數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)蓄電池技術(shù)分析

【摘要】蓄電池組是不間斷電源（UPS）系統(tǒng)的核心部件，是數(shù)據(jù)中心機(jī)房的重要電力保障單元。蓄電池技術(shù)的選取會(huì)對(duì)機(jī)房的設(shè)計(jì)布局、承重結(jié)構(gòu)以及投資成本等產(chǎn)生直接的影響。本文介紹了目前幾種主流的蓄電池技術(shù)，并從重量、空間、設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)和安全六個(gè)方面做了詳細(xì)的分析，充分研究了不同技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，能夠很好的指導(dǎo)實(shí)際的項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)施。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)中心；UPS；蓄電池

1.前言

隨著互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展的需求，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（即IDC）迅速發(fā)展起來。數(shù)據(jù)中心能為互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容提供商、企業(yè)、媒體和各類網(wǎng)站提供大規(guī)模、高質(zhì)量、安全可靠的服務(wù)。這些服務(wù)包括專業(yè)化的服務(wù)器托管、空間租用、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。可以說，IDC是互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中不可或缺的重要一環(huán)。隨著我國信息化戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等概念的出現(xiàn)，IDC的發(fā)展還有很大的空間。

I數(shù)據(jù)中心機(jī)房主要以服務(wù)器、路由器等IT設(shè)備為主，這些設(shè)備一般都使用220V交流電供電。為保障IDC設(shè)備供電的可靠性，通常機(jī)房會(huì)配備不間斷電源（UPS）系統(tǒng)為大量的IT設(shè)備提供不間斷的電源。蓄電池是UPS系統(tǒng)中的核心部件，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)UPS系統(tǒng)的可靠程度。

2.三種主要的蓄電池技術(shù)

蓄電池的種類一般分為鉛酸免維護(hù)電池、鎳鎘電池等。鉛酸蓄電池是目前世界上產(chǎn)量最大，用途最廣的一種電池。它具有良好的可逆性、電壓特性平穩(wěn)、使用壽命長、適用范圍廣、原材料豐富及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。主要應(yīng)用在交通運(yùn)輸、通訊、電力、鐵路、礦山、港口、國防、計(jì)算機(jī)、科研等國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。

目前，不間斷電源系統(tǒng)（UPS）所采用的基本上都是鉛酸蓄電池，本文也主要分析不同類型鉛酸蓄電池的優(yōu)劣。鉛酸蓄電池一般使用以下三種技術(shù)：

（1）富液式蓄電池：傳統(tǒng)鉛酸電池中，電池槽內(nèi)除去極板、隔板及其他固體組裝部件的剩余空間完全充滿硫酸電解液，電解液中的硫酸直接參與電池充放電反應(yīng)過程。由于電池極板完全浸泡在硫酸電解液中，電解液處于富余過量狀態(tài)，故被稱為富液式蓄電池。富液式蓄電池頂部有一個(gè)能夠通氣而又能夠阻擋液體濺出的蓋子，在使用過程中由于水分的蒸發(fā)和分解損失，需要定期將蓋子打開補(bǔ)加蒸餾水及調(diào)整電解液密度，所以習(xí)慣上也被稱為“開口式”蓄電池。

（2）閥控密封式蓄電池：與富液式蓄電池相對(duì)應(yīng)，如果蓄電池槽內(nèi)的剩余空間沒有被電解液完全充滿，極板沒有完全浸泡在電解液中；或者電池內(nèi)部的電解液全部吸附在隔膜和極板上，內(nèi)部沒有游離電解液，這類的電池就叫做閥控密封式鉛酸蓄電池（即VRLA蓄電池）。閥控密封式鉛酸蓄電池不會(huì)造成電解液溢出，無需添加勾兌電解液。

（3）插裝式電池模塊：即模塊化UPS用蓄電池。電池模塊使UPS電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有很大靈活性，甚至在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，使用者都可移除和安裝模塊而不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行及輸出。

3.蓄電池技術(shù)分析

針對(duì)上述的三種技術(shù)，應(yīng)該說市場上都有很多的應(yīng)用。對(duì)于數(shù)據(jù)中心機(jī)房的管理者來說，如何選擇恰當(dāng)蓄電池，既能滿足機(jī)房的實(shí)際應(yīng)用，又能在性能、安全、投資等多方面獲得均衡的考慮，這是接下來我們需要探討的問題。在具體選擇蓄電池技術(shù)時(shí)，我們可以從六個(gè)方面進(jìn)行思考，也許這樣會(huì)簡化抉擇的過程。這六個(gè)方面分別是：重量、占地空間、設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)和安全性。

