阀控铅酸蓄电池与锂电池的比较

摘要

近几年，锂电池的价格持续下降，目前正成为数据中心 UPS 应用的可行性选择方案。本文将简述用于静态 UPS 应用的锂电池与 阀控铅酸蓄电池（VRLA）的不同特征，包含最佳化学成分和技术。为期 10 年的总拥有成本（TCO）分析显示尽管存在投资成本溢价，但锂电池的 TCO 比阀控铅酸蓄电池低 39%。通过敏感性分析，将揭示 TCO 的驱动因素。篇尾，我们还会讨论锂电池用于改造及在新 UPS 中的应用，以及温度对于电池寿命、运行时间和制冷的影响。

图1

用于三相UPS应用

（左）和柜内连接的多个模块（右）的锂电池模块

简介

锂电池在各种不同应用中的商用化进程已有20 余载。那么，它们何以未被普及用于静态数据中心UPS中的电池呢？事实上，其原因在于，与所有其他的应用一样，锂电池在静态UPS 应用中无法为UPS 供应商提供价格、能量密度、功率、安全性和可靠性方面的合理平衡。但在过去10 年里，锂离子化学成分和技术的改进已为UPS 供应商提供了现实的方案。这些改进很大程度上是出于电动汽车产业提出的要求。

锂电池具备诸多优于阀控铅酸蓄电池的合理优势，包括：

·UPS使用寿命内电池更换次数较少（可能无需更换），从而消除电池更换造成的宕机风险。

·同等能量下，重量为铅酸蓄电池的四分之一。

·放电次数是铅酸蓄电池的10倍，取决于化学成分、技术、温度和放电深度。

·自放电率约为铅酸蓄电池的五分之一（不使用时，电池放电迟缓）。

·在多种主要断电场景中，充电速度提高4倍以上。

但是，相比阀控铅酸蓄电池，锂电池也存在两大主要缺点：

·由于较高的制造成本加之必要的电池管理系统成本，投资成本约为等能量铅酸蓄电池的2-3倍。

·运输法规更严格。

锂电池概述

一般来说，所有的单节锂电池都有着一些共同特征。例如，它们均可充电和使用电解液，以及锂离子在不同电极之间游动。但一些具体的特征取决于化学成分和技术。化学成分指的是产生化学反应以对单节电池充电和放电的元素。化学成分决定单节电池电压。技术指的是最终决定能量（瓦时）、功率（瓦特）、能量密度（瓦时/千克）、功率密度（瓦/千克）、使用寿命、温度影响、稳定性及一系列其他设计特征（即电极厚度、电解液组成、涂层、添加剂等）。

以下简述部分锂电池特征以及它们如何与静态UPS 应用中的阀控铅酸蓄电池进行比较。

最佳化学成分

UPS 应用要求使用能够提供长达5-10 分钟大量电容的电池。因此，UPS 应用所需的锂离子化学成分和技术应能够在短时间内提供大电流，同时保证安全的内部电池温度。相较于铅酸电池，锂电池的化学成分提供更高的单位重量能量和功率，通常称为能量密度和功率密度。

动力电池与能量电池

如上所述，UPS 应用需要电池能够在5-10 分钟内提供较大电流及功率。就这一点而言，锂电池和铅酸蓄电池之间的主要差异是5-10 分钟运行时间之后电池剩余多少容量。

•动力电池旨在利用几乎全部的电池容量的同时，短时间内提供相对较大量的功 率。以 UPS 应用为例，动力电池解决方案在满载下可提供 1-2 分钟的运行时间， 同时放出约 80%的电池容量。

•能量电池旨在长期提供相对较小量的功率。在 UPS 应用中，能量电池解决方案在相同的时间内提供等量功率，但是仅放出 10-30% 的电池容量。

这意味着用于此类应用时，能量电池解决方案采用过度规划， 而且可以提供长于所需的运行时间。根据能量电池与动力电池之间的价格比较，在 UPS 应用中采用过度规划的能量电池解决方案相比采用合理规划的动力电池解决方 案价格更低。图 2 显示了能量与功率在不同储能技术以及对运行时间的相应影响方面的关系。每条线向下弯曲代表在较短运行时间内电池提供满容量受到的限制。注意铅酸蓄电池和锂电池的能量密度和功率密度的相对位置。

图2

能量与功率密度的关系图，又称为“关系曲线”

