锂离子电池特性主要取决于其正极“阴极”材料种类，不同的正极材料种类使锂离子电池具有完全不同的电池特性，在电性能、安全性等方面差异明显。目前，应用***、投入研发资源最多的锂离子电池为磷酸铁锂离子电池“简称LFP”和三元锂离子电池“以镍钴锰最为广泛，简称 NCM”，此外还有以钴酸锂为正极材料的钴酸锂离子电池、以锰酸锂为正极材料的锰酸锂离子电池、以镍钴铝混合材料为正常的 NCA 三元锂离子电池以及以钛酸锂为负极、石墨为正极的钛酸锂离子电池等等。本白皮书重点讨论磷酸铁锂离子电池和 NCM 三元锂离子电池。下表简单对比了磷酸铁锂离子电池和两种三元锂离子电池各自的特点：表 1：三种常见锂离子电池性能对比类型 磷酸铁锂电池 镍钴锰三元锂电池 镍钴铝三元锂电池简介 正极材料由磷酸铁锂及添加剂组成正极材料由镍钴锰三种材料按照一定比例组合而成，常见的比例有 NCM111、523、622、811 等正极材料有镍钴铝三种材料组合而成，以铝代锰，是将镍钴锰酸锂通过离子掺杂和表面包覆进行改性，以增强稳定性和循环性能。常见摩尔配比为 8:1.5:0.5 生产厂家雄韬、双登、南都、比亚迪宁德时代、比亚迪、松下、LG 化学、三星SDI 等松下、LG、三星、AESC 等能量密度 120~180wh/kg 160~280wh/kg 230~300wh/kg热效应具有稳定的微观结构， 热 稳 定 性 强，需要较强的能量才能使正极材料分解，分解温度七百度以上，分解过程为化合物分解，不会产生氧气二维层状结构，稳定性相对磷酸铁锂差。热稳定性随着充电截止电压的提高而下降；镍含量越高，热稳定性越差。分解过程中会产生氧气二维层状结构，热失控典型温度比 NCM ***，且充放电过程中会严重产氧，在使用过程中需要严格控制充放电制度和温度类型 磷酸铁锂电池 镍钴锰三元锂电池 镍钴铝三元锂电池BMS对 于 BMS 依 赖 相 对较低，但仍需要符合其特性的参数设置和管控，因为充放电末期存在大幅度的电压漂移，

参数设置不合理容易由单体保护促使系统宕机对 BMS 依赖较高，需要严格控制各项参数，同时对 BMS 自身稳定性要求较高，以确保整个系统的安全性，尤其是温度由于其热稳定性较 NCM 更差，所以需要 BMS 更多的介入系统工作，需要严格管控充放电过程的电压、电流和温度等成本由于其能量密度相对其他类型锂离子电池而言***，导致单位成本相对偏高，不过由于其原材料的可获得性更好，价格连年降低，目前单位价格已经持平或略低于三元锂离子电池提高镍含量可以有效提高 NCM 的比容量，比容量越高，其单位成本会越低，但是随着用量的增加，且原材料的可获得性较差，其价格上升已经不可避免由于铝较难沉积，且 NCA 锂离子电池生产过程中需要严格控制在较低的湿度，因此成本高于 NCM 锂离子电池工艺要求对于生产过程要求相对宽松高镍 NCM 材料的性能和结构与制备工艺紧密相关，不同制备过程与条件直接影响产品的最终结构和性能生产全程中需严格控制湿度在 10%RH 以内循环寿命 3000 次 2000 次 1500 次衰减程度正常充放电过程中，产气较少，且磷酸铁锂自身结构稳定，随着使用的进行，整体衰减程度相对较小由于 NCM 二次颗粒内部产生裂纹，导致部分一次颗粒与主颗粒之间分离，导致接触阻抗增加，从而引起极化增大导致电池的放电容量下降充放电过程中严重，易导致电池鼓胀变形、寿命下降同铅酸蓄电池一样，锂离子电池一般也由壳体、极片、隔膜及其他连接部件和安全部件组成。其中壳体用于盛放电解液和支撑极片群；极片分为正极片和负极板，由阴阳极活性物质和导电金属箔组成；隔板由多孔材料组成，用于正负极板之间的绝缘，并为电解液和锂离子自由通过提供通道。不同于铅酸蓄电池的是，锂离子电池产生电流的基本离子不是电子，而是锂离子；锂离子通过在阴阳极活性物质中脱嵌和嵌入，并在电解液中移动来产生电流。下图是锂离子电池在充放电过程中，锂离子的动作轨迹示意图：充电时，锂离子从正极活性物质中脱嵌，经过电解质和隔膜，嵌入负极活性物质，此时负极处于富锂状态；放电过程相反。以下以常见的磷酸铁锂离子电池为例，简述一下在充放电过程中，锂离子电池正负极活性物质的变化情况。

