阀控铅酸蓄电池与锂电池在数据中心UPS应用中的比较

近年来，跟着锂电池价格的继续走低，其已成为数据中心UPS运用领域的一个备受重视的选项。本文旨在比照剖析用于静态UPS的锂电池与阀控铅酸蓄电池（VRLA）的各自特性，包含它们的最佳化学成分和技能特色。经过一项长达10年的总具有本钱（TCO）研讨显示，虽然锂电池在出本钱钱上存在溢价，但其TCO却较阀控铅酸蓄电池低39%。此外，经过敏感性剖析，咱们将深化探讨影响TCO的要害要素。最终，本文还将讨论锂电池在UPS改造及新运用中的潜力，以及电池工作温度对其寿数、运转时刻和制冷需求的影响。 图 锂电池在三相UPS中的运用 锂电池作为一种高功能电池，在各种运用中已堆集了20余年的商用经验。但是，虽然其优势明显，但锂电池在静态数据中心UPS中的运用却相对较少。这首要是因为，与其他运用场景类似，锂电池在静态UPS运用中难以在价格、能量密度、功率、安全性和可靠性等方面到达理想的平衡。但近10年来，跟着锂离子化学成分和技能的继续改善，这一局势已有所改动。这些改善首要得益于电动汽车产业发展的推进。 锂电池相较于阀控铅酸蓄电池，具有诸多明显优势，包含延伸UPS运用寿数、减轻分量、进步放电次数、降低自放电率以及加快充电速度等。但是，锂电池也面对一些挑战，如制作本钱较高、电池办理体系本钱不菲，以及运送法规的严厉限制等。 接下来，咱们将深化探讨锂电池的化学成分和技能特色，以及这些特色如何影响其在静态UPS中的运用。一起，咱们还将比照锂电池与阀控铅酸蓄电池的功能差异，以更全面地了解锂电池在静态数据中心UPS中的潜力与挑战。 UPS运用对电池提出了严厉的要求，即需求在短时刻内供给很多电容，继续时刻约为5-10分钟。因而，适用于UPS的锂离子电池有必要具备在短时刻内释放大电流的才干，一起保证电池内部温度保持在安全规模内。与铅酸电池比较，锂电池的化学成分赋予其更高的能量密度和功率密度，使得单位分量的电池能供给更多的能量和功率。 在UPS运用中，电池的首要任务是在短时刻内供给高功率输出。因而，动力电池成为了要害的挑选。动力电池可以在短时刻内释放很多功率，一起运用大部分电池容量。以UPS为例，动力电池解决计划在满载条件下能供给约1-2分钟的运转时刻，并释放出约80%的电池容量。 另一方面，能量电池则更适宜长期供给较小量的功率。在UPS运用中，能量电池解决计划虽然能供给等量的功率，但仅释放出10-30%的电池容量。这意味着能量电池解决计划在实践运用中或许存在过度规划的问题，供给了超出实践需求的运转时刻。但是，从价格视点来看，过度规划的能量电池解决计划比较合理规划的动力电池解决计划或许更为经济。 图2展示了不同储能技能下的能量与功率联系以及对运转时刻的影响。从图中可以看出，每条线向下曲折的部分代表了在短时刻内电池供给满容量时的限制。一起，咱们也需求留意铅酸蓄电池和锂电池在能量密度和功率密度上的相对位置差异。 图 （此处无子标题，直接进行内容改写） 在UPS运用中，电池的能量与功率特性对其运转时刻有着直接影响。不同类型的电池在供给能量和功率方面有着不同的才干，从而决议了它们在实践运用中的表现。因而，在挑选适宜UPS的电池时，需求充分考虑电池的能量与功率特性，以保证体系可以高效、稳定地运转。 能量与功率密度的联系 咱们得出的一个重要定论是，锂电池既可规划为动力电池，也可规划为能量电池，而VRLA电池则因其化学成分和技能限制，一般只能规划为能量电池。 生命周期 电池的寿数是UPS运用中一个要害要素。运用寿数，即电池在到达80%能量容量之前能继续的估计时刻，是衡量电池寿数的重要指标。