鐵鋰電池的SEMS智慧能源管理在高壓UPS領(lǐng)域的模塊化技術(shù)應(yīng)用研究

摘要：

UPS電源稱為不間斷電源，能夠?yàn)樵S多工業(yè)設(shè)備提供持續(xù)，穩(wěn)定，不間斷的電源供應(yīng)，在過去幾十年來，鉛酸電池作為一種安全，低廉，穩(wěn)定的能源供應(yīng)，一直扮演著UPS電源的最重要的能源載體。但是隨著鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展，特別是磷酸鐵鋰技術(shù)的高速發(fā)展， 使得鐵鋰電池UPS電源解決方案正在成為客戶的最新選擇。鐵鋰電池作為一種新型高能安全的化學(xué)電源，它擁有高容量、高功率、長壽命、輕薄化和無污染等優(yōu)勢，在UPS電源的應(yīng)用領(lǐng)域正在急速擴(kuò)大，特別是隨著人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G通訊等高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的市場需求激增，同時(shí)也對數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)能源設(shè)施建設(shè)提出了更高的智慧能源管理要求。安仕公司使用鐵鋰電池融合智慧能源管理先進(jìn)技術(shù)打造全球最新數(shù)字化綠色智慧能源系統(tǒng)，為大型數(shù)據(jù)中心UPS提供最前沿的智慧能源管理方案。

關(guān)鍵詞：鋰電池;高壓UPS電池，智慧能源管理系統(tǒng)SEMS，電池模塊化設(shè)計(jì)

眾所周知，數(shù)據(jù)中心通常是指在一個(gè)物理空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息的集中處理、存儲、傳輸、交換和管理。近年來,隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、5G通信等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的爆炸式增長,數(shù)據(jù)中心正在發(fā)展成為一個(gè)具有戰(zhàn)略意義的新興產(chǎn)業(yè),成為新一代信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分， UPS電池是數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的重要組成部分。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心UPS電池市場一直被鉛酸電池所把持，然而，隨著鋰電池技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的不斷降低，近年鋰電池開始進(jìn)入U(xiǎn)PS電池市場。為適應(yīng)這種科技發(fā)展趨勢，施耐德電氣，維蒂，伊頓等全球知名UPS企業(yè)陸續(xù)宣布為其眾多系統(tǒng)的單相、三相UPS提供用鋰電池替換閥控式密封鉛酸蓄電池的解決方案。另外國內(nèi)外，眾多的鋰電池UPS生產(chǎn)廠家也開始布局起來，走進(jìn)這個(gè)綠色環(huán)保的新能源市場。安仕科技科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過數(shù)十年技術(shù)沉淀，細(xì)心研究，掌握從Lead-acid鉛酸，NIMH鎳氫，NICD鎳鎘，LCO-鈷酸鋰，NCM-鎳鈷錳，NCA-鎳鈷鋁，LMO-錳酸鋰，LFP-磷酸鐵鋰等電池應(yīng)用技術(shù)。其BMS全套管理技術(shù)覆蓋眾多工業(yè)鋰電池細(xì)分市場，為響應(yīng)當(dāng)今世界人工智能，云計(jì)算，大數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)，5G通信等前言科技發(fā)展需求，緊跟國家智慧電網(wǎng)，智慧能源，綠色能源等科技發(fā)展戰(zhàn)略，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過艱苦的科技攻關(guān)，研發(fā)出智慧能源管理系統(tǒng)SEMS，陸續(xù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心UPS電源系統(tǒng)中，為全球知名UPS廠商提供了最前沿的智慧能源動力。

一、智慧能源管理技術(shù)SEMS

智慧能源管理系統(tǒng)Smart Energy Management System，通過智能管理系統(tǒng)檢測UPS電池組中各單體電池運(yùn)行狀態(tài)，來掌握和管理整個(gè)電池系統(tǒng)的狀態(tài)。SEMS根據(jù)UPS系統(tǒng)對動力的需求，結(jié)合自身的運(yùn)行狀態(tài)，對動力電池系統(tǒng)進(jìn)行對應(yīng)的控制調(diào)整和策略實(shí)施，實(shí)現(xiàn)對電池系統(tǒng)及各單體電池的智能充放電管理，保證電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定，確保整個(gè)UPS系統(tǒng)高效、安全，穩(wěn)定運(yùn)行。

