摘要：金融、通信、交通行業(yè)行業(yè)的高速發(fā)展帶動了UPS行業(yè)一直持續(xù)穩(wěn)步的增長，UPS技術(shù)也不斷的發(fā)生著變革，單機(jī)冗余并機(jī)、雙總線冗余并機(jī)、三總線冗余并機(jī)、單機(jī)模塊化UPS、發(fā)展智能的監(jiān)控與管理、直流UPS等，UPS的新技術(shù)層出不窮，但在電池方面UPS還未突破鉛酸電池的束縛。據(jù)行業(yè)專家透露，2010年國際金融展上曾有一款名為IRON 6K的UPS，因其搭載的電池不是傳統(tǒng)鉛酸電池，而是一種名為鐵電池的新型動力電池，專家組最后一致認(rèn)定該款產(chǎn)品為“最具潛力獎”。 

    1          傳統(tǒng)UPS鉛酸電池存在的問題

    蓄電池是1859年由法國人普蘭特(Plante)發(fā)明的，至今已有一百多年的歷史。鉛酸蓄電池自發(fā)明后，在化學(xué)電源中一直占有絕對優(yōu)勢。這是因?yàn)槠鋬r格低廉、原材料易于獲得。但是到了21世紀(jì)，鉛酸電池行業(yè)的技術(shù)門檻越來越低，市場上品牌泛濫，技術(shù)停滯不前，長此以往勢必會影響電源產(chǎn)業(yè)以及新能源行業(yè)的發(fā)展。

    與次形成鮮明對比的是，隨著金融和電信兩大重點(diǎn)行業(yè)的高速發(fā)展帶動了UPS行業(yè)一直持續(xù)穩(wěn)步的增長，UPS技術(shù)也不斷的發(fā)生著變革，單機(jī)冗余并機(jī)、雙總線冗余并機(jī)、三總線冗余并機(jī)、單機(jī)模塊化UPS、發(fā)展智能的監(jiān)控與管理、直流UPS等，UPS的新技術(shù)層出不窮，但在電池方面UPS還未突破鉛酸電池的束縛。

    鉛酸電池在UPS應(yīng)用中主要存在以下問題：

    1.1         壽命問題：

    1.1.1  鉛酸電池對環(huán)境溫度要求較高，工作環(huán)境一般要求在20℃-25℃之間，低于15℃時，其放電容量下降，溫度每降低1℃，其容量下降1%，而溫度過高（大于30℃）其壽命就會成倍縮短；

    1.1.2  要防止鉛酸電池深度放電，深度放電會造成鉛酸電池內(nèi)阻增大或充電電壓過低，從而導(dǎo)致降低甚至失去充電能力，對于鉛酸電池來講放電程度越深，循環(huán)壽命越短；

    1.1.3  要避免大電流充放電，對于鉛酸電池來說標(biāo)準(zhǔn)充電電流為0.2C，如果過大則會造成電池極板膨脹變形，使得極板活性物質(zhì)脫落，內(nèi)阻增大，容量下降，壽命縮短；

    1.1.4  對于不經(jīng)常停電的地區(qū)，建議用戶每隔三個月對UPS進(jìn)行一次人為的斷電，讓UPS電源在逆變狀態(tài)下工作一段時間，防止電解液沉淀，以便讓蓄電池維持良好的充放電特性，延長使用壽命；

    1.2         安全問題

    近年來，由蓄電池漏液、高溫性能差、維護(hù)不到位、負(fù)極析出氫氣等原因引起的火災(zāi)層出不窮，機(jī)房著火、系統(tǒng)崩潰、業(yè)務(wù)中斷、數(shù)據(jù)丟失…… 帶來的損失難以估量，也給鉛酸蓄電池的UPS系統(tǒng)行業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)！

    案例一：

    2005年5月，某省網(wǎng)通分公司一接入網(wǎng)機(jī)房發(fā)生火災(zāi)事故，燒毀蓄電池組及其附近的電纜、入戶木門、空調(diào)等物品，造成該接入網(wǎng)實(shí)裝機(jī)465戶及數(shù)據(jù)20線的通信全部中斷(用戶主要為企業(yè)用戶)。故障歷時17小時35分。

    原因：機(jī)房中的蓄電池組正常維護(hù)巡檢不到位，未能嚴(yán)格按規(guī)程要求落實(shí)檢查、檢測，致使不能及時發(fā)現(xiàn)并排除蓄電池故障和安全隱患電池故障引起高溫，長時間的持續(xù)高溫引燃蓄電池ABS塑料外殼，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生。

