IDC科谱 | 数据中心蓄电池的发展趋势

数据中心在中国的扩张速度可谓惊人,在其成为互联网经济发展重要基础设施的同时,“高密高电”的特性也让其获得了“吞能巨兽”的称号。这让北京,上海,广州和深圳等国内一线城市不堪重负。最终不得不通过行政命令的手段,对数据中心PUE实施严控。从1.5到1,4,再到1.3,层层加码。

这一方面催生了环一线城市数据中心产业带的形成,另一方面,也使得数据中心节能技术必须有所突破。电力系统,则是其中重要的一环……那么,数据中心机房供电未来有什么新的趋势呢?

我们今天主要聊聊蓄电池在数据中心行业的发展现状与趋势。

蓄电池是数据中心UPS电源的重要组成部分,也直接影响数据中心建设与运营成本。虽然科技的进步日新月异,但是UPS作为数据中心供电稳定的最后防线,因为电池能量密度,以及成本等多方面原因,变化却不像其他硬件那样更迭迅速,材料至今都是以1859年法国人普兰特发明的铅酸为主。随着数据中心业务压力的增大,UPS可用性降低的问题日益凸显。有相关数据显示,目前数据中心负载掉电事故中,有将近30%和电池失效有关。

目前数据中心所用蓄电池,占据主流的是铅酸电池,铅酸电池常用于不间断电源(UPS)系统的三相来源,但其对应用场景的运营要求近乎苛刻,温度必须保持稳定;支持充放电次数少,大约只有600次左右,但必须定期放电,关键是电池的整体寿命还很短,基本上只有6年左右;充放电的速度必须适度;安全性也有要求,必须有单独的电池存放间,否则酸雾会对其他设备产生腐蚀;最后,由于体积庞大,数据中心在设计之初还必须考虑占地空间和楼板承重力。

多年以来,铅酸电池一直没有经济可行的替代方式,因此设计工程师必须忍受其缺点,这令数据中心运营人员也感到头痛与无奈。不过,近几年,随着锂电池出现,情况有所改变,特别是电动车技术的发展,第一部由锂电池供电的不间断电源系统已于 2016 年上市,锂电池在价格、能源、容量、安全与可靠性之间已经逐步达到平衡,具备了面向数据中心进行应用的基础。

锂电池被认为是数据中心未来的技术发展趋势之一,根据 Bloomberg New Energy Finance 报导,截至 2025 年,锂电池解决方案将占数据中心使用 UPS 市场的 40%。

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锂电池具有体积小,重量轻,密度高和易用性强等特点,相比铅酸电池,采用锂电池的UPS能减少占用空间达50-80%,而使用寿命则长达15年以上。虽然行业内一直有观点认为,部署加入了锂电池的电源系统,建设成本会大幅度提高,但如果考虑全生命周期的运营成本与管理成本来看,总体成本差异并不大。

锂电池的主要优势

锂电池在电池性能、体积、重量、使用寿命、环保安全等方面都远优于铅酸电池,为数据中心提供了更理想的 UPS 解决方案新选择。

锂电池的生命周期一般为10 年,几乎是铅酸电池的 2 倍,随着锂电池的价格逐渐与铅酸电池价格趋同,锂电池UPS系统全生命周期成本开始大幅度降低,很多大型数据中心已经成为导入这种新型储能解决方案的先驱。锂电池系统拥有15 年设计寿命,确保 10 年使用期内性能稳定,更长的生命周期有效降低了电池更换的成本和维护负担。锂电池的投入更重要的目的在降低整体拥有成本,而非短期获利。

锂电池占用体积降低 40%、重量降低 60%。数据中心受空间限制不断增加其功率密度,与铅酸蓄电池相比,在提供相同功率的情况下,锂电池占用空间仅为后者的三分之一,同时质量减低60%,不用考虑楼层加固问题。可以有效帮助客户增加现有IT系统的部署规模,同时降低散热需求,节约投资成本和运营成本。

锂电池耐高温特性更优,可在 0-40℃ 工作,无需空调。铅酸蓄电池最佳工作温度为 20~25℃,温度每升高 6~10℃ 其寿命和电池循环寿命都会大大缩短,而锂电池高性能工作温度为 0~40℃。因此,锂电池耐高温特性可以帮助客户降低制冷需求、减少运营成本,这也是锂电池在超大型云计算中心中的一个显著优势。

锂电池内置 BMS,可实现单只电池控制。电池管理系统(BMS)作为整个锂电池系统安全的核心技术所在,当电池发生任何过压充电、过流放电、电池短路等故障时,通过BMS可以迅速切断故障电流来保护整个系统避免受到损坏。除了准确了解电池系统的健康状况,BMS还可以主动平衡电芯的充放电,确保充放电安全,从而延长使用寿命,降低整体成本,也降低了工作人员的维护负担。

下面我们来看一组数据,直观地了解一下锂电池较铅酸电池的主要优势:

1. 重量能量密度(Wh/kg)

锂电池(磷酸铁锂):100~150

铅酸电池:30~50

2. 体积能量密度(Wh/L)

锂电池(磷酸铁锂):200~300

铅酸电池:60~90

让我们更直观地以实例来看:在800kW负载、15min备电时间情况下,铅酸电占地11.2㎡,锂电只占3.06㎡。

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