間斷電源場景中鋰離子電池的預期壽命鋰離子電池的一個重要優(yōu)勢是其電池壽命是鉛酸電池的幾倍。但由于目前不間斷電源應用中的運行數(shù)據(jù)有限，一些潛在用戶會對鋰離子電池的實際使用時長有所疑慮。循環(huán)壽命字面意思很容易理解，但由于電池的損害程度取決于循環(huán)的工況，如充/放電速率、環(huán)境溫度等，所以鋰離子電池的循環(huán)壽命預測并不像看起來那么簡單。要解決這一問題，首先需要了解鋰離子電池在正常情況下是如何老化的。鋰離子電池基本上有兩種老化模式：日歷壽命和循環(huán)壽命。鋰電池行業(yè)有一項針對循環(huán)壽命的基準測試，即在（25/條件下，一小時內放完電池的所有電1C如今，鋰離子電池已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心后備儲能的替代品，越來越多的用戶正在考慮鋰電池在不間斷電源系統(tǒng)中的應用。作為全球領先的關鍵基礎設施提供商，維諦技術與一系列計劃使用鋰離子電池的客戶合作，解決客戶在是否采用鋰電池時面臨的關鍵問題。長期以來，鉛酸電池作為不間斷電源應用中的備用電源，一直作為保證數(shù)據(jù)中心、通信設備和工業(yè)場景的儲能選擇。雖然鉛酸電池能夠提供此類應用所需的功率及可靠性，但由于需要進行適當?shù)谋O(jiān)測和維護，且維護成本高、重量大、需要頻繁更換，因此鉛酸電池通常被視作不間斷電源系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。相關信息，請參閱配套文件“關于在不間斷電源應用中使用鋰離子電池的常見問題”。不間斷電源場景中鋰離子電池的預期壽命鋰離子電池的一個重要優(yōu)勢是其電池壽命是鉛酸電池的幾倍。但由于目前不間斷電源應用中的運行數(shù)據(jù)有限，一些潛在用戶會對鋰離子電池的實際使用時長有所疑慮。循環(huán)壽命字面意思很容易理解，但由于電池的損害程度取決于循環(huán)的工況，如充/放電速率、環(huán)境溫度等，所以鋰離子電池的循環(huán)壽命預測并不像看起來那么簡單。要解決這一問題，首先需要了解鋰離子電池在正常情況下是如何老化的。鋰離子電池基本上有兩種老化模式：日歷壽命和循環(huán)壽命。鋰電池行業(yè)有一項針對循環(huán)壽命的基準測試，即在（25/條件下，一小時內放完電池的所有電1C1C下降至初始容量的80%時能達到的循環(huán)次數(shù)。循環(huán)壽命通常對充放電速率等因素相當敏感。影響循環(huán)壽命的關鍵因素如圖1所示。日歷壽命表示的是，隨著時間的推移，電池容量下降，阻力內阻增加。就日歷壽命而言，電池的工作溫度是決定電池壽命的最重要因素。熱量會加速電池老化，較低的工作溫度可以減緩電池的老化速度。循環(huán)參數(shù)對循環(huán)壽命的影響描述圖1影響鋰離子電池循環(huán)壽命的關鍵因素概述1充電/放電速率★★★★★以高于設計的速率對電池進行充電或放電會大大縮短其循環(huán)壽命放電深度★★★★充電前對電池進行部分放電比完全放電對電池造成的損害小溫度★★★★雖然溫度較高的電池電阻較小，自發(fā)熱率較低，但溫度較低的電池通常壽命更長。許多鋰離子電池對低溫（通常低于0℃）充電也很敏感，但這對于數(shù)據(jù)中心應用場景來說通常不存在該問題SOC窗口★★★當在局部放電深度下使用電池時，在接近完全充滿（100%SOC）或完全放光（0%SOC）的情況下循環(huán)比部分充放電狀態(tài)更具破壞性電池制造商通常將電池長時間置于不同溫度下，定期檢查其剩余容量，評估日歷壽命。