數(shù)據(jù)中心UPS電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

高利鋒

（信華信技術(shù)股份有限公司，遼寧 大連 116085 ）

0 引 言

當(dāng)市電輸入正常時(shí)，不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）將市電經(jīng)過(guò)整流、再逆變成交流電源后供應(yīng)給IT設(shè)備（服務(wù)器計(jì)算設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等）使用，同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電[1]。當(dāng)市電異常（計(jì)劃或事故停電）時(shí)，UPS立即切換至電池供電模式，即將蓄電池儲(chǔ)存的電能通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，持續(xù)向關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行電力供應(yīng)，保證其承載業(yè)務(wù)的安全運(yùn)行。

蓄電池作為UPS供電系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元，是保障負(fù)載連續(xù)運(yùn)行的基礎(chǔ)。雖然蓄電池技術(shù)不斷推陳出新，但閥控式密封鉛酸蓄電池（Valve Regulated Lead Acid Battery，VRAL）仍然是數(shù)據(jù)中心UPS應(yīng)用中最普遍的類(lèi)型[2]。

1 閥控式鉛酸蓄電池組成、類(lèi)型、原理及特點(diǎn)

1.1 組 成

VRAL電池是由正負(fù)極板、吸附式超細(xì)玻璃纖維隔板（Absorbent Glass Mat，AGM）、正反連接條、電解液、安全閥和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（Acrylonitrile Butadiene Styrene plastic，ABS）外殼等零部件組成。正、負(fù)極板是由板柵和活性物質(zhì)構(gòu)成，其中正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2），負(fù)極板上的活性物質(zhì)是海綿狀金屬鉛（Pb）。電解液是用蒸餾水（H2O）和純硫酸（H2SO4）按一定比例配置而成。

1.2 VRAL電池的類(lèi)型

按照固定電解液技術(shù)識(shí)別，分為2種類(lèi)型。

（1）凝膠電池。在這類(lèi)型電池中，電解液分布在電池極板和隔板周?chē)砑右环N凝膠增稠劑來(lái)防止其流動(dòng)。凝膠電池常用于室外機(jī)柜和光伏發(fā)電。

（2）AGM電池。在這類(lèi)型電池中，多孔透水的吸附式玻璃纖維隔板將極板隔開(kāi)，以類(lèi)似于海綿的方式吸附電解液。AGM相比凝膠電池更常見(jiàn)，適用于數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)機(jī)房等需要充分把控的環(huán)境[3]。

電池芯是VRAL電池構(gòu)成中最小單位的電化學(xué)元件，由正極、負(fù)極和具有傳輸離子性能的電解液構(gòu)成。電池芯的標(biāo)稱(chēng)電壓為2 V。單塊電池（或電池單體）可裝入一個(gè)或多個(gè)電池芯（常見(jiàn)的12 V單塊電池有6個(gè)2 V電池芯）。電池塊可以串聯(lián)連接，達(dá)到設(shè)備運(yùn)行所需的電壓。同時(shí)，可以并聯(lián)連接，達(dá)到更大的功率輸出。

1.3 工作原理

與過(guò)去的富液電池不同，VRLA蓄電池的設(shè)計(jì)既防止氣體釋放（電氣化學(xué)反應(yīng)通常會(huì)產(chǎn)生的副產(chǎn)品），又防止外部空氣進(jìn)入。在鉛酸蓄電池充電期間，一般會(huì)釋放H2。在排氣式電池中，H2會(huì)逸入大氣中。而VRLA蓄電池使用的一個(gè)流程是將H和O重新結(jié)合，將水分損失減至最少。閥門(mén)可重復(fù)密封，只有當(dāng)壓力超過(guò)安全閾值時(shí)，才排出不能重新結(jié)合的氣體[4]。