3.1 重量

一般來說，鉛酸蓄電池自重都很大，應(yīng)充分考慮地板承重能力和日后的搬運(yùn)工作。如果計(jì)劃安裝的蓄電池不在機(jī)房的底樓地板上，則需要咨詢專業(yè)的建筑結(jié)構(gòu)工程師，以確保其它樓層的地板能夠承載此負(fù)重。

富液式蓄電池通常安裝在大型開放式機(jī)架中。這些蓄電池內(nèi)部填滿了電解液，因此一旦安放完畢，就很難移動(dòng)。通常搬運(yùn)工作需要借助叉車或蓄電池吊裝設(shè)備。與VRLA蓄電池或插裝式電池模塊相比，富液式蓄電池要重大約40%，并占用兩倍的空間。

VRLA蓄電池體積較小，它能夠在較小空間中能提供更多的電量。但是VRLA蓄電池通常直接安裝在機(jī)柜中，而機(jī)柜下方是承重的架空地板。因此，盡管自身重量較富液式蓄電池輕，但是承重架空地板承重能力也相應(yīng)的不如樓板那樣的強(qiáng)度。同樣的，VRLA蓄電池機(jī)柜一旦安裝到位，再改變位置將會(huì)是比較困難的。

插裝式電池模塊和VRLA蓄電池一樣，盡管自重較前兩種蓄電池輕，但也容易造成小面積上承載大重量的情況。不同的是，電池模塊可以很方便的安裝和拔出，所以如果需要，維護(hù)人員可以先拔下所有模塊，再移動(dòng)插裝式電池模塊機(jī)柜到新的位置。

特別需要指出的是，因?yàn)殚y控密封式蓄電池和插裝式電池模塊可以放置在IDC機(jī)房機(jī)柜中，所以必須充分考慮架空地板的承重能力。因此，工程實(shí)施前應(yīng)提前確定蓄電池的重量和所占面積等關(guān)鍵參數(shù)，避免超過架空地板承重造成安全隱患。通常的做法是在蓄電池所在位置和移動(dòng)的通道上，鋪設(shè)高承重性能的瓷磚、地臺(tái)或加固材料，提高架空地板的承重能力。

3.2 空間

眾所周知，數(shù)據(jù)中心機(jī)房是個(gè)高度集成化的地方，這就意味著機(jī)房內(nèi)的面積是十分寶貴的?，F(xiàn)代化的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)重點(diǎn)考慮數(shù)據(jù)中心的各種設(shè)備的占用空間，既要達(dá)到很高的利用率，發(fā)揮機(jī)房的最大效益，又要留有空間以備將來的擴(kuò)容升級(jí)。UPS系統(tǒng)是IDC機(jī)房的電力安全保障系統(tǒng)，占用了必不可少的面積。而蓄電池作為UPS的核心部件，它的體積大小將直接決定著UPS所占用的機(jī)房空間。

富液式蓄電池基于消防安全法規(guī)的考慮，需要配備可控蓄電池室。同時(shí)，相應(yīng)的防溢漏和維護(hù)也需要一定的空間才能保證。這些安全和維護(hù)要求都需要占用額外的機(jī)房空間以及投入的增加。

VLRA蓄電池內(nèi)電解液含量較低，而且維護(hù)所要求的空間相對(duì)較小。VLRA蓄電池不存在電解液溢出的情況，可以安全的配置在專門的UPS機(jī)柜中。與富液式蓄電池相比，VLRA蓄電池所占空間較小，維護(hù)成本也較低。

插裝式電池模塊不僅具備VRLA的全部優(yōu)勢，還由于可以插拔的特性帶來了更多的靈活性。特別的，電池模塊化后，大大減少了布線所需空間。另外，插裝式電池模塊及其機(jī)柜能較方便的隨著需求的改變而移動(dòng)和增減容量。

3.3 設(shè)計(jì)

富液式蓄電池按照相關(guān)的安全要求必須放置在專門蓄電池室中，并且配以專用通風(fēng)和防溢漏系統(tǒng)。所以，富液式蓄電池為滿足上述要求需要大量的工程設(shè)計(jì)，同時(shí)需要考慮各安全系統(tǒng)的配合協(xié)調(diào)。相比較而言，VRLA蓄電池以及插裝式電池模塊需要的工程設(shè)計(jì)量則比較小。

3.4 安裝

如3.1節(jié)所述，相對(duì)機(jī)房的其他設(shè)備而言，蓄電池重量很大，它的安裝和移動(dòng)需要充分考慮自身重量和承重地板，有時(shí)甚至需要借助機(jī)械設(shè)備才能移動(dòng)。

富液式蓄電池在發(fā)貨時(shí)未添加任何電解液，而一旦設(shè)備進(jìn)場，就必須嚴(yán)格遵循安裝注意事項(xiàng)。富液式蓄電池一般在開放式機(jī)架中現(xiàn)場連線，現(xiàn)場組裝。特別是當(dāng)添加電解液時(shí)，需要專業(yè)人員來進(jìn)行專門的操作。