根據(jù)此類數(shù)據(jù)繪制的曲線能夠顯示時間、溫度和剩余容量之間的關系。在收集了足夠的數(shù)據(jù)之后，就可以將這些數(shù)據(jù)擬合成一個日歷壽命公式，日歷壽命在鋰離子電池幾十年實踐應用中得到證實。鋰離子電池日歷壽命圖的示例如圖2所示。在數(shù)據(jù)中心應用中，由于電池循環(huán)次數(shù)較低，電池在大部分使用壽命內都處于閑置狀態(tài)，因此鋰電池的日歷壽命對數(shù)據(jù)中心應用場景更有意義，通常也以日歷壽命為準。但在不間斷電源電池用于支持能源管理或電網(wǎng)需求側響應的情況下例外，此類應用情況不在本文討論范圍之內。鋰離子剩余容量100%95%90%85%80%75%70%65%0123456年份789101112圖2鋰離子電池日歷壽命圖表圖223℃(73℉)的溫度下測試的鋰離子電池，大約十年后仍保持80%左右的初始容量。不同的鋰離子電池老化率不同。重要的是，鋰離子電池年老化率在電池制造商通常將電池長時間置于不同溫度下，定期檢查其剩余容量，評估日歷壽命。根據(jù)此類數(shù)據(jù)繪制的曲線能夠顯示時間、溫度和剩余容量之間的關系。在收集了足夠的數(shù)據(jù)之后，就可以將這些數(shù)據(jù)擬合成一個日歷壽命公式，日歷壽命在鋰離子電池幾十年實踐應用中得到證實。鋰離子電池日歷壽命圖的示例如圖2所示。在數(shù)據(jù)中心應用中，由于電池循環(huán)次數(shù)較低，電池在大部分使用壽命內都處于閑置狀態(tài)，因此鋰電池的日歷壽命對數(shù)據(jù)中心應用場景更有意義，通常也以日歷壽命為準。但在不間斷電源電池用于支持能源管理或電網(wǎng)需求側響應的情況下例外，此類應用情況不在本文討論范圍之內。鋰離子剩余容量100%95%90%85%80%75%70%65%0123456年份789101112圖2鋰離子電池日歷壽命圖表圖223℃(73℉)的溫度下測試的鋰離子電池，大約十年后仍保持80%左右的初始容量。不同的鋰離子電池老化率不同。重要的是，鋰離子電池年老化率在80%左右放緩，然后繼續(xù)以可預測的速率老化，因此80%的容量對鋰離子電池的壽命來說并不是一個重要的里程碑。下一節(jié)將介紹剩余容量和電池電阻如何影響鋰離子電池在不間斷電源系統(tǒng)中的運行時間。鋰離子電池運行時間預測鋰離子電池用戶最關心的問題之一是電池壽命對預期后備時間的影響。這種擔心反映在一個共同的問題上：鋰電池是否與鉛酸電池類似，在壽命后期故障率較高？電池可以根據(jù)制造商的不同性能目標進行定制，一個重2(73?F)(86?F)要的比較指標是電池充放電速率和電池能量密度之間的比較，如圖3所示。性能指標能量優(yōu)化型電池（低放電倍率）功率優(yōu)化型電池（高放電倍率）圖3功率優(yōu)化型和能量密度優(yōu)化型鋰離子電池的性能比較從上表的對比可以看出，能量優(yōu)化型電芯適合儲能、新能源汽車等應用場景，該場景對電池放電速率要求不高，但后備時間較長、用量較大；與之相反，功率優(yōu)化型鋰電池則主要適用于后備時間不長、要求快速放電的應用場景，如數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)中的后備電池。這為預測未來十年的運行時間又增加了一個難度。與普遍的看法相反，電池老化后的剩余容量，尤其在高離子電池的內阻也會隨著壽命的延長而增加，這將產(chǎn)生比新電池更大的壓降和更強的自發(fā)熱。因此，電池制造商不僅要了解容量是如何下降的，還要根據(jù)電池的運行歷史和使用年限了解電阻是如何增加的。