鐵鋰電池的SEMS智慧能源管理在高壓UPS領域的模組化技術應用研究

摘要：

UPS電源稱為不間斷電源，能夠為許多工業裝置提供持續，穩定，不間斷的電源供應，在過去幾十年來，鉛酸電池作為一種安全，低廉，穩定的能源供應，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的發展，特別是磷酸鐵鋰技術的高速發展， 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電源，它擁有高容量、高功率、長壽命、輕薄化和無汙染等優勢，在UPS電源的應用領域正在急速擴大，特別是隨著人工智慧、雲端計算、大資料、物聯網、5G通訊等高新技術的迅猛發展，資料中心的市場需求激增，同時也對資料中心基礎能源設施建設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技術打造全球最新數字化綠色智慧能源系統，為大型資料中心UPS提供最前沿的智慧能源管理方案。

關鍵詞：鋰電池；高壓UPS電池，智慧能源管理系統SEMS，電池模組化設計

眾所周知，資料中心通常是指在一個物理空間內實現資訊的集中處理、儲存、傳輸、交換和管理。近年來,隨著移動網際網路、人工智慧，物聯網、雲端計算、5G通訊等資料業務需求的爆炸式增長,資料中心正在發展成為一個具有戰略意義的新興產業,成為新一代資訊產業的重要組成部分， UPS電池是資料中心繫統的重要組成部分。傳統的資料中心UPS電池市場一直被鉛酸電池所把持，然而，隨著鋰電池技術的不斷髮展和成本的不斷降低，近年鋰電池開始進入UPS電池市場。為適應這種科技發展趨勢，施耐德電氣，維蒂，伊頓等全球知名UPS企業陸續宣佈為其眾多系統的單相、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。另外國內外，眾多的鋰電池UPS生產廠家也開始佈局起來，走進這個綠色環保的新能源市場。安仕科技科研團隊經過數十年技術沉澱，細心研究，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-磷酸鐵鋰等電池應用技術。其BMS全套管理技術覆蓋眾多工業鋰電池細分市場，為響應當今世界人工智慧，雲端計算，大資料，物聯網，5G通訊等前言科技發展需求，緊跟國家智慧電網，智慧能源，綠色能源等科技發展戰略，團隊經過艱苦的科技攻關，研發出智慧能源管理系統SEMS，陸續應用在資料中心UPS電源系統中，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SEMS

智慧能源管理系統Smart Energy Management System，透過智慧管理系統檢測UPS電池組中各單體電池執行狀態，來掌握和管理整個電池系統的狀態。SEMS根據UPS系統對動力的需求，結合自身的執行狀態，對動力電池系統進行對應的控制調整和策略實施，實現對電池系統及各單體電池的智慧充放電管理，保證電池系統安全穩定，確保整個UPS系統高效、安全，穩定執行。

SEMS系統由中央處理器單元主控模組，前端資料採集模組，資料監測模組，資料儲存模組，控制模組，驅動模組，顯示模組，以及通訊模組等組成。基於各個模組的功能，SEMS能夠實時監測動力電池電壓，電流，溫度等引數，實現對動力電池進行熱管理，電壓、容量均衡管理，容量學習，預警處理，保護處理，絕緣監測，壽命預估等，並準確計算動力電池的剩餘容量SOC，指示電池的執行狀態，預警電池的使用安全狀態，預判出電池的SOH及迴圈壽命，確保UPS電源供應的安全。

安仕科技打造的智慧能源管理系統不僅解決動力電池模組內部的管理，也實現了模組化設計，透過各智慧模組系統，實現電池模組間的主從機自動定義，ID地址自動分配，從而實現模組自由串並，自由混並，功率並機，自動均衡，軟體安全自檢，以及大資料建模，超級黑盒管理，遠端通訊，雲端管理等。

智慧能源管理系統功能模組示意圖

安仕電池模組自由串並技術，是透過SEMS系統的智慧化管理，實現不同電壓和容量的電池模組之間的自由串聯和並聯。傳統電池模組串聯或則並聯，需要每個模組保持相近的電壓和容量，才可以組合應用在系統，不然模組間產生巨大的電流衝擊，造成電池內部損傷，長期使用，將帶來電池迴圈壽命的影響，安仕特有的串並技術，很好地解決了模組間的平衡和電流衝擊控制。在現有資料中心大量使用鉛酸電池的應用環境下，安仕的智慧能源管理技術，也幫助UPS客戶解決了，如何讓鉛酸電池和鋰電池混合應用的難題。由於鉛酸電池充電系統與鋰離子電池管理系統差異，在不改變現有鉛酸電池系統的情況下，能直接用鋰電電池替換鉛酸電池，這樣能夠為客戶帶來更經濟和更靈活的解決方案，安仕電池混並技術的推出，得到了客戶的廣泛歡迎和認可。隨著並聯技術在資料中心的應用，並聯電池已經滿足到資料備份時間的更長需求，但是，在當前大資料運算，雲端管理，5G通訊等諸多高功率需求下，並聯不僅要解決時間的增長，也要解決功率的增長需求，安仕SEMS技術也實現了功率倍增的並聯技術，解決大型資料中心高功率要求。