得出的重要结论是锂电池可设计为动力电池或能量电池。相反，VRLA 电池的化学成分 和技术限制其只能设计成能量电池。

生命周期

提到电池寿命时，电池在需要更换之前能够持续使用多长时间是问题的关键。不过，了解供应商采用的不同寿命测量标准至关重要。其中，使用寿命尤其关键。这是电池在到达80%能量容量之前能够持续的预计时间，这是电池寿命结束的典型定义。使用寿命是指电池在指定应用的“实际”条件下运行，因此差异较大。相比之下，日历寿命是指如果电池在规定温度（通常 25°C）无断电情况下仍能以微电流充电时能够持续使用的预计时间。铅酸蓄电池的使用寿命范围为 3 至 6 年，而锂电池的使用寿命可长达10 年。请注意，对于新锂电池获得其实际使用寿命数据还需要多年时间，但是，一些锂电池提供 10 年质保作为缺少服务数据的措施。

占地空间

由于锂电池具有较高的能量密度，因此它的占地空间或容积小于 VRLA 电池。空间节省 对于托管数据中心或不动产成本较高的数据中心来说具有特别的吸引力。

重量

与占地空间类似，锂电池较高能量密度也使得其重量比 VRLA 电池更轻。重量轻有助于 降低运输成本。

电池监测

电池监测系统（BMS）通常作为传统 VRLA 电池解决方案的附加设备。一些数据中心 运营商会购买 BMS 来延长电池系统的使用寿命。但是，锂电池配有 BMS，因为这些电池需要完全控制充电和放电，以防止锂电池内出现不安全温度。

安全性

当谈及电池，尤其是锂电池时，安全乃重中之重。UPS 应用需要记住的一件重要事情 是，UPS 供应商如要寻求特定 UPS 的化学成分、技术、电池封装和电池管理的最佳组合，则需与信誉良好的锂电池供应商密切合作。

法规

包括锂离子或 VRLA 在内的任何类型的电池运输均有着不同的法律法规。由于某些化学 成分具有较高的能量密度和高挥发性，因此这些运输法规对于锂离子化学成分的要求更为严格。

财务分析

在某些数据中心投资中，愈发普及的是使用总拥有成本作为衡量标准，例如制冷系统节能冷却模式和 UPS 电池投资。相比于 VRLA 电池，锂电池的某些动力电池化学成分和 技术在 10-15 年期内提供有利的总拥有成本。这是 UPS 需要更换之前的典型寿命范围。

一些锂电池成本研究可供使用，但由于各种不同的原因并一定完全有用：

•它们专注于电动汽车或着长时间应用，这适合于能量电池而不适合于用于 UPS 应 用的动力电池。

•它们是将相互竞争的锂电池成本进行比较，而不是与 VRLA 电池进行比较。

•它们不提供 UPS 应用规定的特定锂离子化学成分和技术。

•它们还关注投资成本而不是总拥有成本。

由于缺乏针对 UPS 应用的上述动力电池成本的研究，我们主要依靠动力电池厂商针对两个特定的三相 UPS 系列Symmetra MW和Galaxy提供的数据。下列章节分析了 1MW UPS 应用在 10 年期间的资本支出、运营支出和总拥有成本。

假设条件

表 1 列出了与总拥有成本分析相关的电池属性。

表 2 列出了用于分析的假定条件。

资本支出

在第 0 年时的初始电池支出包括电池材料成本、安装成本和运输成本。表 3 列出了这两种电池解决方案的资本支出明细。

运营支出

电池的运营支出于第一年开始计算，直至第 10 年。电池维护、场地租赁和能源成本每年都会产生，而电池更换成本在第 4 年和第 8 年时产生。

表 4 列出了这两种电池解决 方案的运营支出明细。

电池充电的能量损耗类型有两种；电池微充电时的固定损耗和断电后电池放电或充电的瞬态损耗。此次分析的能源成本包括稳态充电的固定损耗及为了除去此类损耗中的热负荷所需的制冷损耗。但是需开展更多的分析，以更好地了解瞬态电池活动对制冷需求的影响。电池解决方案的热容在决定制冷系统的排热能力及冷量消耗方面起到重要的作用。完成此项分析后，总拥有成本分析将根据瞬态活动的影响而实施更新。

总拥有成本

10 年期总拥有成本需考虑上述的资本支出和运营支出。锂电池解决方案 10 年总拥有成 本比 VRLA 解决方案低 39%。与第 0 年的较高锂电池资本支出，仅需 3.4 年就可以实 现投资回报。