雖然VRLA電池電氣化學(xué)反應(yīng)過(guò)程與富液電池類(lèi)似，但VRLA的不同之處在于正極釋放O2到達(dá)負(fù)極并最終形成水的速率，其速率要比富液電池快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因?yàn)椴荒芗铀?，所以H和O重新結(jié)合生成水，對(duì)于VRLA電池的壽命和健康運(yùn)行極為重要。任何會(huì)提高蒸發(fā)速度或失水速度的因素都將縮短電池壽命，其中包括蓄電池箱材料、工作或存儲(chǔ)環(huán)境溫度以及充電電流熱失控等。

1.4 功能特點(diǎn)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，VRAL電池的性能、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品構(gòu)造等方面均有較明顯的提升，與常規(guī)的鉛酸蓄電池相比優(yōu)點(diǎn)十分突出，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）蓄電池在使用過(guò)程中不需要添加蒸餾水、電解液等進(jìn)行維護(hù)，不需要測(cè)試電解液的密度。

（2）蓄電池在充電過(guò)程中不會(huì)溢出酸性的氣體，對(duì)附件的設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生腐蝕作用，對(duì)安裝在同一空間的設(shè)備較友好。

（3）蓄電池內(nèi)的電解液不是以游離態(tài)存在，因此可以實(shí)現(xiàn)臥放、立放等多種更加靈活的安裝形式。

（4）蓄電池的整體結(jié)構(gòu)布局合理，可以做到更小的體積，功率密度更大。

（5）蓄電池可以采用積木模塊化的安裝方式，不僅減小了設(shè)備的占地面積，而且提高了空間利用率。

（6）蓄電池在充電全過(guò)程中均采用浮充電壓的工作方式，使用浮充電壓就可充滿VRAL蓄電池電量，用電系統(tǒng)電壓比較穩(wěn)定[5]。

2 UPS電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)化的UPS系統(tǒng)，主要包括有功率模塊、電池模塊、控制模塊、保護(hù)和監(jiān)控裝置以及連接線纜。其中，電池系統(tǒng)經(jīng)過(guò)UPS廠商設(shè)計(jì)并驗(yàn)證，充分考慮了各種參數(shù)指標(biāo)，包括UPS性能、充放電特性、電池使用壽命、潛在故障類(lèi)型、維護(hù)計(jì)劃或安排以及環(huán)保性能等[6]。UPS電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循標(biāo)準(zhǔn)步驟，具體如下。

2.1 選擇并確定電池容量

選擇并確定電池容量?jī)?nèi)容具體如下：詳細(xì)的負(fù)載特性，如額定負(fù)載（kW）等；確定所需電池的后備時(shí)間；UPS特性，如逆變器效率、電池充電效率、標(biāo)稱(chēng)直流電壓等；電池規(guī)格，在蓄電池技術(shù)參數(shù)中確認(rèn)浮充電壓、截止電壓、最大充電電壓/放電電流等；電池的冗余設(shè)計(jì)對(duì)于電池系統(tǒng)可靠性尤其關(guān)鍵，如采用N、N+1還是2N模式。該設(shè)計(jì)步驟可反復(fù)進(jìn)行，并持續(xù)優(yōu)化，從而最終確定電池容量和配置[7]。

2.2 計(jì)算放電電流

為確保電池系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，須分析電池的充放電參數(shù)。通常UPS電池充電線路會(huì)根據(jù)電池規(guī)格書(shū)的推薦而設(shè)置好數(shù)值較小的充電電流值。放電電流值則根據(jù)負(fù)載、負(fù)載功率因數(shù)、UPS逆變器效率和電池電壓計(jì)算得到。其計(jì)算公式為

式中：PLoad表示等效UPS負(fù)載，kVA；PF表示負(fù)載功率因數(shù)；η表示UPS逆變器效率；Vbatt表示與電池電量狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的電池電壓。

2.3 選擇線纜尺寸

電池系統(tǒng)中的導(dǎo)線包含電池塊之間的接線、UPS和電池組間的各種導(dǎo)線。大型機(jī)架安裝式電池須包含層間和通道間的各種導(dǎo)線。整個(gè)電池系統(tǒng)的阻抗應(yīng)包含所有導(dǎo)線。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是線纜上的電壓降（電池與UPS相連位置的電壓降）應(yīng)不大于UPS直流電壓的1%。通過(guò)分析最壞情況下的電池放電電流以及UPS和電池的間距，可計(jì)算出所需導(dǎo)線的最小截面積[8]。

