摘要：金融、通信、交通行业行业的高速发展带动了UPS行业一直持续稳步的增长，UPS技术也不断的发生着变革，单机冗余并机、双总线冗余并机、三总线冗余并机、单机模块化UPS、发展智能的监控与管理、直流UPS等，UPS的新技术层出不穷，但在电池方面UPS还未突破铅酸电池的束缚。据行业专家透露，2010年国际金融展上曾有一款名为IRON 6K的UPS，因其搭载的电池不是传统铅酸电池，而是一种名为铁电池的新型动力电池，专家组最后一致认定该款产品为“最具潜力奖”。 

    1          传统UPS铅酸电池存在的问题

    蓄电池是1859年由法国人普兰特(Plante)发明的，至今已有一百多年的历史。铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中一直占有绝对优势。这是因为其价格低廉、原材料易于获得。但是到了21世纪，铅酸电池行业的技术门槛越来越低，市场上品牌泛滥，技术停滞不前，长此以往势必会影响电源产业以及新能源行业的发展。

    与次形成鲜明对比的是，随着金融和电信两大重点行业的高速发展带动了UPS行业一直持续稳步的增长，UPS技术也不断的发生着变革，单机冗余并机、双总线冗余并机、三总线冗余并机、单机模块化UPS、发展智能的监控与管理、直流UPS等，UPS的新技术层出不穷，但在电池方面UPS还未突破铅酸电池的束缚。

    铅酸电池在UPS应用中主要存在以下问题：

    1.1         寿命问题：

    1.1.1  铅酸电池对环境温度要求较高，工作环境一般要求在20℃-25℃之间，低于15℃时，其放电容量下降，温度每降低1℃，其容量下降1%，而温度过高（大于30℃）其寿命就会成倍缩短；

    1.1.2  要防止铅酸电池深度放电，深度放电会造成铅酸电池内阻增大或充电电压过低，从而导致降低甚至失去充电能力，对于铅酸电池来讲放电程度越深，循环寿命越短；

    1.1.3  要避免大电流充放电，对于铅酸电池来说标准充电电流为0.2C，如果过大则会造成电池极板膨胀变形，使得极板活性物质脱落，内阻增大，容量下降，寿命缩短；

    1.1.4  对于不经常停电的地区，建议用户每隔三个月对UPS进行一次人为的断电，让UPS电源在逆变状态下工作一段时间，防止电解液沉淀，以便让蓄电池维持良好的充放电特性，延长使用寿命；

    1.2         安全问题

    近年来，由蓄电池漏液、高温性能差、维护不到位、负极析出氢气等原因引起的火灾层出不穷，机房着火、系统崩溃、业务中断、数据丢失…… 带来的损失难以估量，也给铅酸蓄电池的UPS系统行业带来了巨大的挑战！

    案例一：

    2005年5月，某省网通分公司一接入网机房发生火灾事故，烧毁蓄电池组及其附近的电缆、入户木门、空调等物品，造成该接入网实装机465户及数据20线的通信全部中断(用户主要为企业用户)。故障历时17小时35分。

    原因：机房中的蓄电池组正常维护巡检不到位，未能严格按规程要求落实检查、检测，致使不能及时发现并排除蓄电池故障和安全隐患电池故障引起高温，长时间的持续高温引燃蓄电池ABS塑料外壳，导致火灾发生。

图一 铅酸电池引起的机房火灾事故

    案例二：

    2010年6月24日凌晨、天津某公司新大路与中山路交口附近一家公司机房着火，整个机房内几乎全被火苗和浓烟覆盖、设备被烧毁。

    事故原因：消防人员分析事故原因是蓄电池因漏液短路引起自燃。

    1.3         空间问题

    铅酸电池受自身固有特性限制，备电配置原则通常为DOD30-50%，导致在典型的室内IDC机房中需要的铅酸电池容量巨大，2-4组的电池占地面积巨大，而且机房承建单位通常会考虑到安全问题而要求用户建立单独的电池组机房，空间利用率很低，用户承担了巨大了电池房建设成本和额外的空调配置费用，造成了用户使用成本的巨大浪费！ 

图二 典型数据机房平面简图

    2          铁电池优势分析

    比亚迪公司是国内最大也是最早做锂电池的厂家，据悉，该公司推出的电动汽车F3DM、E6上的电池就是铁电池。铁电池究竟有哪些显著特点呢？ {$page$}

    2.1         长循环寿命和浮充寿命

    铁电池在25ºC以一小时率的充放电电流进行100%DOD循环充放电，2000次循环后剩余有效电池容量依然在初始容量的80%以上。

图三 铁电池常温循环寿命曲线

    铁电池有良好的浮充特性，常温下即使以均充电压对铁电池进行浮充，一年后其实际可用容量也没有任何损失。

图四 铁电池浮充测试曲线

    2.2         适应高温环境

    铁电池60°C时以两小时率进行100%DOD的充放电测试，仍具备1200次以上的循环寿命。45°C下浮充一年的测试结果表明，铁电池的容量损失也小于5%。 

图五 铁电池高温循环曲线

    2.3         可深度放电，不怕欠充电

    铁电池的电化学体系不同于铅酸电池，其放电深度可达97%，长期处于欠充电状态也不会有任何不良影响。用更少能量的铁电池来实现所需的备电时间。

    2.4         大倍率充放电

    铁电池具有快速充电特性，可最大3C（一小时率充电电流的三倍）充电，20-30分钟即可将电池从0%SOC充电至100%，从而确保蓄电池能快速充满电以应对下次突然停电。

