Sep. 2019，Vol. 36 No.S1
doi：10.19399/j.cnki.tpt.2019.S-1.021
电源及供电技术
磷酸铁锂电池在微模块数据中心中的应用
郭佳哲
（中国移动南方基地，广东 广州 510000）
摘要：磷酸铁锂电池作为一种通信用新型蓄电池，具有体积小、耐高温、高倍率放电等优点，已经逐步应用于数据中心领域。因此，将结合试点应用案例，对磷酸铁锂电池在微模块数据中心的配置方案、测试结果进行介绍和分析，吸引更多行业专家关注和研究磷酸铁锂电池，从而加快其在数据中心中的推广应用。
关键词：磷酸铁锂电池；高压直流电源；微模块数据中心
Application of Lithium Iron Phosphate Battery in Micromodule Data Center
GUO Jia-zhe
（China Mobile Southern Base，Guangzhou 510000，China）
Abstract：Lithium iron phosphate battery，as a new type of communication battery，has the advantages of small size，high temperature resistance and high rate discharge，and has been gradually applied in the field of data center. Therefore，the configuration scheme and test results of lithium iron phosphate battery in micromodule data center will be introduced and analyzed in combination with the pilot application cases，so as to attract more industry experts to pay attention to and study lithium iron phosphate battery and accelerate its promotion and application in data center.
Key words：lithium iron phosphate battery；high voltage dc power supply；micromodule data center
0 引 言
一直以来，在数据中心供配电系统中广泛使用UPS设备。其中，铅酸蓄电池一直是不间断供电保障的储能主角。但是，随着数据中心的发展，铅酸蓄电池的环境适应性差、生命周期短、日常维护成本高以及环保性差等特点日益凸显，已经不能满足数据中心建设的新要求，而绿色、高效、节能的理念逐渐引起了人们对蓄电池的变革。随着锂电池在电动车等动力系统领域的广泛应用，近年来在通信等需要高可靠性备用电源的场合，磷酸铁锂电池开始崭露头角，并在移动通信基站方面得到了规模应用。2011年工业和信息化部颁布了《通信用磷酸铁锂电池组，第1部分：集成式电池组》（YD/T 2344.1—2011）[1]，2015年又颁布了《通信用磷酸铁锂电池组，第2部分：分布式电池组》（YD/T 2344.2—2015）[2]，标志着磷酸铁锂电池在通信领域已逐步成熟。基于以上2个行业标准，数据中心开始试点应用磷酸铁锂电池。
极流向正极，导致正极中的锂离子Li+从磷酸铁锂等过度金属氧化物的晶格中脱出，经过液态电解质这一桥梁，通过隔膜向负极迁移，并嵌入碳素材料负极的层状结构中；电池放电时，负级的锂离子Li+从碳素材料层间脱出，经过液态电解质这一桥梁，通过隔膜向正极迁移，并嵌入正极材料的晶格中，相应地电流从正极经外界负载流向负极。
磷酸铁锂电池属于环保型电池，因为其所用的材料对人体无害，无论生产、使用和报废，都不含有也不产生铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质[4]。
2 磷酸铁锂电池在微模块数据中心中的应用
2.1 配置方案选择
某运营商建设一个微模块数据中心，模块内有网络机柜17个，总用电功率为93 kW，采用336 V高压直流电源进行供电，后备电池时间要求不小于15 min， 现对蓄电池进行选型配置。
方案1：选用磷酸铁锂电池，采用2组单体容量50 Ah的电池并联后，安装在一个标准尺寸的机柜内，每组电池组有8个电池模块，每个电池模块中有13串电池芯，支持最大放电电流3I10 A以上；
方案2：选用高功率铅酸蓄电池，采用2组单体容量为12 V/200 Ah，每组28个电池安装在一个标准尺寸的机柜内，系统标称电压336 V，支持最大放电电流1.0I10 A以上。