此外，日历寿数也是一个考量要素，它指的是电池在规则温度下无断电且以微电流充电时能继续运用的估计时刻。铅酸蓄电池的运用寿数一般为3至6年，而锂电池则可达10年或更长。值得留意的是，新锂电池的实践运用寿数数据需求多年时刻来堆集，但一些锂电池供给长达10年的质保作为补偿措施。 占地空间 因为锂电池具有高能量密度，其占地空间或容积相较于VRLA电池更小。这一特色关于保管数据中心或不动产本钱较高的数据中心而言具有明显吸引力。 分量 与占地空间相似，锂电池的轻量化特性也使其在分量上比VRLA电池更轻。这一优势有助于降低运送本钱。 电池监测 电池监测体系（BMS）一般作为传统VRLA电池解决计划的附加设备。但是，锂电池因其需求彻底操控充电和放电以避免内部温度升高的特性，一般已内置了BMS。 安全性 在UPS运用中，安全性是首要考虑的要素。特别是关于锂电池而言，因为其高能量密度或许带来的安全隐患，UPS供货商需求与诺言良好的锂电池供货商严密合作，寻求最佳的化学成分、技能、电池封装和电池办理计划。 法规 此外，不同国家和地区或许存在针对电池的法规和规范，这些法规和规范也或许对UPS的运用发生影响。因而，在挑选和布置电池时，有必要保证符合当地的法规要求。 运送法规 不同类型的电池，包含锂离子和VRLA电池，在运送进程中都受到特定法规的约束。因为某些化学成分具有较高的能量密度和高挥发性，锂离子电池在这些法规下或许面对更为严厉的运送要求。 财务剖析 在数据中心出资中，总具有本钱已成为一个重要的衡量规范。例如，制冷体系的节能冷却模式和UPS电池的出本钱钱都是需求考虑的要素。相较于VRLA电池，锂电池在某些动力电池化学成分和技能方面，在10-15年的寿数期内能供给更为有利的总具有本钱。这正好覆盖了UPS电池在寿数期内需求更换的典型规模。 但是，需求留意的是，某些锂电池本钱研讨或许并不彻底适用于UPS运用。这些研讨或许专心于电动汽车或长时刻运用，更适宜能量电池而非UPS动力电池。此外，它们或许仅比较不同锂电池的本钱，而非与VRLA电池进行比照。另外，这些研讨或许未涵盖UPS运用特定的锂离子化学成分和技能，或许只重视出本钱钱而非总具有本钱。 为了更准确地评价UPS运用中的动力电池本钱，咱们首要参考了动力电池厂商供给的数据，特别是针对Symmetra MW和Galaxy两个三相UPS系列的数据。接下来，咱们将深化剖析1MW UPS在10年期间的本钱开销、运营开销和总具有本钱。 假定条件 在接下来的剖析中，咱们假设了若干条件，以保证结果的准确性和适用性。这些假定条件如下所述。 本钱开销 在剖析的起始点，即第0年，咱们考虑了两种电池解决计划的初始本钱开销。这涵盖了电池资料的本钱、装置费用以及运送本钱。表3具体列出了这两种计划的本钱开销各项明细。 运营开销 电池的运营开销从第1年继续至第10年，涵盖了电池的保护、场所租赁以及动力本钱。值得留意的是，电池的更换本钱会在第4年和第8年时别离发生。表4具体列出了这两种电池解决计划在运营进程中的各项开销明细。 电池充电能量损耗 电池在充电进程中会面对两种类型的能量损耗：一是电池微充电时的固定损耗，二是断电后电池放电或充电的瞬态损耗。在本次剖析中，所考虑的动力本钱首要涵盖了稳态充电的固定损耗，以及为降低这类损耗中发生的热负荷而需求的制冷损耗。但是，为了更全面地了解瞬态电池活动对制冷需求的具体影响，尚需进行更深化的剖析。一起，电池解决计划的热容特性关于确定制冷体系的排热才干和冷量耗费至关重要。在完结这些剖析后，咱们将依据瞬态活动的影响来更新总具有本钱的剖析。 10年期总具有本钱剖析 在考虑了上述的本钱开销和运营开销后，咱们进行了10年期的总具有本钱剖析。