 正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。

 充电：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-

 放电：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4

 负极反应：放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子嵌入。

 充电：xLi+ + xe- + 6C → LixC6

 放电：LixC6 → xLi+ + xe- + 6C

 锂离子电池以其高的工作电压平台、高比能量、自放电小、循环寿命长、重量轻、体积小等优势，正在各个领域加速取代铅酸蓄电池，成为新型蓄电池的和主流。但是受限于其自身特性，锂离子电池的安全性一直是各领域重点关注的地方，其必须搭配完整的 BMS 管理系统使用，以确保其安全性，BMS 管理系统的可靠度和准确性，大大的制约了锂离子广泛应用于一些对安全性要求极高的领域。3.2 蓄电池系统设计与选型作为数据中心不间断电源系统中的核心系统，如何选择适合的蓄电池种类和容量，是整个蓄电池系统工作中的重中之重。此外，除蓄电池的种类选择和容量计算之外，在整个蓄电池系统设计中，需要的考虑的方面还有很多，包括蓄电池柜（架）设计、蓄电池连接件及布线设计、直流开关箱(柜) 设计等等，本章重点阐述蓄电池种类选择和容量选型计算。种类选择选择适合的蓄电池，对于数据中心不间断电源系统尤为重要。当下，可以作为数据中心用的蓄电池种类已经不仅仅只局限于传统的铅酸蓄电池了，不仅备受蓄电池行业关注的锂离子电池，还有飞轮、超级电容、氢燃料电池、液流电池等等都在被逐一讨论和尝于数据中心蓄电池系统，以为未来的数据中心蓄电池系统提供更加丰富和宽广的选择。不过现阶段而言，铅酸蓄电池仍是数据中心蓄电池系统的主流选择，是绝大多数数据中心的蓄电池种类；其次，锂离子电池正在以几乎不可逆转的态势逐步取代铅酸蓄电池在数据中心的地位，在欧美地区和其他地域相对狭窄的国家及地区已经开始大规模应用于数据中心机房，部分国家和地区在新的数据中心设计时已明确使用锂离子电池；其他各种蓄电池技术也在逐步开始验证其在数据中心应用的可行性，稍微有大规模应用案例和经验。容量计算蓄电池作为不间断电源系统的重要组成部分，其选型设计受限于负载大小和电源装置限制，常见电源装置包括 UPS、HVDC、逆变器、直流屏等等，本节以蓄电池搭配最为常见的 UPS 来进行举例说明蓄电池系统的容量计算的方法。对于铅酸蓄电池而言，选型计算分为恒电流和恒功率两种计算方法：按容量、电流选型，简称恒电流选型法。一般需要知道工作电流、工作时间、终止电压等。我们以 480V 直流备用电源系统为例，已知某以 480V 为额定电压的直流备用电源系统，平均工作电流 400A，停电时需要蓄电池组支持 0.5 小时，系统低于报警电压 420V，客户要求使用 12V 系列电池。

