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技術也不斷的發(fā)生著變革，單機冗余并機、雙總線冗余并機、三總線冗余并機、單機模塊化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，在化學電源中一直占有絕對優(yōu)勢。這是因為其價格低廉、原材料易于獲得。但是到了21世紀，鉛酸電池行業(yè)的技術門檻越來越低，市場上品牌泛濫，技術停滯不前，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技術也不斷的發(fā)生著變革，單機冗余并機、雙總線冗余并機、三總線冗余并機、單機模塊化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阻增大或充電電壓過低，從而導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準充電電流為0.2C，如果過大則會造成電池極板膨脹變形，使得極板活性物質脫落，內阻增大，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、維護不到位、負極析出氫氣等原因引起的火災層出不窮，機房著火、系統(tǒng)崩潰、業(yè)務中斷、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)機房發(fā)生火災事故，燒毀蓄電池組及其附近的電纜、入戶木門、空調等物品，造成該接入網(wǎng)實裝機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：機房中的蓄電池組正常維護巡檢不到位，未能嚴格按規(guī)程要求落實檢查、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，導致火災發(fā)生。
圖一 鉛酸電池引起的機房火災事故
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房著火，整個機房內幾乎全被火苗和濃煙覆蓋、設備被燒毀。
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%，導致在典型的室內IDC機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，而且機房承建單位通常會考慮到安全問題而要求用戶建立單獨的電池組機房，空間利用率很低，用戶承擔了巨大了電池房建設成本和額外的空調配置費用，造成了用戶使用成本的巨大浪費！
圖二 典型數(shù)據(jù)機房平面簡圖
2 鐵電池優(yōu)勢分析
比亞迪公司是國內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呢？ {$page$}
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行浮充，一年后其實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 適應高溫環(huán)境
鐵電池60°C時以兩小時率進行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
鐵電池的電化學體系不同于鉛酸電池，其放電深度可達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，實際可用容量也是標稱容量的90%以上。一小時率以內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，其實際可用容量只有標稱容量（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
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|
體積對比（單位：mm） |
重量對比（單位：kg） |
|
規(guī)格容量 |
鐵電池 |
鉛酸電池 |
節(jié)省空間 |
鐵電池 |
鉛酸電池 |
節(jié)省重量 |
|
12V100Ah |
408*130*210 |
407*173*236 |
33% |
13.5 |
37 |
63.50% |
|
12V150Ah |
408*190*210 |
560*125*320 |
27.40% |
21 |
56 |
62.50% |
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擴大了電池應用的空間。
2.6 能量轉換率高
鐵電池充放電過程中的副反應少，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 鐵電池能量轉換效率
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放電 |
充電時間(Min) |
放電時間(Min) |
充電量 (wh) |
放電量(wh) |
轉換效率 |
|
30A |
261.25 |
309.9 |
2060.57 |
1999.24 |
97.02% |
|
25A |
258.2 |
373 |
2061.56 |
2007.92 |
97.40% |
|
15A |
266.85 |
602.7 |
2001.43 |
1950.3 |
97.45% |
|
6.25A |
369.65 |
1497.1 |
2054.62 |
2025.93 |
98.60% |
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載提供備用電源。 {$page$}
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
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 最高轉換效率
鐵電池的充放轉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在中小型機房中的典型應用方案
4 未來鐵電池UPS的應用展望
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架構的新型直流UPS技術，可靠性更高、總體系統(tǒng)效率更高的240V、336V直流UPS技術將最終取代現(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)是由電池直接給負載供電，IT負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)壓電路才能實現(xiàn)鉛酸電池在直流UPS中的應用。{$page$}
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器機柜供電；
鉛酸電池因其酸霧、氫氣的釋放會給機房主設備帶來安全上的隱患，一般需要單獨建電池房將電池與主供電設備遠拉，造成工程建設的復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 結論：
比亞迪公司做為電源行業(yè)的新秀，在帶領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)全方面的技術進步。■