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技術文章:數據中心使用鋰離子電池的優缺點

鉅大LARGE  |  點擊量:113次  |  2020年07月03日  

摘要
閥控型鉛酸 (VRLA) 蓄電池常用于不間斷電源(UPS)系統的三相來源。由于其重量與尺寸的緣故,數據中心需具備強化的承載結構。VRLA 電池的性能特性也會受溫度影響,進而增加

閥控型鉛酸(VRLA)蓄電池常用于不間斷電源(UpS)系統的三相來源。由于其重量與尺寸的緣故,數據中心需具備強化的承載結構。VRLA電池的性能特性也會受溫度影響,進而新增空調系統的負載。VRLA電池并非特別耐用且需按時更換,這也造成營運成本的新增。


由于VRLA電池沒有經濟可行的替代方式,因此設計工程師必須忍受其缺點。不過,近年來鋰離子電池的情況有所改變。直到目前為止,由于在價格、能源、容量、安全與可靠性之間未達到合理平衡,因此數據中心的不間斷電源系統并沒有使用的可行性。但由于電動汽車技術的進步,此問題已獲得解決。第一部由鋰離子電池供電的不間斷電源系統已于2016年上市。現在所有的重要大廠皆使用鋰離子電池,此方向已公認為最有希望的選擇。根據BloombergNewEnergyFinance報導,截至2025年,鋰離子電池解決方法將占數據中心使用UpS市場的40%。


鋰離子電池的優缺點


消費電子公司通常使用鋰鈷電池,該電池容量可達多個安培時,這些不間斷電源系統均搭載矩形的鋰錳電池。而其安裝容量為60安培時,并搭載更長的使用壽命與多種程度的故障防護。有時個別模塊,甚至個別電池需負責監控重要性能參數,如溫度、電壓和電流。有時電源機柜或甚至整部系統都可負責此監控流程。必須執行監控才能完全掌控充電與放電流程,防止發生臨界加熱與不可逆的化學程序。鋰離子電池也具備更高的能量密度(Wh/kg)與更高的輸出功率密度(W/kg)。擁有與鉛酸電池相似的能量儲存容量,而重量則是鉛酸電池的三分之一不到,此優點有助于降低系統的總質量達60-80%。


近年來,數據中心因空間限制與更高效率營運的需求而皆以新增其功率密度為重要目標。更加有效率的可用空間儼然是數據中心擁有者最重要的工作之一。體積小巧的鋰離子電池能減少在不間斷電源系統中的占用空間達50-80%。此類電池的充電時間更少且自行放電的速率更佳,當發生頻繁的運行中斷時可扮演重要的角色。閑置時,鋰離子電池每月會損失約1-2%的電量。最重要的優勢為其長效的使用壽命。鉛酸電池的使用壽命極短,只有3至6年。而另一方面,鋰離子電池則能持續使用約10年。根據不同的化學、技術與溫度,鋰離子電池的充電效率可長達5,000次生命周期且免維護,而鉛酸電池的平均充電效率則只有700次生命周期。


鋰離子電池的整體擁有成本為期10年(數據中心UpS的平均使用壽命),相較之下鉛酸電池少了39%。盡管此為樂觀預估值,但至少能保證節省10%。鋰離子電池唯一一個嚴重的缺點就是初期投資明顯更高。這也是為何大型數據中心早已成為導入新型解決方法的先驅。此設施更重要的目的在于降低整體擁有成本,而非短時間獲利,即便在此情況下積少成多的節省成本仍相當可觀。另外,小型電池的好處能更加有效的利用可用空間,同時可靠的監控系統也能確保更優異的安全及穩定的性能。鋰離子電池可在比VRLA更高溫度下運行,而不會損失容量,并可降低冷卻系統的負荷。當然,甚至還有配備鋰離子電池的單相UpS。各種應用模型都是從最大數據中心開始、其次為工業應用,最后于小型服務器室或甚至個別機架結束。


方便更換


所有客戶最后都會自問的最重要問題是:目前是否是將不間斷電源系統升級為鋰離子電池的適當時機?若要回答此問題,首先要考慮的是技術容量的可用性。新電池無法適用于所有UpS機型,因此可能要重大的硬件與嵌入式軟件升級。即使在相同的標稱電壓下,電池充電與放電的特性也會有不同。


在數據中心中一般UpS系統的預期壽命通常為10-15年。鉛酸電池可使用3-6年,而鋰離子電池可使用長達10年或甚至更久。在UpS系統(低于5年)的使用初期,大量更換為鉛酸電池可證明其實用性。不過換成鋰離子電池后,極可能到UpS系統使用壽命結束時鋰離子電池還能使用。若您的不間斷電源系統使用壽命接近中期,電池使用壽命可能更長,因此在大多數情況下更換電池根本毫無意義。在其使用壽命結束時,應考慮將您整套的UpS系統換為全新的鋰離子電池解決方法。不過,即便對老舊的UpS系統而言,安裝昂貴的電池仍十分方便。您應考慮其價格不斷下降,以及老舊系統維護成本與完全更換成本的比率。


預測及展望


盡管由鋰離子電池供電的UpS系統能持續降低營運成本及整體擁有成本,但大部分的客戶仍采用歷經時間檢驗的VRLA解決方法。首先可通過使用鋰離子電池只有長期優勢的觀點解釋此現象。不過,這確實會大幅新增資金成本。在任何情況下,客戶在創新的投資部分每年都持續成長且只漲不跌。對大型數據中心而言,節省的數量會十分龐大,因此鋰離子電池供電系統將會在公司部門逐漸新增。鋰離子化學也持續在進步中。新解決方法和技術將隨時間出現,而鋰離子電池的價格將進一步下降。


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