选型计算如下：

 ① 计算每组电池只数和单格数量：480V÷12V=40 只，40×6=240 Cells

 ② 计算每单格终止电压： 420V÷240 Cells=1.75Vpc③ 由此可得出单格性能要求为恒流 400A 到 1.75Vpc④ 以某市场常见高倍率铅酸蓄电池产品为例，通过查阅该厂家高倍率铅酸蓄电池产品性能规格书，该厂家高倍率铅酸蓄电池单体功率为 850W，其产品性能规格书中显示，当单格终止电压为 1.75Vpc 时、其 0.5 小时率恒流放电电流值为 269A，小于 400A 放电要求，故单组蓄电池无法满足性能要求，那么配置 2 组蓄电池，并联使用，单组需要电流则为 400A÷2 =200A. 再次查询该厂家高倍率铅酸蓄电池产品性能规格书，可以发现该厂家高倍率铅酸蓄电池系列中，710W 型产品在单格终止电压为 1.75Vpc、0.5 小时率恒流放电电流值为 248A，最接近要求。下图是该厂家 710W 型产品恒流放电参数表。⑤ 故选型结果为：蓄电池系统配置该厂家 710W 型高倍率铅酸蓄电池按恒定的放电功率选型，简称恒功率选型法。需要知道系统电压、功率要求、UPS 电池侧相关参数、工作时间和终止电压等。我们以 400KVA 不间断电源系统为例，已知 UPS 为某品牌 400KVA 型 UPS，其功率因数为 1、逆变效率 0.94,直流侧额定电压 480V，停电时需要蓄电池系统支持 0.25 小时，系统低压报警值为 400.8V，客户要求使用 12V 系列电池。选型计算如下：① 计算蓄电池系统总功率需求： 400KVA×1÷0.94=425.53 KW② 计算每组电池只数和单格数量：480V÷12V=40 只，40×6=240 Cells③ 计算每单格终止电压： 400.8V÷240 Cells=1.67Vpc④ 计算每单个功率需求： 425.53 KW÷240 Cells=1773.05 W⑤ 由此可得出单格性能要求为恒功率 1773.05 W 到 1.67Vpc⑥ 以某市场常见高倍率铅酸蓄电池产品为例为例，通过查阅该厂家高倍率铅酸蓄电池产品性能规格书，该厂家高倍率铅酸蓄电池单体功率为 850W，其产品性能规格书中显示，当单格终止电压为 1.67Vp 时、其 0.25 小时率恒功率放电功率值为 850W，小于 1773.05 W 放电要求，故单组蓄电池无法满足性能要求，那么就配置多组蓄电池，并联使用。我们假定蓄电池组数配置为 3 组，单组需要电流则为 1773.05 W÷3=591.02 W. 再次查询该厂家高倍率铅酸蓄电池产品性能规格书，可以发现该厂家高倍率铅酸蓄电池系列中，710W 型产品在单格终止电压为 1.67Vpc 时、0.25 小时率恒功率放电功率值为 710W，最接近要求。下图是该厂家 710W 型产品恒功率放电参数表。

 ⑦ 故选型结果为：蓄电池系统配置该厂家 710W 型高倍率铅酸蓄电池，每组配置 40 只，3 组并联对于锂离子电池而言，由于各品牌锂离子电池系统组成和设计框架不尽相同，一般采用恒功率法计算，通过蓄电池厂家给定的充放电电压范围反向验证配置的正确性。需要知道 UPS 工作时电池侧电压范围、功率要求、UPS 电池侧相关参数、工作时间等。我们同样以 400KVA 不间断电源系统为例，已知 UPS 为某品牌 400KVA 型 UPS，其功率因数为 0.9、逆变效率 0.94, 直流侧额定电压 480V，直流侧工作电压范围为 400~620V，停电时需要蓄电池系统支持 0.25 小时。客户要求使用锂离子电池系统。选型计算如下：① 计算蓄电池系统总功率需求： 400KVA×1÷0.94=425.53 KW② 根据 UPS 直流侧工作电压范围，确认锂离子电池模组型号，要求锂离子电池组放电截止电压不得低于 UPS 直流侧工作电压、充电电压不得高于 UPS 直流侧工作电压。我们以某品牌高压锂离子电池为例，通过查询该品牌高压锂离子电池规格书得知，其 512V 磷酸铁锂离子电池工作电压为448~584V，符合 UPS 直流侧 400~620V 工作电压范围，故此我们可以选择该品牌 512V 磷酸铁锂离子电池。该品牌 512V 磷酸铁锂离子电池包括两款产品分别为 512V50Ah 和 TP200 512V100Ah，对应的 0.25 小时率恒功率放电功率值分别为 93KW 和 186KW，我们选择 TP100 512V50Ah

