简答：根据基本负载、所需断电时长以及冷浸后的可用电池能量（包括电池加热器消耗的能量）来确定机柜电池的容量。另需验证恢复充电的速度以及能否在第二次断电时提供足够的备用电量。
关键精华
寒冷天气会降低电池容量。请使用基于您所在地点最低温度的降额系数。
加热器可以保持电池温度，但会消耗额外的能源。请将加热器的能耗计入您的总能源预算。
大多数锂电池在冰点以下无法充电。因此，停电后请做好延迟充电的准备。
检查电池是否多次出现断电现象。一次放电测试并不能表明电池可以恢复。
在寒冷的户外柜体中，选择磷酸铁锂电池可延长其循环寿命。根据您的场地需求选择合适的化学成分。
第一部分：负载概况和运行时
1.1 连续负载、峰值负载和静态负载
标签上的数值很少与实际功耗相符。例如，交通信号灯控制柜上的控制器、无线电收发器和摄像头的标签数值可能与实际情况不符，但实际测量的电流却并非如此。工程师应该记录控制柜在整个工作周期内的实际电流。该记录可以将负载分为三类： 每小时运行的持续负载短暂出现的峰值负载，以及机柜闲置时持续运行的静态负载。
峰值和浪涌特性需要单独测量。EnergyDawnice指出，一台5千瓦的电机在启动时，瞬间会产生12-15千瓦的浪涌电流。配备云台摄像机和加热器的安防柜也会出现类似的浪涌现象。电池组、电池管理系统（BMS）和线路都必须能够承受这种浪涌电流。如果仅根据平均负载进行容量设计，系统在最关键的时刻将面临风险。
1.2 从场地要求到停电能源
停电能耗计算方法很简单。EnergyCalcSuite 给出了计算方法：将每日基本用电量（单位：千瓦时）乘以停电天数，然后加上 20% 的缓冲容量，以应对效率损失和意外用电。例如，一个储能柜在 3 天停电期间每天消耗 2 千瓦时，大约需要 7.2 千瓦时的可用储能容量。这个数值仅涵盖停电期间的用电量；充电恢复需要单独计算。
两项修正可确保数据准确。首先，将标称容量改为可用容量。EnergyDawnice 指出，100 kWh 的电池组在 80% 放电深度下实际可用容量为 80 kWh，而接近 95% 的逆变器效率会进一步降低交流输出。其次，应用第二部分中的低温降额系数。CE Innovators 也指出，两个标称 10 kWh 的电池组由于内部缓冲设置不同，可用容量可能存在差异。比较系统时，应以可用能量为准，而非以标称容量为准。
第二部分：寒冷天气下的电池备用容量
2.1 冷浸和可用容量
锂电池组在接近 25°C (77°F) 的温度下工作效果最佳。低于此温度，其输出功率会降低，充电时间也会延长。冷浸是指将电池组在低温下保持足够长的时间，使内部温度趋于稳定。此时，其可用容量会远低于室温下的额定容量。
电池大学报告称，电池在 27°C (80°F) 时容量为 100%，以此为参考点。在 -18°C (0°F) 时，同一电池的容量通常只有 50%。在 -20°C (-4°F) 时，大多数电池的容量接近 50%。电池大学还指出，低温会增加电池内阻并降低容量，但一旦电池温度回升，这种损失就会消失。
即使是较温和的寒冷天气也会消耗能量。Grepow 报告称，在 -10°C 时，能量损耗约为 25°C 时的 75%；在 -50°C 时，能量损耗约为 60%（假设温差为 0.2°C）。Grepow 还补充说，具体的损耗量取决于电池的化学成分、结构、负载和热环境条件。因此，寒冷天气电池备用电源的设计采用的降额系数是基于现场预期的最低浸泡温度，而不是基于温和冬季的平均温度。
2.2 加热器负荷和外壳热预算
加热器可以保护电池容量，但也会消耗电量。应急照明设备公司指出，加热器会消耗待机功耗，通常需要持续的交流电来预热电池组。温控加热垫能使电池保持在最佳温度附近，非常适合严寒地区或长时间暴露在零下低温环境中。Oupes 从负载方面也提出了同样的观点：偶尔加热比持续运行的大型加热器更省电。与 1,500 瓦的加热器相比，60-120 瓦的加热毯加上密封条和防风条，可以显著降低能耗。
在计算热预算时，必须将加热器在最冷时段视为持续负载。应急照明设备建议预留余量并检查冬季运行时间，并建议在-20至-40°F的严寒冬季条件下使用带远程灯头的室内电池。
