摘要：以磷酸铁锂电池为研究对象，介绍了其基本结构和工作原理，对其常温倍率特性、高温容量特性和低温容量特性等进行了测试。根据测试结果，结合数据中心供电系统的需求和特点，分析了磷酸铁锂电池在数据中心配电系统中应用的前景。
关键词：磷酸铁锂电池；倍率特性；容量特性；数据中心
1、引言
据《2016年中国新能源动力电池产业发展报告》[1]的统计数据显示，预计至2022年，锂电池总需求量和市场规模将分别达到54.9GWh和267亿美元，未来十年年均复合增长率分别为37.0%和31.6%，市场规模占比将迅速提升至63%左右。而中国已成为全球锂电池发展最活跃的地区。
由于磷酸铁锂电池有着出色的结构稳定性、安全性能以及较长的使用寿命，因而已经在电动车等动力系统领域中占有了主要位置。在通信等需要高可靠性备用电源的场合，已经有了在移动通信基站应用的相关研究[2,3]。
数据中心供配电系统广泛使用UPS设备，其配套蓄电池目前主要使用铅酸阀控蓄电池，使用锂电池的案例较少。
本文对磷酸铁锂电池在数据中心中的应用可行性和前景进行了分析，对数据中心后续对于锂电池的应用有一定参考意义。
2、磷酸铁锂电池工作原理
锂离子电池内部主要由正极、负极、电解质及隔膜组成。正、负极及电解质材料不同及工艺上的差异使电池有不同的性能，并且有不同的名称。按正极材料区分，可分为钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂(LiMn2O4)、镍酸锂(LiNiO2)、三元材料、磷酸铁锂（LiFePO4，简称LFP）等；按电解质区分，可分为液体电解质、固态聚合物电解质、凝胶型聚合物电解质。磷酸铁锂电池即是指正极材料为磷酸铁锂，采用液体电解质的锂离子电池。
磷酸铁锂电池采用橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极端子连接，采用由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极端子连接，利用隔膜将正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，电池的上下端之间是电池的电解质，为锂离子运动提供运输介质。磷酸铁锂电池除了上述极板、隔板、电解液等，还包括外壳、安全阀、端子等，其结构示意如图1所示。
图1磷酸铁锂电池结构示意图
LiFePO4电池在充电时，外界电流从负极流向正极，导致正极中的锂离子Li+从磷酸铁锂等过度金属氧化物的晶格中脱出，经过液态电解质这一桥梁，通过隔膜向负极迁移，并嵌入碳素材料负极的层状结构中。正极材料的体积因锂离子的移出而发生变化，但本身的骨架结构维持不变。LiFePO4电池在放电时，负极中的锂离子Li+从碳素材料层间脱出，经过液态电解质这一桥梁，通过隔膜向正极迁移，并嵌入正极材料的晶格中，相应地电流从正极经外界负载流向负极。
磷酸铁锂材料为橄榄石型磷酸盐类嵌锂材料，晶体结构稳定，充放电过程中不易发生变形或破坏。同样，锂离子反复的嵌入和脱出只会引起负极材料的层间距变化，但不会引起材料晶体结构的破坏。
3、磷酸铁锂电池主要特性
3.1常温倍率性能
倍率特性反映了电池不同电流放电容量的稳定性，是衡量电池大电流放电能力的指标之一。对磷酸铁锂电池样品的倍率实验按如下步骤进行：
（1）按照电池样品厂家推荐的充电方法充满电后，静置2小时；
（2）以1/3C倍率电流进行放电至给定的截止电压，并在放电过程中计量累计放出的容量，将此放电容量作为电池的额定容量；