2个方案的参数对比如表1所示。
方案1和方案2从技术上均能满足要求，实现不小于15 min的后备时间要求。但是，从投资上看（见表2），方案1比方案2造价高25 500元，而方案2需多占用1个机柜空间。综合比较下，选择方案1更具有经济性。
2.2 磷酸铁锂电池的实现方案
该项目的高压直流电源后备电池采用2套336 V/ 50 Ah磷酸铁锂电池系统并联组成，系统安装效果如图
1 磷酸铁锂电池的工作原理
磷酸铁锂（LiFePO4）电池是锂电池的一种。根据正极材料的不同，常见的锂电池可分为钴酸锂（LiCoO2）电池、镍酸锂（LiNiO2）电池以及锰酸锂（LiMn2O4）电池等。基于性能、成本、环保以及安全等方面的综合考虑，通信领域一般选择使用磷酸铁锂电池。
磷酸铁锂电池结构稳定，内部由极板、隔板、电解液、端子、外壳以及安全阀等组成。正极是橄榄石结构的LiFePO4，由铝箔与电池正极端子连接；负极是碳（石墨），由铜箔与电池的负极端子连接；中间的隔膜把正、负极隔开。其中，隔膜采用聚乙烯、聚丙烯和聚乙烯复合隔膜或者是陶瓷隔膜；电解液是六氟磷酸锂[3]。化学反应式如下：
LiFePO4+C6⇔Li1-xFePO4+LixC6 （1）
[3]
电池充放电过程：电池充电时，外界电流从负
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郭佳哲：磷酸铁锂电池在微模块
数据中心中的应用表1 蓄电池方案参数对比表
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主要技术容量/Ah标称电压/V最大工作电压/V最小工作电压/V最大充电电流/A最大放电电流/A工作温度/℃
方案1：磷酸铁锂电池
50×2332.8379.62861001 000
-10～55，适应环境温度宽
表2 磷酸铁锂电池与铅酸阀控蓄电池的造价对比
方案2：铅酸蓄电池
200×2336394.8302.4100400
20～25（配空调保持室温）
序号123合计
方案1
参数
16个磷酸铁锂电池模块
2套电池控制系统BMS（含并联模块）
1个机柜
102 400元
价格/元74 62024 7803 000
参数
方案2
价格/元65 8255 0756 000
56只蓄电池2套连接条2个机柜
76 900元
1所示。每组电池系统由8个磷酸铁锂电池模块和1个高压控制箱组成，每个电池模块内都有1个电池管理单元（BMU）。每个BMU对所在电池组进行保护、数据采集，并与BMS进行通信。高压控制箱内置电池管理系统（BMS），统一管理8个电池模块，实现充放电管理，并收集显示各电池模块运行参数及状态。2套电池系统通过并联模块进行并联，使得2组电池管理系统独立，互不干扰又互为备份，同时根据2组电池状态进行电流分配和2套电池系统的均衡充放电。
标准模块主控1
高压控制箱主控2
高压控制箱
并机模块
图1 系统安装效果图
不同于铅酸蓄电池，磷酸铁锂电池存在一致性差的固有缺点，必须配置电池管理系统（BMS）或相关功能。BMS提供了极强的过载及故障保护装置，具备智能的电池管理功能，可有效延长电池的使用寿命，减少电池的维护次数[5]。从安全角度出发，BMS必须具有开机自诊断功能，避免因电源系统隐患而可能引发的故障风险。同时，系统伸缩性强，易实现并机。并机之间无主从之分，如果一套电池系统故障，该组电池自动切断输出，并退出并机系统，另一套电池系统仍可以正常工作。每套BMS有独立的触摸式显示屏，具有友好的人机界面，可方便快捷地了解系统当前的运行状态和各项性能参数，同时将数据上传到并联模块，由并联模块
通过R485接口与动力环境监控系统进行通信。
磷酸铁锂电池与高压直流电源配合使用时，本身的BMS需具备充电限流、过充/放电保护、过载保护、短路保护以及温度保护等功能。由于磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池的特性存在较大差异，高压直流电源本身的充电限流功能可能不适用于磷酸铁锂电池。若磷酸铁锂电池BMS本身不具备充电限流功能，只靠高压直流电源的充电限流功能可能会造成充电过程限流失效导致电源或电池过流保护。此时，可通过改变高压直流电源的限流工作模式为母线调压模式，并开启软启动（Walk in）功能等措施解决这一问题[6]。高压直流电源的充电过程如下：当市电中断后，电池开始放电，电池电压逐步降低；市电恢复后，高压直流电源的初始电压从电池电压开始调节，默认每次以0.5 V的步进值调高电压，并控制充电电流不大于限流值，实现恒流充电；随着电池容量的增加，电池电压缓慢抬升至浮充电压设定值后再恒压充电，直到出现电池单体电压保护。2.3 测试与结果分析