針對不間斷電源應用，電池制造商主要設計以盡可能低的成本提供所需運行時間的電池。因此，目前市場上大多數(shù)不間斷電源解決方案傾向于使用在能量密度和成本方面更優(yōu)的電池，不太使用更能快速放電的電池。這也意味著所選的鋰離子電池的內阻并不是最低的，當它們在不到10分鐘或15分鐘的時間內放電時，溫度通常會快速升高。要的比較指標是電池充放電速率和電池能量密度之間的比較，如圖3所示。性能指標能量優(yōu)化型電池（低放電倍率）功率優(yōu)化型電池（高放電倍率）圖3功率優(yōu)化型和能量密度優(yōu)化型鋰離子電池的性能比較從上表的對比可以看出，能量優(yōu)化型電芯適合儲能、新能源汽車等應用場景，該場景對電池放電速率要求不高，但后備時間較長、用量較大；與之相反，功率優(yōu)化型鋰電池則主要適用于后備時間不長、要求快速放電的應用場景，如數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)中的后備電池。這為預測未來十年的運行時間又增加了一個難度。與普遍的看法相反，電池老化后的剩余容量，尤其在高離子電池的內阻也會隨著壽命的延長而增加，這將產(chǎn)生比新電池更大的壓降和更強的自發(fā)熱。因此，電池制造商不僅要了解容量是如何下降的，還要根據(jù)電池的運行歷史和使用年限了解電阻是如何增加的。針對不間斷電源應用，電池制造商主要設計以盡可能低的成本提供所需運行時間的電池。因此，目前市場上大多數(shù)不間斷電源解決方案傾向于使用在能量密度和成本方面更優(yōu)的電池，不太使用更能快速放電的電池。這也意味著所選的鋰離子電池的內阻并不是最低的，當它們在不到10分鐘或15分鐘的時間內放電時，溫度通常會快速升高。雖然鋰離子電池的運行時間分析很復雜，但用戶通常不用面臨電池突然只提供預期或規(guī)格所承諾的一半運行時間的風險。根據(jù)美國電氣和電子工程師協(xié)會對閥控式密封鉛酸蓄電池的推薦做法（1188），當鉛酸電池達到其初始容量的80%時，剩余容量會快速下降，因此在此之前需要更換電池。而鋰離子電池則不會出現(xiàn)后備時間快速下降的故障，其容量下降通常是一個相對緩慢的過程，且可預測。在不間斷電源應用中分析鋰離子電池的運行時間時，由于電池達到最低電壓、最高溫度或電池由于容量限制而耗盡能量均會導致放電結束，所以了解電池的特性非常重要。在許多情況下，導致放電結束的條件在不同的荷載下也是不同的。3能量密度如今的鋰離子技術可以產(chǎn)生高達600瓦時/升的電池能量密度，可減少電池占地面積，但不能高倍率放電能。功率優(yōu)化型電池在能量密度上做出了妥協(xié)，在極端情況下，此類電池的能量密度可能僅為高能量電池的一半。倍率性能能量密度優(yōu)化型電池可能需要一個小時或更長時間才能持續(xù)以最快的速度完全放電。功率優(yōu)化型電池可以在不損壞電池的情況下在幾分鐘內實現(xiàn)完全放電。電阻能量密度優(yōu)化型電池的內阻比鉛酸電池低得多，但比鋰動力電池高。如果以最大速率充電或放電，能量密度優(yōu)化型電池將會產(chǎn)生更多的熱量。高功率容量電極設計參數(shù)情況下電池的電阻非常低，因此功率優(yōu)化型電池即使在快速循環(huán)期間產(chǎn)生的熱量也比較少。相對成本能量密度優(yōu)化型電池制造成本較低，產(chǎn)量較高。市場上以美元/千瓦時的價格兜售銷售的較低價格電池，幾乎都是指這種類型的電池。以千瓦時為單位鋰離子電池安全性在以往的應用過程中可知，鋰離子電池如果內部壓力過高，可能會起火或釋放氣體。電池管理系統(tǒng)需要了解這些風險條件并加以控制。安全工作范圍內。