机柜布局与加热器功率同样重要。Yake Climate建议将电池舱与外部隔开并进行通风，尽可能使用除湿空气引入。Yake Climate还警告不要为了节省除湿而减少安全通风，并要求在可能存在危险环境的地方使用防爆设备。室外电池柜可以使用小型通风口或带冷却功能的密封设计，并配合柜内除湿机。
第三部分：恢复和充电计划
3.1 低温充电限制
断电后，备用电源只是计划的一半。低温环境下的备用电池组还必须在断电后恢复供电，而低温会增加恢复难度。大多数锂电池组在 0°C (32°F) 时停止充电。Savolture 指出，磷酸铁锂电池无法在低于此温度时充电。电池管理系统 (BMS) 会打开充电通道，等待电池组升温。
这种断电会改变充电时间。例如，在寒冷天气下夜间断电的电池柜可能会一直保持低电量状态，直到日出。它也可能要等到加热器将电池温度加热到阈值以上才能充电。此时，电池组会在升温过程中以较慢的速度充电。如果设计预期在几个小时内完成充电，那么它将无法达到预期目标。工程师应该将充电断电视为硬性限制，而不是软性限制，并围绕它来规划充电时间。
太阳能辅助柜体面临第二个问题。冬季停电期间，面板上的积雪会使输出功率几乎降至零。此时，电池将承担全部负载，且无法充电，直到积雪融化。夏季表现良好的面板并不能为设计者提供多少关于其在1月份性能的信息。现场积雪深度和面板倾斜角度的记录比铭牌上的功率更重要。
3.2 充电时间和重复停电
单次放电测试可以证明运行时间，但无法证明恢复能力。冬季风暴常常会在电池组尚未从第一次放电中充满电之前，导致第二次断电。设计必须能够承受这种连续断电，而不仅仅是一次断电。
重复故障验证可以弥补这一不足。测试应遵循固定的顺序：
将包装袋在预计的最低温度下进行冷浸。
在测量负载下进行完全断电放电测试，包括加热器负载。
在相同的低温条件下充电，并记录充满电所需的时间。
在电池组充满电之前触发第二次放电。
确认该软件包在第二个事件中仍然满足运行时目标。
如果电池组通过了第二步但未通过第五步，则说明其容量太小，不适合该场地使用。解决方法可能是增加可用容量、使用更大的加热器或提高电池仓的温度。每种方案都会增加能耗，因此设计人员应在相同的热预算下进行比较。
恢复检测还会确定充电器的额定功率。如果充电器是为室温充电设计的，则在低温断电时可能会停止工作，导致电池组部分充电状态持续数小时。根据预期最低温度条件选择合适的充电器和加热器，可以缩短恢复时间，并使其可预测。
第四部分：锂化学成分比较
4.1 寒冷天气下电池备用电源化学特性
电池化学特性决定了低温环境下的初始性能，之后才会考虑任何加热或降额因素。单体电池的参考范围有助于工程师了解各种优缺点，但并不能保证整个电池组的性能。下表总结了单体电池的典型平台电压、比能量和循环寿命。
材质 | 平台电压 | 比能量 (Wh/kg) | 循环寿命 |
|---|---|---|---|
LCO | 3.7 V | 180-230 | 500-1,000 |
NMC | 3.6-3.7伏 | 160-270 | 500-1,000 |
LiFePO4 | 3.2 V | 100-180 | 2,000-5,000 |
LMO | 3.7 V | 120-170 | 300-700 |
磷酸铁锂电池 (LiFePO4) 非常适合寒冷气候下频繁循环且需要长使用寿命的场所。其平坦的电压曲线和高循环次数使其成为基础设施/交通运输和安防系统中户外控制柜的理想选择。NMC 电池在空间有限的场所（例如小型摄像机杆）中可提供更高的比能量。LCO 电池适用于轻度循环的消费级电子产品。LMO 电池适用于对成本敏感且循环次数适中的应用。C1D2 等级的磷酸铁锂电池组是寒冷气候下石油和天然气行业 UPS 的理想选择，在这些场所，危险场所等级和循环寿命都至关重要。
4.2 合规性、成本和楼宇管理系统 (BMS) 的考量
合规性和成本取决于具体应用。危险场所的配电柜需要额定功率的电池组，上文提到的 C1D2 示例展示了磷酸铁锂电池如何满足该标准。运输场所可能需要满足额外的认证要求。在许多市场，磷酸铁锂电池的初始成本高于锂金属锂电池，但其循环寿命可以将成本分摊到更多次的停电中。