二、安全設計和安全驗證

由於能量密度高及特有的電化學特性，鋰離子電池在安全性及穩定性方面存在隱患，電池在使用過程中的過充，過放，外部短路等均可能導致電池熱失控，一旦進入熱失控狀態，大量釋放的熱量會導致電池負極SEI膜分解，正極活性物質分解和電解液的氧化分解，產生大量氣體，導致鋰離子電池內部氣體壓力急劇升高，引起電池發生爆炸，進而危害人身及財產安全。

為了解決電池熱失控帶來的風險，首先，安仕科技不僅從內部安全模組控制設計， 韌體安全設計，結構材料前端研究，和熱失控狀態的二次保護處理，結合智慧電源的安全管理技術，從設計上很好地解決了安全設計問題。其次，對外部電池供應商審查，電池原材料的監控管理，電池正確選型等方面的長期經驗累積，匹配適合UPS環境應用的動力電池。

另外，安仕科技也投入巨資建立了具有UL，TUV雙認證的安全實驗室，也是中國首家獲得UL1973電池包資質認證的國內企業。有實驗室的強力支撐，所有新產品經過嚴格地設計驗證，安全驗證，場景應用，打造出了安仕在行業內創新安全可靠的高階品牌聲譽。

三、資料中心單相及三相UPS 192V高壓鐵鋰電池應用

安仕研發團隊依靠紮實的BMS技術儲備，豐富的研發經驗，藉助先進的熱分析和可靠性分析技術，經過不到一年的研發，創新推出世界首款高壓192V 資料中心UPS鐵鋰電池。該電池系統採用SEMS智慧能源管理系統技術，採用了集中式的設計，即將電池管理系統的所有功能集中在一個控制器裡面，這主要基於電池包容量比較小、模組及電池包型式應用場合固定，可以顯著的降低系統成本。

192V UPS電池系統由處理器單元主控模組，前端資料採集模組，均衡模組，動能裝置，資料儲存及RTC模組，保護模組，反接檢測模組以及通訊模組等組成。

該電池系統根據電池的容量分別採用了1U及2U多款結構設計，內部設計緊湊簡潔，具有高絕緣、高耐壓等級，透過UL1973認證標準，具有高可靠性及高安全性。電池系統具有CANbus和RS485雙通訊，智慧離線和線上升級，可以應用於單相UPS及三相UPS系統，單個電池系統可以實現10KW級放電能力。多個電池系統支援並聯。傳統的並機方法是為了避免電池反灌電池對的電池的操作，需人為地將兩個電池充電到相同的電壓，再將電池進行並聯。安仕採用獨特的智慧並聯方法，各個電池間不論電池新舊，容量差別大小，各個電池系統間透過CANBus通訊的方式，不需要人工干涉，電池間自動進行平衡，獨立判定電池並級的條件，自動地實現並機， 有效地解決電池間不平衡引起的電流衝擊，以致對電池損傷。

四、安仕192V鐵鋰電池1U/2U 在資料中心UPS電池市場龍頭地位

目前192V 1U 和2U鐵鋰電池系統已經量產化運用在客戶大型資料中心。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準UL1973的鋰電池產品，市場佔有率在全球效能源行業處於市場龍頭地位。

192V鐵鋰電池展示圖

鐵鋰電池在全球資料中心UPS單相機市場佔有率示意圖

鐵鋰電池在全球資料中心UPS單相機市場示意圖

結束語：

根據目前市場資料中心的高壓鐵鋰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後，現在已經陸續投入在資料中心三相UPS 512V高壓鐵鋰電池的開發驗證中，此高壓電池單系統最大可以支援兆瓦級放電能力，支援功率並聯應用。該電池系統採用SEMS智慧能源管理系統技術，採用了分散式的設計，電池系統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，增加了系統配置的靈活性，適應不同容量、不同規格型式的模組。電池系統具有多級保護功能，設計上按照UL9540A標準進行，具有高可靠性及高安全性。電池系統具有CANbus和RS485雙通訊，智慧離線和線上升級，可以應用於單相UPS及三相UPS系統，

安仕科技的資料中心UPS高壓智慧電池系統技術的創新發展為行業帶來最前沿的研究和應用，必將引領鐵鋰電池UPS行業的高速發展。

參考文獻：

[1]網際網路資料參考，鋰電池UPS電源解決方案正在成為市場的新方向，電子發燒友，2020-03-23