圖一 鉛酸電池引起的機(jī)房火災(zāi)事故

    案例二：

    2010年6月24日凌晨、天津某公司新大路與中山路交口附近一家公司機(jī)房著火，整個機(jī)房內(nèi)幾乎全被火苗和濃煙覆蓋、設(shè)備被燒毀。

    事故原因：消防人員分析事故原因是蓄電池因漏液短路引起自燃。

    1.3         空間問題

    鉛酸電池受自身固有特性限制，備電配置原則通常為DOD30-50%，導(dǎo)致在典型的室內(nèi)IDC機(jī)房中需要的鉛酸電池容量巨大，2-4組的電池占地面積巨大，而且機(jī)房承建單位通常會考慮到安全問題而要求用戶建立單獨(dú)的電池組機(jī)房，空間利用率很低，用戶承擔(dān)了巨大了電池房建設(shè)成本和額外的空調(diào)配置費(fèi)用，造成了用戶使用成本的巨大浪費(fèi)！ 

圖二 典型數(shù)據(jù)機(jī)房平面簡圖

    2          鐵電池優(yōu)勢分析

    比亞迪公司是國內(nèi)最大也是最早做鋰電池的廠家，據(jù)悉，該公司推出的電動汽車F3DM、E6上的電池就是鐵電池。鐵電池究竟有哪些顯著特點(diǎn)呢？

    2.1         長循環(huán)壽命和浮充壽命

    鐵電池在25ºC以一小時率的充放電電流進(jìn)行100%DOD循環(huán)充放電，2000次循環(huán)后剩余有效電池容量依然在初始容量的80%以上。

圖三 鐵電池常溫循環(huán)壽命曲線

    鐵電池有良好的浮充特性，常溫下即使以均充電壓對鐵電池進(jìn)行浮充，一年后其實(shí)際可用容量也沒有任何損失。

圖四 鐵電池浮充測試曲線

    2.2         適應(yīng)高溫環(huán)境

    鐵電池60°C時以兩小時率進(jìn)行100%DOD的充放電測試，仍具備1200次以上的循環(huán)壽命。45°C下浮充一年的測試結(jié)果表明，鐵電池的容量損失也小于5%。 

圖五 鐵電池高溫循環(huán)曲線

    2.3         可深度放電，不怕欠充電

    鐵電池的電化學(xué)體系不同于鉛酸電池，其放電深度可達(dá)97%，長期處于欠充電狀態(tài)也不會有任何不良影響。用更少能量的鐵電池來實(shí)現(xiàn)所需的備電時間。

    2.4         大倍率充放電

    鐵電池具有快速充電特性，可最大3C（一小時率充電電流的三倍）充電，20-30分鐘即可將電池從0%SOC充電至100%，從而確保蓄電池能快速充滿電以應(yīng)對下次突然停電。

圖六 大倍率放電曲線（12V 10Ah鐵電池模塊）

    鐵電池也具有優(yōu)秀的大倍率放電特性，即使放電電流10倍于一小時率，實(shí)際可用容量也是標(biāo)稱容量的90%以上。一小時率以內(nèi)的充放電電流也不會對電池的循環(huán)壽命有任何損害。而以一小時率放電的鉛酸電池，其實(shí)際可用容量只有標(biāo)稱容量（基于十小時率放電）的70%甚至更低。

圖七 大倍率放電實(shí)際可用容量對比

    2.5         高能量密度

    表一 鐵電池體積重量對比

    鐵電池的理論體積能量密度和重量能量密度分別為310Wh/L和120Wh/kg，是鉛酸蓄電池的4倍（分別為80Wh/L和35Wh/kg）以上表為例，目前比亞迪鐵電池模塊產(chǎn)品的體積相比鉛酸電池節(jié)省1/3至1/4，重量比鉛酸電池節(jié)省2/3，隨著進(jìn)一步優(yōu)化升級，鐵電池能量密度比的優(yōu)勢將更接近理論值。這為一些體積有限或樓層承重能力有限的站點(diǎn)擴(kuò)大了電池應(yīng)用的空間。

    2.6         能量轉(zhuǎn)換率高

    鐵電池充放電過程中的副反應(yīng)少，放電與充電的能量值的比值（瓦時效率，即放電容量與充電容量之比）在95%以上，比鉛酸高出15%.