结果显示，锂电池解决计划在10年内的总具有本钱相较于VRLA解决计划降低了39%。虽然锂电池在初期有着较高的本钱开销，但其仅需3.4年便可完成出资报答，显示出其长期运用的经济优势。 总具有本钱明细 表5具体列出了两种电池解决计划的总具有本钱构成。 敏感性剖析 为了深化探求各本钱要素对总具有本钱的影响，咱们进行了敏感性剖析。在单独改动12项本钱要素的进程中，咱们发现VRLA的运用寿数、UPS的运用寿数、VRLA的价格、锂电池的价格、电池间的面积、VRLA的保护以及本钱本钱等要素，都会对总具有本钱发生明显影响。 值得留意的是，这些要素中的任何一项单独改变，都或许造成两种电池解决计划之间的总具有本钱发生明显差异。特别是在考虑VRLA和锂电池的寿数时，咱们发现短于锂电池的VRLA运用寿数及UPS运用寿数成为了要害要素。例如，4年的VRLA寿数加上8年的UPS寿数只会触发一次电池更换，而仅仅将UPS寿数延伸2年就会导致VRLA需求进行两次电池更换，从而在总具有本钱上发生明显改变，这一点上锂电池明显更具优势。 此外，电池价格在总具有本钱模型中也扮演着重要人物。但是，因为电池更换次数会乘以VRLA的价格影响，因而VRLA的价格要素在实践决议计划中或许比锂电池的本钱更为要害。一起，电池间的面积和VRLA的保护频次（高于锂电池）也是不行忽视的总具有本钱驱动要素。 最终，出本钱钱率对总具有本钱的影响也不容忽视。经过调整出本钱钱率（从20%降至0%），咱们可以优化现金流，从而影响总具有本钱的下降或增加。这种经营性现金流的明显改变，进一步凸显了各本钱要素在电池解决计划挑选中的重要性。 若考虑将锂电池运用于静态UPS，则存在多个要害要素需归纳考量，这些要素将依据您是挑选晋级现有UPS的电池计划，仍是选购全新UPS而有所不同。在此，咱们假定静态UPS的预期运用寿数约为10-15年，而VRLA电池和锂电池的运用寿数则别离为3-6年和10年及以上。 在改造现有UPS以运用VRLA电池的情况下，或许面对以下三种情况： UPS运转于其生命周期前期（一般缺乏5年） UPS运转至其生命周期中期（一般为5-10年） UPS运转至其生命周期晚期（一般超越10年） 关于处于生命周期前期的UPS，采用锂电池替换VRLA电池是明智之举，因为锂电池的寿数或许与UPS适当。但是，关于挨近生命周期中期的UPS，更换VRLA电池或许更为适宜。虽然锂电池的寿数超越UPS，但在这一阶段替换或许并不经济。但跟着锂电池价格的下降，这种替换的经济性将逐渐显现。 关于挨近生命周期晚期的UPS，或许需求考虑用搭载锂电池的新UPS进行整体替换。决议计划依据在于新解决计划与保护旧UPS的本钱比照，包含服务合同、备件等方面的费用。 值得留意的是，锂电池并非VRLA电池的简略替代品。即便锂电池与现有VRLA计划具有相同的标称电压，UPS也或许需求晋级固件和/或硬件以适应电池充电特性的改变、运转时刻方程式的差异以及估算的不准确性。此外，供货商或许还需求整合电池监测体系与UPS。这些要素都是UPS供货商在为特定型号供给锂电池解决计划时有必要全面考虑的。 购买新UPS并调配锂电池或许是最直接的挑选，特别是当UPS供货商已将锂电池技能与UPS高效整合时。但是，电池监测体系的运转情况将影响UPS与锂电池之间的整合效果，而不同供货商供给的体系或许有所不同。因而，未来或许会呈现推进不同供货商供给的UPS和电池监测体系之间一致性规范的需求。 图 3带锂电池的UPS举例，如施耐德电气的Galaxy VX，其功能受温度影响明显。 