電池管理系統(tǒng)對電池電壓、系統(tǒng)溫度和電池電流以及其他參數(shù)進行持續(xù)測量。當電池管理系統(tǒng)檢測到電池接近其工作極限時，會（如不間斷電源發(fā)出警告。如果不間斷電源沒有做出適當?shù)姆磻?，將電池保持在允許的工作范圍內，電鋰離子電池安全性在以往的應用過程中可知，鋰離子電池如果內部壓力過高，可能會起火或釋放氣體。電池管理系統(tǒng)需要了解這些風險條件并加以控制。安全工作范圍內。電池管理系統(tǒng)對電池電壓、系統(tǒng)溫度和電池電流以及其他參數(shù)進行持續(xù)測量。當電池管理系統(tǒng)檢測到電池接近其工作極限時，會（如不間斷電源發(fā)出警告。如果不間斷電源沒有做出適當?shù)姆磻瑢㈦姵乇３衷谠试S的工作范圍內，電池管理系統(tǒng)可以斷開電池與負載或充電器的連接以確保安全。電池管理系統(tǒng)本身的功能和有效性也通過實現(xiàn)電池系統(tǒng)UL或CE認證所必需的測試得到驗證。對于任何安全問題相關產(chǎn)品，良好的系統(tǒng)集成實踐始于了解每個潛在故障模式的概率和嚴重性。就鋰離子電池而言，最危險的極端條件通常包括電池過度充電、過熱和短路。每種情況都會導致鋰離子電池中的電解液分解成氣體，在極端情況下會著火。雖然一些電池制造商以陰極或陽極中使用的化學物質為依據(jù)宣稱其電池具有安全性，但鋰離子電池的故障通常全部因電解液而起，幾乎所有目前市售的電池都使用易燃電解液。這并不是說陰極和陽極的化學性質對電池的安全性沒有影響。這些材料的選擇可能會導致故障強度的顯著差異，但如果認為任何鋰離子電池都不會受到極端條件的影響，那就錯了。由于電池管理系統(tǒng)（BMS）在鋰離子電池系統(tǒng)的安全中起著重要的作用，因此電池管理系統(tǒng)本身的冗余是一個重要的設計考慮因素。例如，許多電池管理系統(tǒng)設計有一個硬件電路，如果系統(tǒng)的處理器出現(xiàn)軟件故障，該電路將斷開電池連接。傳感器值也經(jīng)常以多種方式進行測量，并進行比較以確認測量結果的可靠性。UL1973要求，在不間斷電源應用中使用鋰離子電池，需對電池管理系統(tǒng)設計進行功能安全分析。功能安全分析是一種確?？刂葡到y(tǒng)按預期運行的系統(tǒng)方法，其原理已經(jīng)在航空工業(yè)中應用了20多年。雖然這些安全保證方法對數(shù)據(jù)中心設備來說相對較新，但毫無疑問，經(jīng)過認證的電池管理系統(tǒng)設計非?？煽俊榇_定任何電池設計對極端條件的反應，鋰離子行業(yè)開發(fā)了一系列測試來評估安全風險。最有名的是針刺試驗。針刺試驗不是為了評估物理損傷對電池的影響。而是當針穿過所有電極時，會造成整個電池立即短路。由此產(chǎn)生非?？斓哪芰酷尫?，導致針變得非常熱，從而點燃設計不當?shù)碾姵刂械碾娊庖骸ｋ姵毓芾硐到y(tǒng)中的一些工作閾值也不僅僅只是考慮安全性，比如在不間斷電源應用中電池的熱極限。一般來說，數(shù)據(jù)中心應用中的電池管理系統(tǒng)的溫度限值遠低于確保安全所需的限值，這是因為在設置該閾值時還需考慮壽命問題。因此，電池管理系統(tǒng)斷開電池連接并不一定意味著有安全性有問題。其他測試可用于研究其他故障模式的影響，完成所有電池極端條件測試后，系統(tǒng)集成商就可以確定確保系統(tǒng)安全運行的操作限制。電池管理系統(tǒng)主要用于實施控制，使電池保持在其4雖然精心設計的電池管理系統(tǒng)對鋰離子電池的安全性提供了較高保障，但其無法控制的一個重大風險是電池著火。