    表二 鐵電池能量轉(zhuǎn)換效率

    2.7         放電平臺穩(wěn)定

    鐵電池在90%SOC（State Of Charge，電池充電狀態(tài)）放電態(tài)前電池電壓一直維持不變，適合對輸入電壓精度要求較高的精密負(fù)載提供備用電源。

圖八 穩(wěn)定的放電平臺

    2.8         環(huán)境友好無污染

    鐵電池不含鉛和硫酸，鐵電池的生產(chǎn)、使用和回收處理，不會對環(huán)境造成任何重金屬污染和酸污染，使用過程中也不會釋放氫氣，是真正綠色的環(huán)保可充電電池。

    3          新一代鐵電池UPS的性能指標(biāo)

圖九 鐵電池UPS

    3.1         最輕薄

    IRON1K高僅1U，重僅13Kg,是全球最輕最薄的在線式UPS，節(jié)省空間，降低承重要求

    3.2         最綠色

    配備鐵電池的IRON系列從生產(chǎn)、使用到回收均無污染

    3.3         最高轉(zhuǎn)換效率

    鐵電池的充放轉(zhuǎn)換效率比同等條件下鉛酸電池的高約10%，電池容量得到充分的利用

    3.4         最多充放次數(shù)

    IRON系列使用的鐵電池在常溫下經(jīng)400次100%DOD循環(huán)仍能保持初始容量的80%以上，尤其適用于頻繁停電地區(qū)

圖十 鐵電池UPS的轉(zhuǎn)換效率及電池容量保持對比

    3.5         長備電快充電

    IRON系列UPS比傳統(tǒng)鉛酸電池UPS的備電時間更長，回充時間更短，使用戶能更從容地應(yīng)付停電

    3.6         耐高溫長壽命

    降低電池更換頻率，提高安全性，減少維護(hù)成本

圖十一 鐵電池UPS充放電曲線及浮充壽命曲線   

圖十二鐵電池UPS在中小型機(jī)房中的典型應(yīng)用方案

    4          未來鐵電池UPS的應(yīng)用展望

    近年來，數(shù)據(jù)中心用的大容量UPS日益增多，行業(yè)專家正在討論一種區(qū)別于現(xiàn)有UPS架構(gòu)的新型直流UPS技術(shù)，可靠性更高、總體系統(tǒng)效率更高的240V、336V直流UPS技術(shù)將最終取代現(xiàn)存大功率的UPS

圖十三 直流UPS系統(tǒng)示意圖

    鐵電池在直流UPS中的應(yīng)用優(yōu)勢分析：

    4.1         穩(wěn)定的放電平臺

    直流UPS供電系統(tǒng)是由電池直接給負(fù)載供電，IT負(fù)載所要求的輸入電壓范圍為額定電壓±11%的范圍，需要配合穩(wěn)壓電路才能實(shí)現(xiàn)鉛酸電池在直流UPS中的應(yīng)用。

圖十四 鐵電池與鉛酸電池的放電平臺對比

    2. 安全可靠 綠色電池 

    直流UPS系統(tǒng)最可能采取的是分布式供電，以列頭柜的形式對一整列的服務(wù)器機(jī)柜供電；

    鉛酸電池因其酸霧、氫氣的釋放會給機(jī)房主設(shè)備帶來安全上的隱患，一般需要單獨(dú)建電池房將電池與主供電設(shè)備遠(yuǎn)拉，造成工程建設(shè)的復(fù)雜同時也增加了線損

    鐵電池綠色環(huán)保，不會產(chǎn)生氣體和酸霧，又因其體積密度與重量密度非常高，完全可以與電源設(shè)備一起放在列頭柜中，節(jié)省空間、減少線損、安全可靠；

    3. 大功率放電 深充放 

    數(shù)據(jù)中心供電可靠性要求高，如果市電斷電則要求電池能夠短時間、大功率備電，給油機(jī)或者其他供電方式提供足夠的啟動時間。

    鐵電池的放電深度可達(dá)100%DOD，且對壽命影響不大，比亞迪的功率型鐵電池最大可支持3C放電，對于短時間、大功率備電有無可替代的優(yōu)勢

    5          結(jié)論：

    比亞迪公司做為電源行業(yè)的新秀，在帶領(lǐng)UPS行業(yè)突破傳統(tǒng)鉛酸電池的限制方面走出了有意義的一步，希望比亞迪公司勇于創(chuàng)新的精神能夠帶動國內(nèi)外眾多的UPS廠商一起嘗試、一起創(chuàng)新，推動UPS行業(yè)全方面的技術(shù)進(jìn)步。■