铁锂电池的SEMS智慧能源管理在高压UPS领域的模块化技术应用研究

摘要：

UPS电源称为不间断电源，能够为许多工业设备提供持续，稳定，不间断的电源供应，在过去几十年来，铅酸电池作为一种安全，低廉，稳定的能源供应，一直扮演着UPS电源的最重要的能源载体。但是随着锂离子电池技术的发展，特别是磷酸铁锂技术的高速发展， 使得铁锂电池UPS电源解决方案正在成为客户的最新选择。铁锂电池作为一种新型高能安全的化学电源，它拥有高容量、高功率、长寿命、轻薄化和无污染等优势，在UPS电源的应用领域正在急速扩大，特别是随着人工智能、云计算、大数据、物联网、5G通讯等高新技术的迅猛发展，数据中心的市场需求激增，同时也对数据中心基础能源设施建设提出了更高的智慧能源管理要求。安仕公司使用铁锂电池融合智慧能源管理先进技术打造全球最新数字化绿色智慧能源系统，为大型数据中心UPS提供最前沿的智慧能源管理方案。

关键词：锂电池;高压UPS电池，智慧能源管理系统SEMS，电池模块化设计

众所周知，数据中心通常是指在一个物理空间内实现信息的集中处理、存储、传输、交换和管理。近年来,随着移动互联网、人工智能，物联网、云计算、5G通信等数据业务需求的爆炸式增长,数据中心正在发展成为一个具有战略意义的新兴产业,成为新一代信息产业的重要组成部分， UPS电池是数据中心系统的重要组成部分。传统的数据中心UPS电池市场一直被铅酸电池所把持，然而，随着锂电池技术的不断发展和成本的不断降低，近年锂电池开始进入UPS电池市场。为适应这种科技发展趋势，施耐德电气，维蒂，伊顿等全球知名UPS企业陆续宣布为其众多系统的单相、三相UPS提供用锂电池替换阀控式密封铅酸蓄电池的解决方案。另外国内外，众多的锂电池UPS生产厂家也开始布局起来，走进这个绿色环保的新能源市场。安仕科技科研团队经过数十年技术沉淀，细心研究，掌握从Lead-acid铅酸，NIMH镍氢，NICD镍镉，LCO-钴酸锂，NCM-镍钴锰，NCA-镍钴铝，LMO-锰酸锂，LFP-磷酸铁锂等电池应用技术。其BMS全套管理技术覆盖众多工业锂电池细分市场，为响应当今世界人工智能，云计算，大数据，物联网，5G通信等前言科技发展需求，紧跟国家智慧电网，智慧能源，绿色能源等科技发展战略，团队经过艰苦的科技攻关，研发出智慧能源管理系统SEMS，陆续应用在数据中心UPS电源系统中，为全球知名UPS厂商提供了最前沿的智慧能源动力。

一、智慧能源管理技术SEMS

智慧能源管理系统Smart Energy Management System，通过智能管理系统检测UPS电池组中各单体电池运行状态，来掌握和管理整个电池系统的状态。SEMS根据UPS系统对动力的需求，结合自身的运行状态，对动力电池系统进行对应的控制调整和策略实施，实现对电池系统及各单体电池的智能充放电管理，保证电池系统安全稳定，确保整个UPS系统高效、安全，稳定运行。

SEMS系统由中央处理器单元主控模块，前端数据采集模块，数据监测模块，数据存储模块，控制模块，驱动模块，显示模块，以及通信模块等组成。基于各个模块的功能，SEMS能够实时监测动力电池电压，电流，温度等参数，实现对动力电池进行热管理，电压、容量均衡管理，容量学习，预警处理，保护处理，绝缘监测，寿命预估等，并准确计算动力电池的剩余容量SOC，指示电池的运行状态，预警电池的使用安全状态，预判出电池的SOH及循环寿命，确保UPS电源供应的安全。

安仕科技打造的智慧能源管理系统不仅解决动力电池模组内部的管理，也实现了模块化设计，通过各智能模块系统，实现电池模块间的主从机自动定义，ID地址自动分配，从而实现模组自由串并，自由混并，功率并机，自动均衡，软件安全自检，以及大数据建模，超级黑盒管理，远程通信，云端管理等。

 智慧能源管理系统功能模块示意图

安仕电池模组自由串并技术，是通过SEMS系统的智能化管理，实现不同电压和容量的电池模组之间的自由串联和并联。传统电池模组串联或则并联，需要每个模组保持相近的电压和容量，才可以组合应用在系统，不然模组间产生巨大的电流冲击，造成电池内部损伤，长期使用，将带来电池循环寿命的影响，安仕特有的串并技术，很好地解决了模组间的平衡和电流冲击控制。在现有数据中心大量使用铅酸电池的应用环境下，安仕的智慧能源管理技术，也帮助UPS客户解决了，如何让铅酸电池和锂电池混合应用的难题。由于铅酸电池充电系统与锂离子电池管理系统差异，在不改变现有铅酸电池系统的情况下，能直接用锂电电池替换铅酸电池，这样能够为客户带来更经济和更灵活的解决方案，安仕电池混并技术的推出，得到了客户的广泛欢迎和认可。随着并联技术在数据中心的应用，并联电池已经满足到数据备份时间的更长需求，但是，在当前大数据运算，云端管理，5G通信等诸多高功率需求下，并联不仅要解决时间的增长，也要解决功率的增长需求，安仕SEMS技术也实现了功率倍增的并联技术，解决大型数据中心高功率要求。