我們不可能確保使用的鋰離子電池柜永遠不會發(fā)生火災。這一現(xiàn)實問題最近推動了與鋰離子電池相關的防火規(guī)范的廣泛宣傳。鋰離子消防規(guī)范對電池部署的影響一些國家最近的消防法規(guī)的變化引起了人們對電池安全的更多關注。特別是，北美消防協(xié)會推出新的法規(guī)UL9540A，該法規(guī)正在各個區(qū)域逐步推廣。UL9540A旨在確保安全，并對市場中的鋰電池的安全性提出了明確的要求。雖然精心設計的電池管理系統(tǒng)對鋰離子電池的安全性提供了較高保障，但其無法控制的一個重大風險是電池著火。我們不可能確保使用的鋰離子電池柜永遠不會發(fā)生火災。這一現(xiàn)實問題最近推動了與鋰離子電池相關的防火規(guī)范的廣泛宣傳。鋰離子消防規(guī)范對電池部署的影響一些國家最近的消防法規(guī)的變化引起了人們對電池安全的更多關注。特別是，北美消防協(xié)會推出新的法規(guī)UL9540A，該法規(guī)正在各個區(qū)域逐步推廣。UL9540A旨在確保安全，并對市場中的鋰電池的安全性提出了明確的要求。鼓勵出于安全考慮開發(fā)具有更強極端條件耐受性、具有更好電池管理系統(tǒng)功能的系統(tǒng)是合理的，但最初針對不間斷電源用場景確定的火災測試并未考慮在實際應用中實際發(fā)生火災的可能性。測試只是要求通過任何必要的方法引發(fā)火災，然后觀察火蔓延的程度。如果制造商無法通過UL9540A大規(guī)?；馂臏y試證明其系統(tǒng)設計能夠防止火災蔓延，則每個電池柜的四周必須有三英尺的間距，以防止火災蔓延，這實際上抵消了特定鋰離子電池相對于鉛酸電池的占地優(yōu)勢。UL9540A防火標準是基于這樣一種假設：鋰離子電池火災不可避免，電池制造商對如何改善鋰離子電池安全性能幾乎毫無辦法。汽車行業(yè)是鋰離子技術的早期采用者，可通過研究鋰離子電池在汽車市場中的發(fā)展來獲得一些思路。十多年前，汽車行業(yè)針對鋰離子電池的應用設立了一系列安全測試，并建立了明確的標準。在測試確立之時，雖然許多電池設計很難通過測試，但穩(wěn)定性要求最終促使每個電池制造商只能遵守規(guī)定，否則就只能退出市場。盡管這些防火規(guī)范要求仍在不斷完善，但用當今的鋰離子電池開發(fā)系統(tǒng)來防止火災蔓延到電池柜之外在技術上是可行的，與其他必須具備三英尺凈間距的解決方案相比，這些解決方案將獲得占地面積優(yōu)勢。隨著時間的推移，法規(guī)有望趨于穩(wěn)定，性能更好的解決方案可能會獲得更多市場份額。如今，不間斷電源系統(tǒng)用鋰電池受益于汽車行業(yè)已鋰離子電池設計無法通過更嚴格的安全測試。隨著不間斷電源用電池防火標準的不斷發(fā)展，鋰電池生產(chǎn)商不斷對方案進行改進，如今面對的問題是如果鋰電池不關閉BMS系統(tǒng)，不管多極端的條件，鋰電池均很難起火。5鋰離子電池監(jiān)測鋰離子電池系統(tǒng)中的電池管理系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測大量運行參數(shù)以確保安全。由于所有這些運行數(shù)據(jù)已經(jīng)存儲在電池管理系統(tǒng)存儲器中，因此電池管理系統(tǒng)制造商通過Modbus協(xié)議或類似的數(shù)據(jù)采集方案將數(shù)據(jù)提供給外部系統(tǒng)相對簡單。這是鋰離子電池相對于鉛酸系統(tǒng)的一個關鍵優(yōu)勢，在鉛酸系統(tǒng)中，任何監(jiān)測系統(tǒng)都需要安裝傳感器。