电池管理系统 (BMS) 承担了大部分低温环境下的负载。Epever 指出，低温充电保护功能会在 0°C (32°F) 以下阻止充电，从而防止锂沉积；此外，一些系统会在充电开始前对电池组进行预热。PatSnap Eureka 补充道，精确的状态估计、电芯均衡和锂沉积检测都需要温度感知算法。
第五部分：逐步尺寸确定示例
5.1 运行时间加恢复时间计算
一个安防柜每天耗电 2 千瓦时，而该场所需要应对为期 3 天的停电。基本停电能耗为每天 2 千瓦时 x 3 天，即 6 千瓦时。预留 20% 的缓冲能耗，使室温下可用能耗达到 7.2 千瓦时。这只是初始值，并非最终结果。
低温降额和加热器耗电量会影响实际数值。在 0°C (32°F) 时，电池组可提供约 80% 的额定容量，因此室温下的容量除以 0.8 后约为 9 kWh。更冷的环境会使损失更大；电池大学报告称，在 -18°C (0°F) 时，容量约为 50%。一个 100 W 的恒温加热器在 72 小时的断电期间运行，会增加 7.2 kWh 的耗电量，几乎使需求翻倍。设计人员随后会检查恢复情况：电池管理系统 (BMS) 会在 0°C (32°F) 以下阻止充电，因此只有在加热器将电池加热后才会开始充电。因此，寒冷天气备用电池需要一个容量足以满足断电所需能量加上加热器所需能量的电池组，以及一个适用于低温环境的充电器。
5.2 通过重复停电测试进行验证
只有经过现场测试验证，基准测试才能证明其有效性。验证过程遵循固定的步骤：
将包装袋在预计最低使用温度下进行冷浸。
在整个停电期间，按测量负载（包括加热器负载）进行放电。
在相同的低温条件下充电，并记录充满电所需的时间。
在电池组充满电之前开始第二次放电。
确认运行时目标在第二个事件中仍然成立。
如果一个电池组通过了第二步但没通过第五步，则需要更大的可用容量、更大的加热器或更温暖的隔间。每种改进方法都会增加能源消耗，因此应在统一的热预算下进行比较。
从初稿到最终版本，容量计算公式始终保持不变：可用能量等于负载功率乘以运行时间，再除以低温降额系数，再加上一个缓冲值。寒冷天气电池备用系统还需要第二个系数：恢复验证。低温降额系数涵盖了断电期间的情况。恢复计划则涵盖了断电后的几个小时，因为在 0°C (32°F) 时，充电截止时间会延迟下一次充满电。
工程师应将运行时间和恢复时间视为两项独立的设计检查。即使电池组通过了一次放电测试，也可能在第二次断电测试中失效。部署前进行重复断电测试可以弥补这一缺陷。电池化学成分的选择应根据现场的温度、循环寿命和合规性要求而定，而不是采用单一的默认值。
常见问题解答
低温如何影响锂电池组的可用容量？
锂电池组的能量输出会随着温度降低而减少。文章指出，在 0°C (32°F) 时，电池组可能只能提供额定容量的 80% 左右；而在 -18°C (0°F) 时，则可能只有 50% 左右。设计人员应根据场地预计的最低浸泡温度（而非温和冬季的平均温度）来确定降额系数。
为什么单次放电测试无法证明其具备抵御寒冷天气的能力？
一次放电测试只能确认运行时间。冬季暴风雪通常会导致电池组在充满电前再次断电。有效的测试方法是：先将电池组进行低温浸泡，然后在设定的负载下放电，接着在低温下充电，最后在充满电前进行第二次放电。
供暖负荷如何影响能源预算？
在最冷的时段，恒温加热器会被视为持续负荷。在示例中，一台 100 瓦的加热器在 72 小时的停电期间会增加 7.2 千瓦时的电量，几乎使需求翻倍。设计人员在设计储能系统时，应将停电期间的能耗加上加热器的能耗都考虑在内。
32°F (0°C) 电荷截止值在恢复过程中起什么作用？
大多数锂电池组在 0°C (32°F) 时会停止充电。只有当加热器将电池温度加热到高于该温度时，充电计时器才会开始计时。工程师应将此截止温度视为硬性限制，并根据低温环境对充电器进行额定值。
哪种锂化学体系适合用于寒冷环境下的控制柜？
化学成分的选择应符合现场的温度、循环寿命和合规性要求。磷酸铁锂电池（LiFePO4）循环次数高，适用于频繁循环的户外机柜；而镍钴锰酸锂电池（NMC）在空间有限的情况下可提供更高的比能量。C1D2 级磷酸铁锂电池组适用于危险场所的工业级 UPS 应用。