目前，在数据中心领域应用磷酸铁锂电池作为储能系统的案例不多，相关的测试方法和测试标准有待进一步完善。本项目中仅通过2个测试场景研究磷酸铁锂电池的放电性能和电池系统的可用性。2.3.1 单模块电池的放电测试
为了研究电池模块的大电流放电性能，15 min放电要求每组放电电流不小于150 A。由于受放电负载的限制，只能采用单体模块放电测试对每个电池模块进
（150 A）放电，放电电压曲线如图2和图3所示。行恒流
图2是其中1个电池模块中13个电池单体的放电电压变化情况，放电开始后，电压迅速下降，电压基本稳定在3.03～3.10 V内，单体电池之间电压差保持在0.07 V以内。图3是其中4个电池模块的放电电压变化情况，放电开始后，电压迅速下降，电压稳定在39.9～40.1 V。可见，电池均能满足3I10 A的放电要求。2.3.2 整体电池系统放电测试
为了研究整体电池系统的放电性能，利用放电负载恒功率进行放电3 h，放电负载10.78 kW。放电电流
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3.4023.352单体电压/V3.3023.2523.2023.1523.1023.0523.002
0
1
2电压2电压9
3
4
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5电压3电压10
678电压4电压11
910电压5电压12
1112131415电压7
电压1电压8
电压6电压13
图2 同个模块中13个电池单体放电电压曲线
45.545.044.5电池模块电压/V44.043.543.042.542.041.541.040.540.039.5
0
1
2总电压1
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
放电时间/min总电压2
总电压3总电压4
图3 4个电池模块的放电电压曲线
图4 电池组放电电流曲线
和电压变化曲线如图4和图5所示。
图4中总电流从30～35 A内缓慢上升，2组电流差从一开始的30 A迅速下降到2 A左右，再逐步趋于0，然后到放电末期电流差又变大。在158 min时，一组电池出现单体欠压保护后，另外一组电池的电压开始快速下降，电流快速上升，最终达到3 h的放电时间，系统达到设计要求。图5中开始放电时刻，第1组电池电压高于第2组电池电压，由第1组电池承担大部分电流；随后第1组放电电流下降，第2组放电电流上升，在 1 min内2组的电压和电流趋于均衡。图5中电压从
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343 V缓慢下降至333 V，2组电压差稳定在0.01～0.03 V。
3 结 论
磷酸铁锂电池存在容量密度大、循环寿命长、高倍率放电以及工作温度适应范围宽等优点，相比于铅酸蓄电池，还可大量节省电池安装空间，特别适合用于高功率密度微模块数据中心的建设[7]。虽然目前磷酸铁锂电池在数据中心的应用仍不成熟，相关的标准也缺 乏，但随着技术的发展和绿色环保要求的提升，磷酸铁锂电池会成为数据中心领域新型蓄电池的重要选择。
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数据中心中的应用
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图5 电池组放电电压曲线
参考文献：
[1] 工业和信息化部.YD/T 2344.1-2011.通信用磷酸铁锂电
池组，第1部分：集成式电池组[S].2011.
[2] 工业和信息化部.YD/T 2344.2-2015.通信用磷酸铁锂电
池组，第2部分：分布式电池组[S].2015.
[3] 侯福平，张广明.通信用磷酸铁锂电池应用的基本思路
[J].电信技术，2015，（3）：34-37.
[4] 侯福平.磷酸铁锂蓄电池在数据中心的应用探讨
[C].2015年中国通信能源会议论文集，2015.
[5] 李志华，唐志雄.通信用磷酸铁锂电池的节能减排应用
[C].绿色低碳新能源新技术国际研讨会论文集，2011.[6] 刘陈琳.通信用磷酸铁锂电池的节能减排应用[J].数字
通信世界，2016，（5）：218.
[7] 陈洪鹏.通信用磷酸铁锂电池与铅酸电池的应用对比
[J].数字通信世界，2017，（3）：126.
作者简介：
郭佳哲（1987-），男，广东揭西人，工程硕士，工程师，中国移动南方基地，高级工程项目管理，2012年毕业于暨南大学，在中国移动南方基地从事数据中心建设项目管理和相关节能减排工作。
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