UPS 电池和锂电池的区别是什么？

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根据之前已发布的文章：

1.UPS不间断电源选型1：不同类型的UPS系统

详细介绍了UPS不间断电源的5种拓扑结构：

离线式

2.UPS不间断电源选型2：在线式（双变换）UPS与在线互动式UPS设计的技术比较

详细比较了750VA-5000VA功率范围内，从多角度了在线式与在线互动式UPS的优缺点。

3.UPS不间断电源选型3：5种UPS不间断电源系统设计方案的比较

详细介绍了UPS不间断电源在系统初始配置时可选用的5种设计方案：

• 满容量或 N设计

• 串联冗余

• 并联冗余（ N+1）

• 分布式冗余

• 系统 +系统（ 2N，2N+1）

4.UPS不间断电源选型4：UPS如何选择，配置和成本控制

对UPS不间断电源系统初始规划时需要考虑到的因素、所涉及的客户需求以及如何在多种方案里找到成本最低方案进行了简单的。

本片文章着重对单相UPS系统在铅酸蓄电池与锂电池从成本角度做了。

单相UPS系统电池技术：阀控铅酸蓄电池与锂电池的比较

第266号白皮书 版本1

作者：Victor Avelar Martin Zacho

摘要：

近几年，锂电池（Li-ion）的价格持续下降，目前正成为UPS 应用的可行性选择方案。本文将简要概述用于单相UPS 应用的锂电池与阀控铅酸蓄电池（VRLA）的差别。为期10 年的总拥有成本（TCO）显示，尽管存在投资成本溢价，但锂电池的TCO 比阀控铅酸蓄电池低53%。通过敏感性，将揭示TCO 的驱动因素。

简介：

锂电池在各种不同应用中的商用化进程已有20 余载。那么，它们何以未被普及用于单相UPS 中的电池呢？事实上，其原因在于，与所有其他的应用一样，锂电池2在单相UPS 应用中无法为UPS 供应商提供价格、能量密度、功率、安全性和可靠性方面的合理平衡。但在过去10 年里，锂离子化学成分和技术的改进已为UPS 供应商提供了现实的方案。这些改进很大程度上是出于电动汽车产业提出的要求。图1 为应用于单相UPS 的锂电池示例。UPS 模块在其锂电池模块上方。

图1

锂电池模块与锂电适配单元模块组图

锂电池具备诸多优于阀控铅酸蓄电池（VRLA）的合理优势，包括：

• UPS 使用寿命内电池更换次数较少（可能无需更换），从而消除电池更换造成的宕机风险。

• 同等能量下，重量为铅酸蓄电池的四分之一。

• 放电次数是铅酸蓄电池的10 倍，取决于化学成分、技术、温度和放电深度。

• 自放电率约为铅酸蓄电池的五分之一（即，不使用时，电池放电迟缓）。

• 在多种主要断电场景中，充电速度提高4 倍以上。但是，相比阀控铅酸蓄电池，锂电池也存在两大主要缺点：

• 由于较高的制造成本加之必要的电池管理系统成本，投资成本约为等能量铅酸蓄电池的2-3 倍。

• 运输法规更严格。

本文简要概述锂电池不同于阀控铅酸蓄电池的特征。文中还对这两类电池之间的投资成本、运行成本和总拥有成本（TCO）进行。

以下章节简要概述部分主要锂电池特征。

A.生命周期

提到电池寿命时，电池在需要更换之前能够持续使用多长时间是问题的关键。不过，了解供应商采用的不同寿命测量标准至关重要。其中，使用寿命尤其关键。这是电池在到达70-80%能量容量之前能够持续的预计时间，这是电池寿命结束的典型定义。使用寿命是指电池在指定应用的“实际”条件下运行，因此差异较大。相比之下，日历寿命是指如果电池在规定温度（通常25°C）无断电情况下仍能以微电流充电时能够持续使用的预计时间。铅酸蓄电池的使用寿命范围为3 至6 年，而锂电池的使用寿命可长达10年（利用加速寿命试验获得的预计时间）。请注意，对于新锂电池获得其实际使用寿命数据还需要多年时间，但是，一些锂电池提供10 年质保作为缺少服务数据的措施。