（3）按照电池样品厂家推荐的充电方法充满电后，静置2小时；
（4）电池在满电状态下分别以不同倍率进行放电至给定的截止电压，并在放电过程中计量累计放出的容量和电压等参数；
（5）重复（3）和（4），得出电池样品在不同放电电流下的电压与放电容量百分比关系图，如图2所示。
图2磷酸铁锂电池常温倍率性能曲线
在不考虑电池制造工艺以及温度因素的影响下，电池以恒定电流放电满足Peukert等式：
（1）其中是放电电流；是以电流放电的总时间；是电池时间常数，和电池的类型有关；如果定义为标准放电电流下的放电容量，那么Peukert方程式可写为：
（2）由Peukert方程可知，电池常数越接近于1，其放电容量受放电电流的影响越小，不同倍率放电容量稳定性好。由图2可知，磷酸铁锂电池1C放电容量是1/3C放电容量的96.3%，具有较高的放电效率，1C内放电容量稳定性好。
参考《通信电源设备安装工程设计规范》（YD/T5040-2005）中的相关数据，目前数据中心广泛使用的铅酸阀控蓄电池放电容量系数见表1。
表1铅酸阀控电池放电容量系数表
从表1中可以看出，目前数据中心使用的铅酸阀控蓄电池在1C倍率放电电流下，仅能放出全部容量的55%。而磷酸铁锂电池则再放电终止电压为3.0V条件下放出至少90%的容量。
3.2高温容量性能
对磷酸铁锂电池进行45℃环境的高温性能测试，测试方案如下：将电池放置45℃温箱中，搁置5小时，按照电池厂家推荐的充电制度进行充电，然后对电池进行1/3C放电。测试结果如图3所示。
一般地，与常温相比，电池在高温环境中放电电压较高，且放电容量有所增加，这是因为高温时反应物活性较高，电池反应充分，但高温时电池副反应亦随之增加，对电池性能造成不可恢复的影响，显著降低电池使用寿命，因此，为了使电池维持良好的性能，在使用过程中环境温度应控制在一定范围内。由图3可知，磷酸铁锂电池在45℃环境下具有很高的放电效率，且电压平台有所升高。
图3磷酸铁锂电池高温容量性能曲线
而传统的铅酸电池对于环境温度的要求一般较高，在《电子信息系统机房设计规范》（GB50174-2008）中要求，电池室内温度控制范围为15℃~25℃。从以往的维护经验来看，铅酸电池在环境温度较高的情况下极有可能出现电池失效的问题。
3.3低温容量性能
对磷酸铁锂电池进行0℃环境的低温性能测试，测试方案如下：按照电池厂家建议的充电制度对电池进行充电，充满电后，将其放置在0℃温箱中，静置16小时，然后对电池进行不同倍率的放电实验，当电池电压降至放电截止电压时，停止放电。测试结果如图4所示。由图可见，低温条件下磷酸铁锂电池放电容量明显减少，与常温相比放电容量减少了22%。
图4磷酸铁锂电池低温容量性能曲线
3.4能量密度情况
参考某型号磷酸铁锂电池，其重量能量密度（kWh/kg）和体积能量密度（kWh/L）与一般铅酸电池对比情况见图5。
图5磷酸铁锂电池与铅酸电池能量密度对比表
从图5中可以看出，磷酸铁锂电池比铅酸电池的体积减少1/3以上，重量减少1/2以上。
4、磷酸铁锂电池在数据中心配电系统应用的基本思路
综合上述实验结果和磷酸铁锂电池相关参数，以及数据中心对于蓄电池使用的具体情况对磷酸铁锂电池在数据中心应用的基本思路总结如下：
（1）合理选择磷酸铁锂电池的应用场景
数据中心所使用的蓄电池一般仅在外市电供电中断、外市电供电闪断以及主动测试时会放电。因此，磷酸铁锂电池优越的充放电循环性能并不能充分体现。
此外，数据中心UPS机房或电池间一般均配有空调等制冷或制热设备，磷酸铁锂电池高温稳态特性也无法发挥优势。