温度对电池的影响是多方面的，这首要归因于其独特的化学性质。但是，从实用的视点看，咱们首要重视三个要害要素：电池的运用寿数、运转时刻以及制冷能耗。 首要，电池的运用寿数是受温度影响最为明显的一个方面。科学文献证明，跟着环境温度的升高，电池的寿数会明显缩短。例如，当均匀环境温度每上升8-10°C (14-18°F)时，VRLA电池的寿数大约会缩短50%。这意味着在UPS中，假如温度过高，VRLA电池的放电频次或许会超越锂电池，从而影响其运用寿数。 其次，运转时刻也是温度影响的一个重要方面。运转时刻与电池供给的电流和电压密切相关。但是，跟着电池的放电，其输出电压会逐渐下降，这要求电池供给更多的电流以保持稳定的功率输出。温度对这一进程有何影响呢？事实上，跟着温度的升高，储能设备的内电阻会降低。这导致在高温环境下，电池每分钟的电流耗费量相对较低，从而延伸了运转时刻。但值得留意的是，这种优势是以牺牲电池的运用寿数为代价的。 综上所述，虽然高温环境或许会延伸电池的运转时刻，但这并不意味着咱们应该在高温下运转电池以获得更高的能量容量和更长的运转时刻。因为这样做会明显缩短电池的运用寿数。一起，咱们也需求留意到，温度与电阻的联系同样适用于电池的充电进程。 如前所述，锂电池可分为动力电池和能量电池两类。这两类电池在温度特性上有所不同，首要是因为动力电池的电阻低于能量电池。因而，在相同运用时刻内，能量电池的内部温度会高于动力电池。特别是在放电进程中，能量电池的内部温度或许上升30°C。若电池间温度为25°C，这尚在可控规模内；但若电池间温度到达40°C，那么这30°C的温升就或许触发电池监测体系，导致电池关闭，从而避免潜在的不行逆损害。虽然如此，锂电池因其较长的运用寿数，在高温环境下表现相较于VRLA电池更为出色。需求留意的是，关于VRLA电池，其温升一般应操控在10°C以内。 谈到制冷能耗，VRLA和锂电池各有差异。确定制冷体系规格时，需考虑稳态损耗（如微电流充电）和瞬态损耗（如放电期间发生的热量）。瞬态损耗的功率远高于稳态损耗，但好在每年的总热量（kWh）仅为微电流充电发生的热量的百分之一左右。即便如此，无论是锂电池仍是VRLA电池进行放电时，电池间的温度都会有所上升。若制冷体系仅针对稳态负载进行规划，那么电池间温度或许需求数小时才干康复到设定点。但这种情况对锂电池的影响相对较小。 综上所述，为了更经济高效地运转电池体系，锂电池的制冷体系应根据稳态状态进行规划。这样不仅节省了高容量制冷体系的出本钱钱，还降低了运转大容量制冷体系所需的高昂动力本钱（特别是固定损耗较高的情况下）。此外，因为锂电池具有较长的运用寿数，数据中心运营商在挑选时具有更大的灵活性。他们可以经过进步电池间温度来节省动力（甚至撤除制冷体系），并依靠电池保修来保证UPS的运用寿数；或许他们可以针对稳态损耗进行规划，将电池间温度保持在25°C左右，以完成最低的年度动力本钱。 关于VRLA电池，因为其运用寿数相对较短，因而需求从不同的视点来考虑。假如咱们可以经过降低电池间的温度并增加制冷体系容量来延伸VRLA电池的寿数，即便这会导致动力运营开销和制冷体系本钱开销的增加，但从长远来看，这仍然是一项值得的出资。 定论 可以预见的是，锂电池的价格将继续下降，一起会有新的化学成分和技能不断涌现，推进现有锂电池的继续改善。在这样的布景下，结合本文的剖析，锂电池体系关于数据中心UPS运用（以及更广泛的UPS运用）而言，无疑供给了明显的优势。虽然某些锂电池解决计划的初始价格或许较高，不适宜立即对VRLA进行改造，但仍有不少锂电池解决计划能在10年内供给令人满意的本钱效益，且出资报答周期甚至缺乏4年。