表 5 列出了两种电池解决方案的总拥有成本明细。

敏感性分析

我们对 12 项成本因素进行了独立变化试验，以评估它们的变化性和变化幅度对总拥有 成本的影响。例如，我们将 VRLA 使用寿命从 2 年改为 7 年，从而使得总拥有成本节省 从 0.8%变为15.5%。基于这一敏感性分析，对 VRLA 和锂电池之间的总拥有成本比较 影响最大的因素包括：

•VRLA 使用寿命

•UPS 使用寿命

•VRLA 的价格（$/W）

•锂电池的价格（$/W）

•电池间面积

•VRLA 维护

•资本成本

值得注意的是，上述每一项因素都能单独造成两种电池解决方案之间产生显著变化，而 少数上述因素组合可能需要做出采用一种或另一种的决定。特别是，短于锂电池的 VRLA 使用寿命及 UPS 使用寿命成为重要杠杆。例如，4 年的 VRLA 寿命加之 8 年的 UPS 寿命只会造成一次电池更换。但是，仅将 UPS 寿命延长 2 年就会造成 VRLA 两次电池更换，从而在总拥有成本方面发生显著变化，这一点方面锂电池更具优势。

电池价格在这种总拥有成本模型中起着重要作用，但由于电池更换次数需乘以较低或较高的VRLA 价格影响，因此VRLA 的价格因素比锂电池成本更重要。事实上，可观的年度费用中的任何成本构成在决定选用哪种电池解决方案方面都起着重要作用。基于此，电池间面积和VRLA 维护（频次高于锂电池）是重要的总拥有成本驱动因素。最后，由于上述经营性现金流显著影响总拥有成本是显而易见的，投资成本会使现金流最小化（20%的投资成本率）或现金流最大化（0%的投资成本率）进而导致总拥有成本下降或增加是可以理解的。

用于改造及在新UPS中的应用

如果选择锂电池用于静态 UPS 应用，则有一些重要因素需要考虑，取决于您是改造现 有 UPS 的电池解决方案还是购买新 UPS。这里假设静态 UPS 的预期寿命约为 10-15 年，VRLA 电池使用寿命为 3-6 年，以及锂电池的使用寿命为 10 年或以上。

改造现有 UPS 的 VRLA 电池时，存在三种可能的情况：

1.UPS 的运行处于其生命周期的早期

2.UPS 的运行接近其生命周期的中期

3.UPS 的运行处于其生命周期的末期

对于处于其生命周期早期（通常不到 5 年）的 UPS，利用锂电池改造 VRLA 电池的做 法较为明智，因为锂电池的寿命终止时间有可能与 UPS 相同。

对于接近其生命周期中期（通常为 5-10 年）的 UPS，对 VRLA 电池进行换新是一种明 智的做法。考虑到锂电池比 UPS 的有效年限长 5 年以上，因此在 UPS 寿命的这一阶段用锂电池改造VRLA 电池不具备经济性。但是随着将来锂电池价格的不断下降，实际 上用锂电池改造 VRLA 电池将更具有经济性。

对于接近其生命周期末期（通常超过 10 年）的 UPS，利用搭载锂电池的新 UPS 替换 整个 UPS 可能最合理。具体决定实际上取决于与新解决方案成本相比保持和维护旧 UPS 的成本（即服务合同、备件等）。

对于考虑用锂电池改造 VRLA 的案列，注意锂电池并非 VRLA 电池的“简易”替换。即 便锂电池与现有 VRLA 解决方案拥有相同的标称电压，UPS 仍可能需要升级固件和/或硬件。这是因为电池充电特征可能发生改变，运行时间方程式可能有所不同，以及运行 时间估算可能不正确等等。除此之外，供应商可能需要将电池监测系统与 UPS 相整合。所述因素及其他因素均为 UPS 供应商在为特定 UPS 型号提供锂电池解决方案时必 须考虑的所有要素。

鉴于 UPS 供应商已将锂电池技术与 UPS 高效整合，购买新 UPS 则是最直截了当的方案。UPS 与锂电池监测系统之间的整合主要取决于电池监测系统的运行情况，而不同供应商提供的电池监测系统各不相同。最后将出现推动不同供应商提供的 UPS 和电池 监测系统之间的一致性标准。使用锂电池的 UPS 例子如图 3 所示。

