机架式不间断电源(UPS)主要用于数据中心或企业的机房,可以在市电中断时为服务器和交换机等IT设备提供备用电源UPS通常采用的是铅酸蓄电池。随着开源计算项目(OCP)计划和超大规模数据中心的推出,锂离子电池正在抢占铅酸电池在UPS电源市场份额。
　　
　　本文介绍了UPS在选择锂离子电池为数据中心设备提供电源保障时的一些权衡因素。其中锂离子电池有两种可用的电池:磷酸铁锂电池(LFP)和锂镍锰钴三元锂电池(NMC)。数据中心运营商需要考虑预期放电时间、主动与被动冷却、可扩展性选项以及电池的工作寿命。
　　
　　UPS采用的两种锂电池对于UPS电源供应商来说,通常会采用两种流行的锂离子电池。锂镍锰钴三元锂离子电池(NMC)是最常见的锂电池,这种电池以往用于笔记本电脑和手机等消费类应用场景。磷酸铁锂电池(LFP)在消费类应用场景中不太常见,但用于充放电次数更高或高功率应用场合,例如电钻或工业电动汽车。虽然这两种电池都基于锂离子交换的工作原理,但它们具有一些显著不同的性能和特征。
　　
　　NMC电池与LFP电池相比具有更高的重量和体积能量/密度比。因此,NMC电池具有更高的能量密度和更低的成本使其成为大多数低功耗应用最佳的电池产品。这意味着,如果给UPS给这种电池留出一定的空间安装,采用NMC电池的UPS将提供比同等空间的采用LFP电池的UPS有着更长的运行时间。
　　
　　三个主要因素影响锂离子电池的工作寿命——充放电循环次数、使用时间和电池的平均温度。行业的规范通过比较实际容量与电池的原始容量来衡量电池的有效性。LFP电池至少可以进行2000～3000次的完全充电/放电循环,才能降到其原始容量的80%。而NMC电池可以在达到其原始容量的80%之前提供500～1000次完全充电/放电循环。这意味着LFP电池的充放电循环寿命是典型NMC电池的两到三倍。NMC电池的工作寿命为三到四年,而LFP电池的工作寿命通常超过八年。影响锂离子电池寿命的最大因素是电池的平均温度,其次是放电深度。
  
      安全性
　
     LFP电池具有比NMC电池更安全的阴极材料,并且不会在更高的温度下退化。实际上,LFP电池提供了最佳的热稳定性和化学稳定性,因此比NMC电池具有更高的安全性。LFP电池只会在195℃时进入热失控状态,并在热失控期间释放最少的能量。典型的NMC电池可以进入低至170℃的热失控状态,将会释放更多能量并有可能起火燃烧。虽然各种锂离子电池都是安全的,但LFP电池是最安全的锂离子电池产品之一。
　　
　　温度和排放
　　
　　一般来说,UPS有两种典型的使用模型。第一种应用是当数据中心运营商计划在5到10分钟的时间间隔内使用UPS电源时,特别是从断电到备用发电机启动的过渡时期。在这种情况下,UPS以非常高的速率提供所有可用能量。第二种应用是当数据中心运营商计划使用UPS提供1到8小时的放电,并希望避免启动备用发电机。
　　
　　LFP电池的内部阻抗非常低,能够以非常高的速率放电而不会产生太多热量。NMC电池的内部阻抗比LFP电池高约10倍,并且在以与LFP电池相同的速率放电时会在内部产生更多热量。例如,48V、50A的NMC电池(2400Wh)可以提供约50～100A的放电电流,而类似尺寸的LFP电池可以提供约500～1000A的放电电流。电力输送是UPS电源中的一个关键指标。为了提供特定的电流曲线,可能需要并联多块NMC电池才能达到所需的电流,而一块LFP电池就可能提供所需的电流。考虑到特定的空间限制,这意味着NMC电池更适合可以在较长的放电期间(即1h50A)内承受较低电流传输的应用,而LFP电池还可以在较短的时间内提供较高的电流传输放电时间(即10min内300A)。UPS运行时间的预期是选择电池的关键因素。
　　
　　被动或主动冷却
　　
　　在机架式UPS市场中,UPS的热管理有多种选择,从被动冷却(无风扇)到主动冷却(持续运行的风扇)再到动态主动冷却(变速风扇驱动)来管理电池温度。影响锂离子电池寿命的第三个因素是环境温度。锂离子电池可以在-20℃至60℃安全运行,但最大限度延长电池寿命的最佳温度范围是10℃到30℃。大电流放电会在电池内部产生热量,但稳定的温度环境可以最大限度地延长电池的寿命。
　　
　　需要注意的是,基于NMC电池的化学成分和更高的阻抗,与LFP电池相比,它们在放电时会产生更多的热量。鉴于冷却散热是数据中心内的一个关键问题,LFP电池的化学成分确实使其在气候控制环境中具有优势。

    主动冷却的优势　　
　　
    在通常情况下,通过引入风扇和热调节来增加产品的复杂性可被视为缺点,但也有一些优点。在没有气候控制的应用中,机柜的温度范围可以从非常寒冷和干燥到非常温暖和潮湿。电池体积很大并且很重。在采用被动冷却措施的电池中,在热失控事件中,电池的内部温度比外部上升得更快,从而产生热点并限制可用的放电电流量。这也会使电池组的电池过早老化。在放电或充电事件期间,主动冷却电池可以更好地去除电池热量。与等效的被动冷却电池相比,主动冷却技术还可以支持电池更高的充电电池和放电电流。
　　
　　这也可能带来冷凝的挑战。在早上,来自环境的潮湿空气可能会进入机柜并接触到电池。由于温差,这种潮湿的空气可能会将水冷凝到电池内部的敏感电子设备上。随着时间的推移,电子设备上的冷凝可能会改变电池的功能或损坏电池组件。主动冷却还具有保持电子设备温度与空气温度相同的优点,从而防止冷凝。
　　
　　总之,市场上有许多机架式UPS。在选择UPS制造商或型号之前,应该了解这些设备的功率,以评估在电力中断期间维持运行所需的功率、所需的运行时间、确定将要运行的环境以及确定热量起到的作用有了这些数据,可以评估锂离子电池化学特性、被动和主动冷却特性以及可用解决方案提供的关键特性。一旦将这些功能纳入选择标准,UPS生产商将确保其UPS产品在停电期间提供所需的电源。
　　
　　(文章来源:datacenter dynamics)
　　
　　编辑：Harris