SEMS系統(tǒng)由中央處理器單元主控模塊，前端數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊，控制模塊，驅(qū)動模塊，顯示模塊，以及通信模塊等組成。基于各個(gè)模塊的功能，SEMS能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測動力電池電壓，電流，溫度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對動力電池進(jìn)行熱管理，電壓、容量均衡管理，容量學(xué)習(xí)，預(yù)警處理，保護(hù)處理，絕緣監(jiān)測，壽命預(yù)估等，并準(zhǔn)確計(jì)算動力電池的剩余容量SOC，指示電池的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)警電池的使用安全狀態(tài)，預(yù)判出電池的SOH及循環(huán)壽命，確保UPS電源供應(yīng)的安全。

安仕科技打造的智慧能源管理系統(tǒng)不僅解決動力電池模組內(nèi)部的管理，也實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，通過各智能模塊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電池模塊間的主從機(jī)自動定義，ID地址自動分配，從而實(shí)現(xiàn)模組自由串并，自由混并，功率并機(jī)，自動均衡，軟件安全自檢，以及大數(shù)據(jù)建模，超級黑盒管理，遠(yuǎn)程通信，云端管理等。

智慧能源管理系統(tǒng)功能模塊示意圖

安仕電池模組自由串并技術(shù)，是通過SEMS系統(tǒng)的智能化管理，實(shí)現(xiàn)不同電壓和容量的電池模組之間的自由串聯(lián)和并聯(lián)。傳統(tǒng)電池模組串聯(lián)或則并聯(lián)，需要每個(gè)模組保持相近的電壓和容量，才可以組合應(yīng)用在系統(tǒng)，不然模組間產(chǎn)生巨大的電流沖擊，造成電池內(nèi)部損傷，長期使用，將帶來電池循環(huán)壽命的影響，安仕特有的串并技術(shù)，很好地解決了模組間的平衡和電流沖擊控制。在現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心大量使用鉛酸電池的應(yīng)用環(huán)境下，安仕的智慧能源管理技術(shù)，也幫助UPS客戶解決了，如何讓鉛酸電池和鋰電池混合應(yīng)用的難題。由于鉛酸電池充電系統(tǒng)與鋰離子電池管理系統(tǒng)差異，在不改變現(xiàn)有鉛酸電池系統(tǒng)的情況下，能直接用鋰電電池替換鉛酸電池，這樣能夠?yàn)榭蛻魩砀?jīng)濟(jì)和更靈活的解決方案，安仕電池混并技術(shù)的推出，得到了客戶的廣泛歡迎和認(rèn)可。隨著并聯(lián)技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，并聯(lián)電池已經(jīng)滿足到數(shù)據(jù)備份時(shí)間的更長需求，但是，在當(dāng)前大數(shù)據(jù)運(yùn)算，云端管理，5G通信等諸多高功率需求下，并聯(lián)不僅要解決時(shí)間的增長，也要解決功率的增長需求，安仕SEMS技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了功率倍增的并聯(lián)技術(shù)，解決大型數(shù)據(jù)中心高功率要求。

二、安全設(shè)計(jì)和安全驗(yàn)證

由于能量密度高及特有的電化學(xué)特性，鋰離子電池在安全性及穩(wěn)定性方面存在隱患，電池在使用過程中的過充，過放，外部短路等均可能導(dǎo)致電池?zé)崾Э兀坏┻M(jìn)入熱失控狀態(tài)，大量釋放的熱量會導(dǎo)致電池負(fù)極SEI膜分解，正極活性物質(zhì)分解和電解液的氧化分解，產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部氣體壓力急劇升高，引起電池發(fā)生爆炸，進(jìn)而危害人身及財(cái)產(chǎn)安全。

為了解決電池?zé)崾Э貛淼娘L(fēng)險(xiǎn)，首先，安仕科技不僅從內(nèi)部安全模塊控制設(shè)計(jì)， 固件安全設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)材料前端研究，和熱失控狀態(tài)的二次保護(hù)處理，結(jié)合智能電源的安全管理技術(shù)，從設(shè)計(jì)上很好地解決了安全設(shè)計(jì)問題。其次，對外部電池供應(yīng)商審查，電池原材料的監(jiān)控管理，電池正確選型等方面的長期經(jīng)驗(yàn)累積，匹配適合UPS環(huán)境應(yīng)用的動力電池。

另外，安仕科技也投入巨資建立了具有UL，TUV雙認(rèn)證的安全實(shí)驗(yàn)室，也是中國首家獲得UL1973電池包資質(zhì)認(rèn)證的國內(nèi)企業(yè)。有實(shí)驗(yàn)室的強(qiáng)力支撐，所有新產(chǎn)品經(jīng)過嚴(yán)格地設(shè)計(jì)驗(yàn)證，安全驗(yàn)證，場景應(yīng)用，打造出了安仕在行業(yè)內(nèi)創(chuàng)新安全可靠的高端品牌聲譽(yù)。