B.温度

当温度升高时，铅酸电池和锂电池的日历寿命和循环寿命都会缩短。但是，通常锂电池的使用寿命受到高温的影响小于铅酸电池。UPS 中使用的多数锂电池具有耐较高平均温度（例如40°C/104°F）设计，而且能够在所述高温下达到规定的使用寿命。

C.占地空间

由于锂电池具有较高的能量密度，因此它的占地空间或容积小于VRLA 电池。与外置VRLA 电池组相比，这种空间节省对于采用更紧凑的外置锂电池组的更长运行时间的应用独具吸引力。

D.重量

锂电池的较高能量密度也使得其重量比VRLA 电池更轻。这使得在安装或更换过程中更容易搬运外置电池组。

E.电池监测

电池监测系统（BMS）通常不是单相UPS 系统的VRLA 电池解决方案的组成部分，因为其单节电池不被管理。但是，锂电池标配有BMS，因为这些电池需要单节电池间的平衡及安全以改善系统的性能和寿命。

F.安全性

当谈及电池，尤其是锂电池时，安全乃重中之重。UPS 应用需要记住的一件重要事情是，UPS 供应商需与信誉良好的锂电池供应商密切合作来为特定UPS 寻求化学成分、技术、电池封装和电池管理的最佳组合。

根据定义，所有类型的电池均可储存化学能，因此如果误操作（例如扔入火中）或者过度放电，每个电池均可能释放危险材料或引燃大火从而构成危害。根据多起火灾报告案件以及它们较高的能量密度和更大的过度充电敏感性，锂电池被认为更不稳定。若管理不善，锂电池将更容易达到“热失控”状态，因为它的单元电阻和储能量分别低于和高于铅酸电池。

但是，过去几年，锂电池已取得很大的进步，变得更安全，而且安全措施方面更强于其他常用的电池类型。化学变化和电池封装的改进使其变得更加稳定。制造工艺成熟，且采用的材料更耐久。电池管理方案均经过充分测试和实地验证，可防止锂电池过度充电或过热。锂电池在上亿台便携式电子设备、智能手机和电动汽车中的大量使用便是其安全水平的直接证明。

由于锂电池系统对于自身的充电和放电方式更为敏感，因此所有此类系统均配有电池管理系统（BMS）。该系统包含微处理器、传感器、开关及其相关的电路。它可持续监测单节电池的电池温度、充电量和充电率，以防止出现短路和过度充电。此外，该系统也有利于保护单节电池免受损坏，防止放电电压过低。BMS 为UPS 和用户提供准确的电池状态、健康情况和可用运行时间信息。

G.运输法规

包括锂电池或VRLA 电池在内的任何类型的电池运输均有着不同的法律规定。由于锂电池的某些化学成分具有较高的能量密度和高挥发性，因此这些运输法规对于锂电池的要求更为严格。尽管具体法规因地区而异，但国际航空运输协会（IATA）及其颁发的《危险品规则》（DGR）4是了解航空运输限制和要求的良好指南，其中《危险品规则》规定了尺寸、重量和数量方面的装运要求。锂电池的运输分为非第九类“危险材料”和第九类“危险材料”5。非第九类包括小型、少量电池运输，而第九类包括大量、大尺寸电池运输。每个类别均规定了标签、包装及任何特殊搬运要求。记住，所有类型的电池都必须符合特定要求和限制条件。例如，装在设备内发货的电池通常必须以断开方式发运。尽管所有这些对于最终用户或经销商看似有点麻烦，但系统制造商通常会承担确保通过适当设计、认证、标签、用户文档和包装实现合规方面的义务和责任。