图3

带锂电池的UPS举例，所示为施耐德电气的GalaxyVX

温度影响

温度为何以多种不同的方式影响电池有多种原因，其中有很多原因来自于其特殊的化学成分。但是，温度方面最终需要考虑三个重要因素，以重要性顺序列出如下：

•电池使用寿命

•电池运行时间

•制冷能耗

电池使用寿命

科学文献证明，温度会影响重要组件的使用寿命，电池也不例外。电池的经验法则（VRLA 和锂电池）为平均环境温度每上升8-10°C (14-18°F)，电池的使用寿命缩短50%。假设VRLA 的使用寿命为3-6 年，锂电池的使用寿命约为10 年，我们预计较高的温度会使VRLA 电池在UPS 的使用寿命期间的放电频次高于锂电池。此类影响已在上述总拥有成本分析中进行了量化。

运行时间

运行时间是电池在某电压（V）下所提供的电流或安培数（A）相关。将两者相乘，会得到用于支持IT 负载的功率(W)。

V x A = 瓦特(W)

这时，在公式中加入时间值，就能得到能量(Wh)。

V x A x 时间 = Wh

随着电池放电，电池输出电压下降，意味着需要更多的电流以保持负载的恒定功率。这时候的问题是温度升高对运行时间会有什么影响？随着温度升高，像VRLA 和锂电池之类的储能设备，内电阻会下降。电阻越低，损耗越少，意味着输出电压不会快速下降，同时也意味着在较高温度时，电池每分钟消耗的电流更少，然后在较低温度时也是如此。

因此，为什么不以高温运行电池来获得更高的能量容量和更长的运行时间？这一答案重新指向电池使用寿命缩短。请注意，温度与电阻的这一关系同样适用于电池充电。

如前所述锂电池有两种类型，即动力电池和能量电池。这两类锂电池在温度方面的表现截然不同，因为动力电池本身具有低于能量电池的电阻。因此，当电池使用的时间相同时，能量电池的内部温度高于动力电池。放电时，能量电池的内部温度会上升30°C。如果电池间温度为25°C，则问题不大，但如果电池间温度为40°C时，同样上升30°C 温度可能造成电池监测系统将电池关闭，从而避免不可逆性损害。尽管在高环境温度下存在这一问题，锂电池由于其使用寿命较长，因此比VRLA 电池更适合在高温环境中运行。注意，对于VRLA 电池，温升通常应限制在10°C。

制冷能耗

对于VRLA 和锂电池，有两种确定制冷系统规格的方案：仅适用于稳态损耗的规格（即微电流充电）或者适用于放电期间产生的热量的规格（瞬态损耗）。瞬态损耗的功率(kW）远高于稳态损耗，但假设运行时间为6 分钟以及每年断电20 次，每年的总热量(kWh)约为微电流充电产生的热量的百分之一。

不论是对锂电池系统还是VRLA 电池系统进行放电，电池间温度都会某种程度上升。如果制冷系统针对稳态负载进行精确规划，电池间温度回到其设定点将花费更长的时间（数小时）。这种瞬态高温如何影响电池系统？很显然，相较于VRLA，对锂电池的影响较小。

基于我们今天所了解的，锂电池制冷系统应根据稳态状态进行规划更加明智。这不仅节省高容量制冷系统的投资成本，而且节省运行较大制冷系统相关的高额能源成本（假设固定损耗较高）。最后，由于锂电池具有相对较长的使用寿命，数据中心运营商可拥有多种选择。他们可以提高电池间温度来节省能源（或者直接拆除制冷系统），并仰赖电池保修来确保在没有任何基建投资的情况下实现UPS 使用寿命。或者他们可以针对稳态损耗进行规划，将电池间温度冷却至25°C，实现最少的年度能源成本。

对于VRLA，思考角度则有所不同，因为其使用寿命明显较短。本文提出的模型，如果您可以通过降低电池间的温度以及提高制冷系统容量来将VRLA 电池的寿命延长一年，尽管能源运营支出和制冷系统资本支出都会增加，但还是值得的。

结论

可以肯定地说，锂电池价格将会持续下降，新的化学成分和技术也将面市，现有的锂电池也会不断改进。根据这一背景以及本文开展的分析，用于数据中心UPS 应用（以及一般的UPS 应用）的锂电池系统提供了极具吸引力的优势。尽管部分锂电池解决方案的价格过高而被证明不适合对VRLA 进行改造，但还是会有一些锂电池解决方案提供令人满意的10 年期总拥有成本，而且投资回报周期不足4 年。