三、數(shù)據(jù)中心單相及三相UPS 192V高壓鐵鋰電池應(yīng)用

安仕研發(fā)團(tuán)隊(duì)依靠扎實(shí)的BMS技術(shù)儲備，豐富的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，借助先進(jìn)的熱分析和可靠性分析技術(shù)，經(jīng)過不到一年的研發(fā)，創(chuàng)新推出世界首款高壓192V 數(shù)據(jù)中心UPS鐵鋰電池。該電池系統(tǒng)采用SEMS智慧能源管理系統(tǒng)技術(shù)，采用了集中式的設(shè)計(jì)，即將電池管理系統(tǒng)的所有功能集中在一個(gè)控制器里面，這主要基于電池包容量比較小、模組及電池包型式應(yīng)用場合固定，可以顯著的降低系統(tǒng)成本。

192V UPS電池系統(tǒng)由處理器單元主控模塊，前端數(shù)據(jù)采集模塊，均衡模塊，動能裝置，數(shù)據(jù)存儲及RTC模塊，保護(hù)模塊，反接檢測模塊以及通信模塊等組成。

該電池系統(tǒng)根據(jù)電池的容量分別采用了1U及2U多款結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)部設(shè)計(jì)緊湊簡潔，具有高絕緣、高耐壓等級，通過UL1973認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，具有高可靠性及高安全性。電池系統(tǒng)具有CANbus和RS485雙通信，智能離線和在線升級，可以應(yīng)用于單相UPS及三相UPS系統(tǒng)，單個(gè)電池系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)10KW級放電能力。多個(gè)電池系統(tǒng)支持并聯(lián)。傳統(tǒng)的并機(jī)方法是為了避免電池反灌電池對的電池的操作，需人為地將兩個(gè)電池充電到相同的電壓，再將電池進(jìn)行并聯(lián)。安仕采用獨(dú)特的智能并聯(lián)方法，各個(gè)電池間不論電池新舊，容量差別大小，各個(gè)電池系統(tǒng)間通過CANBus通信的方式，不需要人工干涉，電池間自動進(jìn)行平衡，獨(dú)立判定電池并級的條件，自動地實(shí)現(xiàn)并機(jī)， 有效地解決電池間不平衡引起的電流沖擊，以致對電池?fù)p傷。

四、安仕192V鐵鋰電池1U/2U 在數(shù)據(jù)中心UPS電池市場龍頭地位

目前192V 1U 和2U鐵鋰電池系統(tǒng)已經(jīng)量產(chǎn)化運(yùn)用在客戶大型數(shù)據(jù)中心。192V 1U和192V2U目前是全球第一家，也是唯一一家拿到美國安全標(biāo)準(zhǔn)UL1973的鋰電池產(chǎn)品，市場占有率在全球性能源行業(yè)處于市場龍頭地位。

192V鐵鋰電池展示圖

鐵鋰電池在全球數(shù)據(jù)中心UPS單相機(jī)市場占有率示意圖

鐵鋰電池在全球數(shù)據(jù)中心UPS單相機(jī)市場示意圖

結(jié)束語：

根據(jù)目前市場數(shù)據(jù)中心的高壓鐵鋰UPS電池的旺盛需求，安仕在取得192V1U和2U的成功推向全球市場后，現(xiàn)在已經(jīng)陸續(xù)投入在數(shù)據(jù)中心三相UPS 512V高壓鐵鋰電池的開發(fā)驗(yàn)證中，此高壓電池單系統(tǒng)最大可以支持兆瓦級放電能力，支持功率并聯(lián)應(yīng)用。該電池系統(tǒng)采用SEMS智慧能源管理系統(tǒng)技術(shù)，采用了分布式的設(shè)計(jì)，電池系統(tǒng)由主控箱與電池模組成，低壓部分和高壓部分分開，可自由串接，增加了系統(tǒng)配置的靈活性，適應(yīng)不同容量、不同規(guī)格型式的模組。電池系統(tǒng)具有多級保護(hù)功能，設(shè)計(jì)上按照UL9540A標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，具有高可靠性及高安全性。電池系統(tǒng)具有CANbus和RS485雙通信，智能離線和在線升級，可以應(yīng)用于單相UPS及三相UPS系統(tǒng)，

安仕科技的數(shù)據(jù)中心UPS高壓智慧電池系統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展為行業(yè)帶來最前沿的研究和應(yīng)用，必將引領(lǐng)鐵鋰電池UPS行業(yè)的高速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]互聯(lián)網(wǎng)資料參考，鋰電池UPS電源解決方案正在成為市場的新方向，電子發(fā)燒友，2020-03-23