H.回收性

锂电池和VRLA 电池这两种电池类型均为可回收利用；但是，目前在全球大多数地区回收UPS 和电动汽车中使用的铅酸电池的难度远低于大型的锂电池。有许多回收站会回收较小的锂电池。但是，在撰写本文之时，大多数小型的电池只是在收集后送去粉碎和焚烧，在这些废渣中，生产中使用的部分材料有可能回收利用。多数的材料最终埋于垃圾填埋场。单纯从经济角度来看，回收利用锂电池以回收极少量的锂金属及其他较为常见但价值较低的金属（铝、镍等）得不

2.成本

在某些IT 投资中，愈发普及的是使用总拥有成本作为衡量标准，例如UPS 维护。相比于VRLA电池，锂电池的某些动力电池化学成分和技术在10 年期内提供有利的总拥有成本。这体现在UPS需要更换之前的典型寿命范围。

A.假设

表1 列出了与所述总拥有成本相关的电池属性。

表2 列出了用于所述的假定条件。

这仅是VRLA UPS 的外置电池组价格，以符合所需的运行时间。在此计算中不考虑VRLA UPS 内置电池组的支出。

B.资本支出

在第0 年时的初始电池支出包括电池材料成本和安装成本。表3 列出了两种电池解决方案的支出明细。

C.运营成本

电池的运营支出于第一年开始计算，直至第10 年。对于单相UPS 系统，运营支出的主要驱动因素是电池更换成本。表4 列出了两种电池解决方案的运营支出明细。需要注意的是对于像分散式/边缘数据中心，它们拥有多个远程的办公室，电池更换成本在200到250 美元之间。这些类型的办公室一般没有自己的维护人员。因此，他们通常采用管理服务供应商来进行电池的更换，管理服务供应商需要去现场，然后更换电池以及回收旧电池。尽管这种服务是一起采购的，但我们可预期每次的更换成本在200 美元。

D.总成本

10 年期总成本需考虑上述的初始支出和更换支出。锂电池解决方案的10 年总成本比VRLA 解决方案低53%。表5 列出了两种电池解决方案的总成本明细。

E.敏感性

我们对多项成本因素进行了变化试验，以评估它们的变化性和变化幅度对于总拥有成本的影响。例如，我们将VRLA 使用寿命从3 年改为7 年，从而使得总拥有成本节省从29%（1 次VRLA 电池更换）变为65%（3 次VRLA 电池更换）。

VRLA 更换周期的两个主要驱动因素是温度和充电-放电循环。

基于这一敏感性，对VRLA 和锂电池之间的总拥有成本比较影响最大的因素包括：

• VRLA 使用寿命

• UPS 使用寿命

值得注意的是，上述每一项因素都能单独造成两种电池解决方案之间产生显著变化，而少数上述因素组合可能需要做出采用一种或另一种的决定。特别是，短于锂电池的VRLA 使用寿命及UPS 使用寿命成为重要杠杆。例如，4 年的VRLA 寿命加之8 年的UPS 寿命只会造成一次电池放电。但是，仅仅将UPS 寿命延长2 年就会造成VRLA 两次电池更换，从而在总拥有成本方面发生显著变化，这一点方面锂电池更具优势。在此模型中计算的资本支出是基于VRLA UPS 中使用的附加外置电池组，以匹配由锂电池组提供的默认运行时间，用于进行比较。如果将参考VRLA UPS 的标准运行时间（5 分钟）与锂离子UPS 的标准运行时间（19 分钟）进行比较，则总拥有成本将有利于VRLA UPS。

3.结论

可以肯定地说，锂电池价格将会持续下降，新的化学成分和技术也将面市，现有的锂电池也会不断改进。根据这一背景以及本白皮书中开展的，用于单相UPS 应用的锂电池系统提供极具吸引力的优势。尽管部分锂电池解决方案的价格过高而被证明不适合对VRLA 进行改造，但还是会有一些锂离子解决方案提供令人满意的10 年期总拥有成本。