因此，在应用磷酸铁锂电池时，应重点利用其能量密度较高和常温倍率性能良好的特点。
（2）适用于机房分布式供电模式或模块化机房
对于分布式供电系统或模块化供电机房，由于其单台UPS功率较小，所以其需要的蓄电池容量较小。此外，分布式供电或模块化机房均需要供电设备接近IT设备或与IT设备同机柜安装，而由此所带来的承重、空间等问题的限制，采用磷酸铁锂电池将更能发挥其能量密度较高的优势。
（3）应用于传统UPS系统时，仍需更为深入的研究和更为广泛的测试
UPS及其配套蓄电池组经过多年来的发展，已形成了一整套较为完善的设计、运维规范和标准。而磷酸铁锂电池仅有工业和信息化部颁布的《通信用磷酸铁锂电池组第1部分：集成式电池组》（YD/T2344.1-2011）中对于集成式电池组有了一定的参数要求。但是这部分内容仅限于电压等级48V，常用容量（Ah）：5、10、20、30、40、50的电池，并不适用于常规的交流供电UPS。
若采用这个标准中的磷酸铁锂电池，则需要以48V集成式电池为基础，采用多个串联的方式组成可供UPS设备使用的蓄电池组。这种方式势必需要在原有集成式电池管理系统（BMS系统）上再增加管理系统或对原有BMS进行调整。这样容易导致蓄电池组整体复杂性提高，从而降低可靠性。
（4）磷酸铁锂电池不可简单的对在用铅酸电池进行直接替换
磷酸铁锂电池的结构决定了其对于充放电截止电压要求较传统铅酸电池有着更为严格的要求。一般情况下，铁锂电池的充电电压为3.55~3.7V，单体浮充电压不得低于3.4V；均充模式下，单体电压不超过3.8V，否则将引起电池的彻底损坏。
因此，磷酸铁锂电池不同于铅酸电池无需单独配置相应的管理系统，其一定需要电池管理系统（BMS）来实现对于电池充电过程、放电过程和相应的保护措施等功能。常见的48V集成式磷酸铁锂电池BMS结构见图6。
图6BMS系统结构图
目前，铅酸蓄电池均依靠UPS设备来进行充放电的管理，因此如果简单的使用磷酸铁锂电池对铅酸蓄电池进行直接替换，将存在两种管理模式并存的情况，对于电池组的充放电管理容易产生错误逻辑，从而导致电池均衡性劣化等问题。
5、结论
通过对磷酸铁锂电池基本性能的实验测试和分析，其电化学特性较传统铅酸电池有着显著的提高。但目前由于单体容量偏小，其可在小型化、分散化、环境恶劣的场景下使用，并逐步成为铅酸电池的有效补充。
可以预计，磷酸铁锂电池的各项优势将会体现的越来越明显，其缺点也将随着技术的进步而逐渐减少。因此，数据中心行业需要对磷酸铁锂电池的特性进行深入研究和合理运用，在实际应用中检验磷酸铁锂电池的应用情况，使数据中心配电系统各组成部分相互匹配，提供综合效能。
参考文献:
[1]QB-H-005-2012，通信基站用磷酸铁锂电池[S]
[2]YD/T5040-2005，通信电源设备安装工程设计规范[S]
[3]GB50174-2008，电子信息系统机房设计规范[S]
[4]中国化学与物理电源行业协会.2016年中国新能源动力电池产业发展报告
[5]康彩云，张乐，张方建，张瑜.磷酸铁锂电池在移动通信系统中的应用研究.2011通信电源学术研讨会论文集[C].北京：人民邮电出版社，2011
[6]李巧玲，林礼明，林培桂.浅析铁锂电池在通信电源工程设计中的应用[J].通信电源技术,2014(3)
[7]侯福平.磷酸铁锂电池在数据中心的应用探讨.2015年中国通信能源会议论文集[C].北京：人民邮电出版社，2015
本文来自：数据中心运维管理