2.4 計(jì)算短路電流

除了解電池的充放電狀態(tài)外，還要分析短路情況，其原因是短路電流可能非常大。電池系統(tǒng)短路的等效電路如圖1所示。

圖1 電池等效電路

短路電流計(jì)算公式為

式中：Ebatt表示電池開(kāi)路電壓；Rbatt表示電池的內(nèi)部等效電阻；Lbatt表示電池的內(nèi)部等效電感；Lcomnined表示除電池外，整個(gè)系統(tǒng)的總電感；Rcomnined表示除電池外，整個(gè)系統(tǒng)的總電阻。

式（2）適用于所有UPS運(yùn)行模式，可以利用該公式計(jì)算UPS主要運(yùn)行模式下的短路電流。Ebatt和Rbatt隨充電狀態(tài)和電池健康狀態(tài)而變化。當(dāng)電池接近放電終止或日漸老化，其電壓值會(huì)降低、電阻會(huì)增加，導(dǎo)致短路電流降低。如果短路電流值過(guò)低，可能無(wú)法打開(kāi)保護(hù)斷路器或快速熔斷器，從而導(dǎo)致溫度升高，甚至可能引發(fā)火災(zāi)[9]。設(shè)計(jì)電池系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮電池和UPS性能，以便正確計(jì)算放電電流和短路電流，僅參考電池的規(guī)格書(shū)并不足以設(shè)計(jì)出安全可靠的電池系統(tǒng)。

2.5 選擇保護(hù)器件

保護(hù)器件的電流-時(shí)間特性曲線如圖2所示。圖2中，實(shí)線為保護(hù)設(shè)備的理想電流-時(shí)間曲線，但短路電流隨電池狀態(tài)的不同而變化，虛線為非理想情況下的時(shí)間-電流曲線。曲線左側(cè)部分表示正常運(yùn)行區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，保護(hù)設(shè)備允許放電電流通過(guò)。曲線右側(cè)部分表示異常區(qū)域，保護(hù)設(shè)備應(yīng)該斷開(kāi)電池與UPS系統(tǒng)的連接。一般來(lái)說(shuō)，短路時(shí)間持續(xù)時(shí)間應(yīng)大約為幾十毫秒，確保電池盡快與故障隔離。保護(hù)設(shè)備打開(kāi)的時(shí)間越長(zhǎng)，電池提供的故障電流和能量就越多，可能導(dǎo)致?lián)p壞設(shè)備，更有甚者會(huì)引發(fā)火災(zāi)。

圖2 保護(hù)器件的電流-時(shí)間特性曲線

保護(hù)器件中的熔斷器和熱磁斷路器是基于因過(guò)載或故障電流所引起的溫度升高而動(dòng)作的。因此，環(huán)境溫度對(duì)這2種設(shè)備的觸發(fā)特性都有影響。建議采用電子脫扣斷路器，其不受環(huán)境溫度影響[10]。

2.6 定制電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)清單

數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)人需考慮滿足電氣安全性、可靠性角度的前提條件下，在部署其自有的電池解決方案時(shí)，建議參考以下設(shè)計(jì)清單。遵循文中介紹的5個(gè)設(shè)計(jì)步驟，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，包括UPS、電池、所選保護(hù)設(shè)備等，同時(shí)包含在系統(tǒng)裝配期間的質(zhì)量控制。在正常操作情況下，在蓄電池電量充滿和放電終止時(shí)，分析并驗(yàn)證整個(gè)UPS系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié) 論

在數(shù)據(jù)中心UPS的建設(shè)項(xiàng)目中，采用預(yù)制化的標(biāo)準(zhǔn)電池模塊或廠商推薦的電池配置方案是工程上比較通用的做法。用戶如果需要自行設(shè)計(jì)UPS電池解決方案，那么可以參考本文的設(shè)計(jì)方法，以確保系統(tǒng)的安全可靠。