目前沒有標準規(guī)定外部監(jiān)測系統(tǒng)可用的電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，因此不可能確定一個在所有情況下都有效的監(jiān)充電事件期間收集的數(shù)據(jù)對于評估電池狀況比系統(tǒng)閑置時的運行數(shù)據(jù)更有價值。此外，一些電池管理系統(tǒng)提供荷電狀態(tài)變量，該變量是控制系統(tǒng)對電池使用壽命的總體評估。但在不了解如何計算荷電狀態(tài)值的情況下，不要過于相信該值，市場上不同的電池管理系統(tǒng)解決方案在用于計算該值的算法的復雜性方面有很大差異。在判斷外部監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測哪些電池參數(shù)時，應注意鋰離子電池監(jiān)測鋰離子電池系統(tǒng)中的電池管理系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測大量運行參數(shù)以確保安全。由于所有這些運行數(shù)據(jù)已經(jīng)存儲在電池管理系統(tǒng)存儲器中，因此電池管理系統(tǒng)制造商通過Modbus協(xié)議或類似的數(shù)據(jù)采集方案將數(shù)據(jù)提供給外部系統(tǒng)相對簡單。這是鋰離子電池相對于鉛酸系統(tǒng)的一個關鍵優(yōu)勢，在鉛酸系統(tǒng)中，任何監(jiān)測系統(tǒng)都需要安裝傳感器。目前沒有標準規(guī)定外部監(jiān)測系統(tǒng)可用的電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，因此不可能確定一個在所有情況下都有效的監(jiān)充電事件期間收集的數(shù)據(jù)對于評估電池狀況比系統(tǒng)閑置時的運行數(shù)據(jù)更有價值。此外，一些電池管理系統(tǒng)提供荷電狀態(tài)變量，該變量是控制系統(tǒng)對電池使用壽命的總體評估。但在不了解如何計算荷電狀態(tài)值的情況下，不要過于相信該值，市場上不同的電池管理系統(tǒng)解決方案在用于計算該值的算法的復雜性方面有很大差異。在判斷外部監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測哪些電池參數(shù)時，應注意不要記錄鋰電池管理系統(tǒng)提供的所有信息，否則大量數(shù)據(jù)可能會掩蓋有價值的信息。以電池電壓為例。電池管理系統(tǒng)通常有超過100個電池單體的電壓測量值，但單個值遠沒有基于所有這些值分析出的信息重要。在某些情況下，電池管理系統(tǒng)還提供整個系統(tǒng)中單體的最大和最小電池電壓，二者的差值可以更好地指示電池狀況。最后一點，監(jiān)測數(shù)據(jù)中心鋰離子電池系統(tǒng)的最佳方式還取決于電池管理系統(tǒng)與不間斷電源控制器的集成程度。增加這兩個控制器之間的運行數(shù)據(jù)共享具有操作優(yōu)勢，在實現(xiàn)更緊密集成的情況下，可以通過不間斷電源的監(jiān)測接口監(jiān)測關鍵電池數(shù)據(jù)。安裝、維護和處置受限于UN38.3的要求，一些鋰離子電池系統(tǒng)可以大部分組裝后運輸，而另一些則需要現(xiàn)場組裝。購買組裝好的系統(tǒng)可以節(jié)省安裝成本和時間，購買Pack單獨運輸?shù)漠a(chǎn)品，需要考慮系統(tǒng)組裝的難度。進行放電測試或充電循環(huán)