 ③ 计算所需锂离子电池组数： 425.53KW÷93KW=4.58，取整为 5 组4 蓄电池系统配件设施数据中心蓄电池系统作为一个完整的整体，其自身的可靠性和安全性，除取决于蓄电池自身以外，配件设施也一样重要。如第三章所述，蓄电池系统配件一般包括蓄电池柜（架）、蓄电池连接件、开关柜（箱）。本章将重点蓄电池配件系统相关设计要点和特点。4.1 蓄电池柜（架）蓄电池柜（架）作为蓄电池本体的安放装置，要求其具备良好的承重性能、抗震性能、防腐性能，同时作为蓄电池系统的一部分，蓄电池柜（架）也必须具备完整的接地设计，以确保系统运行和相关人员安全。一般而言，铅酸蓄电池由于其自身限制，在数据中心通常匹配电池架较多；对于锂离子电池而言，电池厂家基本将电池柜作为锂离子电池系统的一部分集成在产品中。电池架可以根据不同的室内空间要求，进行灵活的设计，以满足不同应用空间的要求，以达到的空间使用；电池柜一般才有标准机柜，大多不建议特殊设计或者大幅度的改动，在灵活性上较电池架略差。蓄电池柜（架）设计时，承重能力是整个设计工作的需要重点考虑的。蓄电池柜（架）承重能力包括本体承重能力和建筑物承重能力两个方面。在进行承重能力计算时，首先需要根据建筑物的承重能力，核算出单位面积上可15以摆放的蓄电池重量，含蓄电池柜（架）和蓄电池连接件等重量；其次根据核算出的单位面积重量，扣除蓄电池（架），根据蓄电池单体重量计算出单位面积上可以摆放蓄电池数量；***，根据蓄电池室的空间特点，设计特定的蓄电池柜（架）。

此外蓄电池柜（架）一般设计采用角钢、方通钢管或者钣金类型材焊接或拼接而成，与地面接触一般为点接触，这样会导致整个蓄电池系统重量全部由几个支撑点承受，并通过支撑点传递到蓄电池室地面，可能会导致建筑物受损或局部承载过大，所以一般在设计时，大部分数据中心均会采用槽钢做成匹配蓄电池柜（架）的散力架，以是蓄电池系统重量尽可能的均匀分布在蓄电池室地面。除了承重能力计算之外，在蓄电池柜（架）设计时还需要充分考虑蓄电池室的空间特点，尽可能在满足设计要求的基础上，达到的空间利用率。蓄电池柜（架）应具有良好的通风、散热效果，以确保蓄电池系统在充放电时所产生的热量能够快速的排出。蓄电池柜（架）的设计，应使蓄电池能够整齐的摆在在蓄电池柜（架），并且***足够的操作空间，一般而言，对于蓄电池架需要***蓄电池间具有≥ 15mm 的安装间距、蓄电池与上层隔板间具有≥ 150mm 的间距；对于电池柜而言，则需要尽可能做点蓄电池系统在正常运行时，所有必需的运维操作简单，这就要求设计人员在设计时尽可能将蓄电池系统所有的连接点和布线均前置在蓄电池柜体前面，以方便安装及运维人员操作。蓄电池柜（架）由于均采用钢质材料，其本身均有良好的导电能力，而蓄电池在长期使用过程中，有可能存在漏液等安全隐患；加上操作上可能的疏忽和失误，也可能导致蓄电池系统短接。为避免造成严重的安全事故，蓄电池柜（架）设计时，一般建议在蓄电池柜（架）与蓄电池本体之间填充绝缘材料，常见的绝缘材料有绝缘胶垫、电木板、PVC 板、青稞纸等等。蓄电池柜（架）需具有良好的接地效果，接地需要***整个柜（架）的连续性，不得出现接地断点的现象，整个柜（架）只允许一个对外的接地点，接地点推荐采用专用的接地铜排，以方便操作；接地点需要用标准的丝印或贴纸清晰标识。