VLRA蓄電池的安裝流程會(huì)視情況而有所不同。UPS生產(chǎn)商可以將這些蓄電池直接安裝在機(jī)柜中，作為UPS或蓄電池柜中的一個(gè)系統(tǒng)提供。VRLA蓄電池發(fā)貨時(shí)已充電，到達(dá)安裝機(jī)房時(shí)，電量為總?cè)萘康?0-90%。

插裝式電池模塊與上述蓄電池不同，由于電池是模塊化的，所以安裝也相對(duì)容易。工作人員只需按照安裝手冊將模塊安裝在模塊機(jī)柜中即可。

3.5 維護(hù)

蓄電池作為UPS核心部件，它的維護(hù)和監(jiān)控工作非常重要，這些工作影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命。

富液式蓄電池需要定期維護(hù)才能正常運(yùn)行。按照相關(guān)要求，富液式蓄電池系統(tǒng)需要進(jìn)行月檢、季檢和年檢。同時(shí)，為防止蓄電池變干，必須加液及測量每個(gè)蓄電池的比重。加液工作必須適時(shí)適量，否則蓄電池的性能和壽命就會(huì)受損。因此富液式蓄電池的維護(hù)專業(yè)性較強(qiáng)，需要經(jīng)過培訓(xùn)的維護(hù)人員才能勝任這樣的工作。

VRLA蓄電池一般來說是免維護(hù)的。但實(shí)際上，必要的監(jiān)控和維護(hù)還是十分必要的。配套的監(jiān)控系統(tǒng)，可以為維護(hù)人員提供蓄電池組的狀態(tài)信息，記錄蓄電池的運(yùn)行時(shí)間和健康狀態(tài)。通過分析這些數(shù)據(jù)，維護(hù)人員可以知道系統(tǒng)是不是處在正常狀態(tài)之中。

插裝式電池模塊同VRLA蓄電池一樣，無需特別的維護(hù)工作。當(dāng)然，維護(hù)人員也需要定時(shí)觀察插裝式電池模塊的監(jiān)控系統(tǒng)，特別是當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警提示時(shí)，迅速到達(dá)現(xiàn)場，更換故障模塊。由于電池模塊是可熱插拔的，所以在維護(hù)人員更換蓄電池期間，UPS系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。

3.6 安全性

用電安全是所有的數(shù)據(jù)中心機(jī)房的安全保障。蓄電池作為供電系統(tǒng)的一環(huán)，為機(jī)房技術(shù)系統(tǒng)提供大功率的電能，它的安全性至關(guān)重要。一般來說，需要重點(diǎn)防范來自兩方面的安全隱患。

（1）人員觸電：大容量的UPS系統(tǒng)會(huì)在一條總線上傳輸超過200V的直流電壓。這種強(qiáng)度的直流電壓是致命的，一旦發(fā)生人員觸電事件，輕者可能引起蓄電池系統(tǒng)離線，機(jī)房技術(shù)系統(tǒng)失電；重者極易造成傷亡事故。

（2）設(shè)備短路：蓄電池內(nèi)部阻抗低，會(huì)產(chǎn)生極高短路電流。如果發(fā)生短路，嚴(yán)重時(shí)蓄電池或其電極端子會(huì)發(fā)生瞬間的爆炸。

富液式蓄電池安放在開放式蓄電池機(jī)架中，開放空間利于維護(hù)，但同時(shí)也加大了觸電事件的幾率。蓄電池室應(yīng)提高安全等級(jí)并建立相應(yīng)的安全制度，只有專門的電池維護(hù)人員才能進(jìn)入。

VRLA蓄電池通常安裝在機(jī)柜中，因此，該機(jī)柜一定要配備機(jī)柜鑰匙。同樣的，只有授權(quán)的維護(hù)人員才能獲得鑰匙，按照維護(hù)制度打開機(jī)柜進(jìn)行維護(hù)。

插裝式電池模塊已封裝好，相對(duì)的觸電風(fēng)險(xiǎn)較低。維護(hù)人員在維護(hù)時(shí)只需遵守相關(guān)的安全規(guī)定即可。

4.結(jié)論

綜上所述，蓄電池是UPS系統(tǒng)的核心部件，是數(shù)據(jù)中心機(jī)房的重要電力保障單元。不同的蓄電池技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)中心有著不同的要求和影響。通過對(duì)蓄電池的重量、空間、設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)和安全性的綜合考慮，我們可以較全面的了解不同蓄電池技術(shù)的具體要求，也能夠更有針對(duì)性的指導(dǎo)UPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型工作。

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