图六 大倍率放电曲线（12V 10Ah铁电池模块）

    铁电池也具有优秀的大倍率放电特性，即使放电电流10倍于一小时率，实际可用容量也是标称容量的90%以上。一小时率以内的充放电电流也不会对电池的循环寿命有任何损害。而以一小时率放电的铅酸电池，其实际可用容量只有标称容量（基于十小时率放电）的70%甚至更低。

图七 大倍率放电实际可用容量对比

    2.5         高能量密度

    表一 铁电池体积重量对比

	体积对比（单位：mm）			重量对比（单位：kg）
规格容量	铁电池	铅酸电池	节省空间	铁电池	铅酸电池	节省重量
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%

    铁电池的理论体积能量密度和重量能量密度分别为310Wh/L和120Wh/kg，是铅酸蓄电池的4倍（分别为80Wh/L和35Wh/kg）以上表为例，目前比亚迪铁电池模块产品的体积相比铅酸电池节省1/3至1/4，重量比铅酸电池节省2/3，随着进一步优化升级，铁电池能量密度比的优势将更接近理论值。这为一些体积有限或楼层承重能力有限的站点扩大了电池应用的空间。

    2.6         能量转换率高

    铁电池充放电过程中的副反应少，放电与充电的能量值的比值（瓦时效率，即放电容量与充电容量之比）在95%以上，比铅酸高出15%.

    表二 铁电池能量转换效率

    2.7         放电平台稳定

    铁电池在90%SOC（State Of Charge，电池充电状态）放电态前电池电压一直维持不变，适合对输入电压精度要求较高的精密负载提供备用电源。 {$page$}

图八 稳定的放电平台

    2.8         环境友好无污染

    铁电池不含铅和硫酸，铁电池的生产、使用和回收处理，不会对环境造成任何重金属污染和酸污染，使用过程中也不会释放氢气，是真正绿色的环保可充电电池。

    3          新一代铁电池UPS的性能指标

图九 铁电池UPS

    3.1         最轻薄

    IRON1K高仅1U，重仅13Kg,是全球最轻最薄的在线式UPS，节省空间，降低承重要求

    3.2         最绿色

    配备铁电池的IRON系列从生产、使用到回收均无污染

    3.3         最高转换效率

    铁电池的充放转换效率比同等条件下铅酸电池的高约10%，电池容量得到充分的利用

    3.4         最多充放次数

    IRON系列使用的铁电池在常温下经400次100%DOD循环仍能保持初始容量的80%以上，尤其适用于频繁停电地区

图十 铁电池UPS的转换效率及电池容量保持对比

    3.5         长备电快充电

    IRON系列UPS比传统铅酸电池UPS的备电时间更长，回充时间更短，使用户能更从容地应付停电

    3.6         耐高温长寿命

    降低电池更换频率，提高安全性，减少维护成本

图十一 铁电池UPS充放电曲线及浮充寿命曲线   

图十二铁电池UPS在中小型机房中的典型应用方案

    4          未来铁电池UPS的应用展望

    近年来，数据中心用的大容量UPS日益增多，行业专家正在讨论一种区别于现有UPS架构的新型直流UPS技术，可靠性更高、总体系统效率更高的240V、336V直流UPS技术将最终取代现存大功率的UPS

图十三 直流UPS系统示意图

    铁电池在直流UPS中的应用优势分析：

    4.1         稳定的放电平台

    直流UPS供电系统是由电池直接给负载供电，IT负载所要求的输入电压范围为额定电压±11%的范围，需要配合稳压电路才能实现铅酸电池在直流UPS中的应用。{$page$}

图十四 铁电池与铅酸电池的放电平台对比

    2. 安全可靠 绿色电池 

    直流UPS系统最可能采取的是分布式供电，以列头柜的形式对一整列的服务器机柜供电；

    铅酸电池因其酸雾、氢气的释放会给机房主设备带来安全上的隐患，一般需要单独建电池房将电池与主供电设备远拉，造成工程建设的复杂同时也增加了线损

    铁电池绿色环保，不会产生气体和酸雾，又因其体积密度与重量密度非常高，完全可以与电源设备一起放在列头柜中，节省空间、减少线损、安全可靠；

    3. 大功率放电 深充放 

    数据中心供电可靠性要求高，如果市电断电则要求电池能够短时间、大功率备电，给油机或者其他供电方式提供足够的启动时间。

    铁电池的放电深度可达100%DOD，且对寿命影响不大，比亚迪的功率型铁电池最大可支持3C放电，对于短时间、大功率备电有无可替代的优势

    5          结论：

    比亚迪公司做为电源行业的新秀，在带领UPS行业突破传统铅酸电池的限制方面走出了有意义的一步，希望比亚迪公司勇于创新的精神能够带动国内外众多的UPS厂商一起尝试、一起创新，推动UPS行业全方面的技术进步。■