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施耐德数据中心论坛 | 权衡工具专题 (六) 《锂电池与铅酸电池计算器》详解
[2017-12-04]

       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静态数据中心UPS中的电池呢?事实上,其原因在于,与所有其他的应用一样,锂电池在静态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,如下图所示的施耐德Galaxy VX可选择采用锂电池解决方案。这些改进很大程度上是出于电动汽车产业提出的要求,比如我们所熟知的Tesla。

《锂电池与铅酸电池计算器》比较了两种用于静态UPS系统的储能技术的总拥有成本(TCO),通过输入相关参数来决定哪种解决方案更为经济。成本分析是建立在静态UPS电池实际的解决方案以及用户测量值或电池厂商提供的规格参数。该工具时可通过调整输入参数来分析对TCO的影响。 值得注意的是其它的参数也会对结果产生影响:比如环境温度、电池的充放电状况、所需制冷条件等等。为了简化计算,本工具采用如下假设条件:

  • 环境温度为25°C

  • 使用相同的三相UPS系统

  • 忽略UPS系统损耗

  • UPS负载率为100%

  • 锂电池芯采用的是LMO/NMC

  • 电池在微小电流充电的损耗分别为:锂电池为UPS容量的0.1%;而铅酸电池为UPS容量0.2%

  • 分析中不包含电池的暂态损耗,即市电断电后电池的放电和随之的充电过程的损耗

  • 电池占地面积仅仅考虑电池柜或电池架的占地面积

  • 不包含安装成本

  • 不包含电池的运输成本

  • 锂电池的运维成本假定为投资成本的1.5%;而铅酸电池的运维的成本假定为8%

  • 锂电池成本中已包含有电池管理系统(BMS)成本

  • 铅酸电池BMS成本假定为铅酸电池本体的20%

  • 制冷系统用来排除电池系统损耗所产生的热量,假定每排除一千瓦的热量需要0.33千瓦的能量

一、计算器输入参数

通过权衡工具网址:http://tools.apc.com , 我们可以很容易找到《锂电池与铅酸电池计算器》,下图所示为该计算器的界面。该计算器的输入部分包括数据中心所处的地理位置、UPS参数(包含容量和使用年限)、电池参数(包含后备时间和更换周期)以及两个财务分析参数。下面将为大家详细介绍每个选项的含义以及对两种解决方案的影响。

1.数据中心位置

UPS系统所处的地理位置会影响币种及默认用电价格。一般来讲,地理位置也会影响UPS及电池系统的总拥有成本。但在该工具中的成本模型中,地理位置仅改变币种和默认的用电价格。用电价格指的是每度电电力公司需要收取的价格平均值。一旦项目所处位置选定,即弹出默认用电价格。用户也可自行更改用电价格。该电价参数是用来计算电池损耗及制冷所需的能量消耗。

2.UPS参数

UPS容量是指UPS的可带载量,单位为kW。该参数用于计算锂电池和铅酸电池的尺寸和成本, 也用来计算电池的损耗(UPS容量的百分比)。UPS使用年限是指在UPS更换之前期望的使用年限。工具中计算的年度现金流和TCO都与UPS的使用年限有关。即UPS过了使用年限后,将不会产生新的现金流。一般而言,UPS的使用年限在10到15年之间。该参数可以确定在UPS的使用年限内到底需要几次的电池更新(及更换)。

3.电池参数

后备时间是指在电池电量放完之前,UPS可以给负载提供的后备时间。一般UPS的后备时间会在5到15分钟之间。该参数用来决定锂电池和铅酸电池的尺寸和成本。需要注意的是根据输入的UPS的容量和后备时间参数,由于客观原因,计算得到的电池解决方案往往提供的后备时间比用户所需要的后备时间要长。因此,在有些情况下,当所需的后备时间降低时,计算出的TCO结果并没有减少,第229号白皮书会就这种情况做详细说明。

电池更换周期,即电池更新时间,指的是旧电池替换新的电池的时间跨度。周期越短,在UPS的生命周期内所需要的更换频率越高。另外,更换周期与温度、充放电循环次数以及放电深度都有关系。VRLA电池的服务时间一般为3到6年,而锂电池则长达10到15年。需要注意的是,在UPS即将结束其服务年限时替换电池是不经济的。因此,该工具的模型假定的在UPS服务年限结束前两年不需要更换电池。举例,如果UPS将在第10年时替换(即10年的服务年限),则不需要在第9年和第10年来替换新的电池。实际上,UPS的服务年限往往会延长若干年。同样也可以通过增加UPS的使用年限来得到所需的分析结果。

4.财务分析参数

资金成本是评估投资资金的折返率,用于计算给定年限内运行所需现金流的净现值(NPV)。建筑月度租赁成本用于计算电池间占地所需的租赁成本,用于计算两种电池的部分运行成本。

二、计算器输出结果

该工具的计算结果是根据使用者的输入参数为其计算两种解决方案的累计成本并进行比较,同时,还提供了10年TCO的明细分析。

1.累计成本

下图所示,累计成本曲线给出VRLA电池和锂电池最多15年累计的现金流。曲线中的每个年度TCO,即包含当年在内之前的年度累加的现金流的净现值。 可通过拖动虚线选择评估两种电池解决方案在任一年度的TCO。累计成本仅仅累计至UPS的可使用年限。曲线图下的文字说明总结了两种电池解决方案的TCO及百分比的差异。

2.10年TCO明细

TCO明细图将TCO分为投资成本和四类运行成本。每类运行成本都是基于累计成本曲线中虚线所选择的年份折合的净现值。下图所示为VRLA和锂电池储能解决方案中TCO的主要成本构成。

三、参考资料

本工具的模型主要是基于施耐德电气数据中心科研中心开发的数学模型。可通过施耐德电气白皮书库查阅有关开发权衡工具的科学原理。

本文所介绍的权衡工具——《锂电池与铅酸电池计算器》能够基于数据中心设计人员输入的数据中心所处的地理位置、UPS参数(包含容量和使用年限)、电池参数(包含后备时间和更换周期)以及两个财务分析参数给出用于静态UPS两种解决方案的成本比较,为客户选择适合的电池解决方案提供指导。开放计算类型项目(OCP)的常见好处包括服务器简单化、服务器电源的集成、机柜锂电池取代集中式UPS,宕机更少,成本更低,效率更高。

文章摘自施耐德电气信息技术

 

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