二、安全设计和安全验证

由于能量密度高及特有的电化学特性，锂离子电池在安全性及稳定性方面存在隐患，电池在使用过程中的过充，过放，外部短路等均可能导致电池热失控，一旦进入热失控状态，大量释放的热量会导致电池负极SEI膜分解，正极活性物质分解和电解液的氧化分解，产生大量气体，导致锂离子电池内部气体压力急剧升高，引起电池发生爆炸，进而危害人身及财产安全。

为了解决电池热失控带来的风险，首先，安仕科技不仅从内部安全模块控制设计， 固件安全设计，结构材料前端研究，和热失控状态的二次保护处理，结合智能电源的安全管理技术，从设计上很好地解决了安全设计问题。其次，对外部电池供应商审查，电池原材料的监控管理，电池正确选型等方面的长期经验累积，匹配适合UPS环境应用的动力电池。

另外，安仕科技也投入巨资建立了具有UL，TUV双认证的安全实验室，也是中国首家获得UL1973电池包资质认证的国内企业。有实验室的强力支撑，所有新产品经过严格地设计验证，安全验证，场景应用，打造出了安仕在行业内创新安全可靠的高端品牌声誉。

三、数据中心单相及三相UPS 192V高压铁锂电池应用

安仕研发团队依靠扎实的BMS技术储备，丰富的研发经验，借助先进的热分析和可靠性分析技术，经过不到一年的研发，创新推出世界首款高压192V 数据中心UPS铁锂电池。该电池系统采用SEMS智慧能源管理系统技术，采用了集中式的设计，即将电池管理系统的所有功能集中在一个控制器里面，这主要基于电池包容量比较小、模组及电池包型式应用场合固定，可以显著的降低系统成本。

192V UPS电池系统由处理器单元主控模块，前端数据采集模块，均衡模块，动能装置，数据存储及RTC模块，保护模块，反接检测模块以及通信模块等组成。

该电池系统根据电池的容量分别采用了1U及2U多款结构设计，内部设计紧凑简洁，具有高绝缘、高耐压等级，通过UL1973认证标准，具有高可靠性及高安全性。电池系统具有CANbus和RS485双通信，智能离线和在线升级，可以应用于单相UPS及三相UPS系统，单个电池系统可以实现10KW级放电能力。多个电池系统支持并联。传统的并机方法是为了避免电池反灌电池对的电池的操作，需人为地将两个电池充电到相同的电压，再将电池进行并联。安仕采用独特的智能并联方法，各个电池间不论电池新旧，容量差别大小，各个电池系统间通过CANBus通信的方式，不需要人工干涉，电池间自动进行平衡，独立判定电池并级的条件，自动地实现并机， 有效地解决电池间不平衡引起的电流冲击，以致对电池损伤。

四、安仕192V铁锂电池1U/2U 在数据中心UPS电池市场龙头地位

目前192V 1U 和2U铁锂电池系统已经量产化运用在客户大型数据中心。192V 1U和192V2U目前是全球第一家，也是唯一一家拿到美国安全标准UL1973的锂电池产品，市场占有率在全球性能源行业处于市场龙头地位。

 192V铁锂电池展示图

 铁锂电池在全球数据中心UPS单相机市场占有率示意图

 铁锂电池在全球数据中心UPS单相机市场示意图

结束语：

根据目前市场数据中心的高压铁锂UPS电池的旺盛需求，安仕在取得192V1U和2U的成功推向全球市场后，现在已经陆续投入在数据中心三相UPS 512V高压铁锂电池的开发验证中，此高压电池单系统最大可以支持兆瓦级放电能力，支持功率并联应用。该电池系统采用SEMS智慧能源管理系统技术，采用了分布式的设计，电池系统由主控箱与电池模组成，低压部分和高压部分分开，可自由串接，增加了系统配置的灵活性，适应不同容量、不同规格型式的模组。电池系统具有多级保护功能，设计上按照UL9540A标准进行，具有高可靠性及高安全性。电池系统具有CANbus和RS485双通信，智能离线和在线升级，可以应用于单相UPS及三相UPS系统，

安仕科技的数据中心UPS高压智慧电池系统技术的创新发展为行业带来最前沿的研究和应用，必将引领铁锂电池UPS行业的高速发展。

参考文献：

[1]互联网资料参考，锂电池UPS电源解决方案正在成为市场的新方向，电子发烧友，2020-03-23