助力數(shù)據(jù)中心安全低碳發(fā)展的蓄電池資源池技術(shù)

韓振東，劉軍星（.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團有限公司，北京 00033；.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

0 背景

鉛酸蓄電池是數(shù)據(jù)中心中使用最多的備電電源，具有性價比高、功率特性好、高低溫性能優(yōu)越、運行安全可靠等優(yōu)點，但使用過后的廢舊鉛酸蓄電池因含鉛及鉛酸液等物質(zhì)，可能導致大氣、水體、土壤嚴重污染，對環(huán)境造成嚴重危害，被國家列為危險廢物。因此，提升蓄電池的能效、延長使用期限，有助于數(shù)據(jù)中心的降本增效和綠色低碳發(fā)展。

在數(shù)據(jù)中心和通信機房的電源系統(tǒng)建設(shè)中，無論是UPS 還是高壓直流，都需要使用蓄電池組作為備電保障。蓄電池組掛在直流母線上，長期運行在浮充狀態(tài)，電源側(cè)一旦斷電，則蓄電池通過逆變器（高壓直流無需逆變環(huán)節(jié)）0 s 接入，保證對后端IT 負荷的不間斷供電［1］。目前數(shù)據(jù)中心和通信機房內(nèi)一般使用的是鉛酸蓄電池組，根據(jù)《通信電源設(shè)備安裝工程規(guī)范》（GB51194?2016）要求，并聯(lián)的蓄電池組需要滿足同一廠家、同一時期的要求［2］。在建設(shè)初期蓄電池組一般按照近期負載需求配置，但主設(shè)備在蓄電池組投入初期幾年內(nèi)一般為輕載運行，部分蓄電池組較長一段時期內(nèi)除了維護周期試驗外均為小電流充放，容量沒有被充分使用。按照目前的技術(shù)手段，在蓄電池到更換年限時，并不容易判別其實際健康情況，如果依據(jù)長期輕載的運行狀況進行超期服役，則有可能降低系統(tǒng)安全性，如果按期進行更換，則有可能造成浪費。因此，除了對蓄電池進行健康度評價方面的研究，本文還進行了蓄電池組資源池技術(shù)的研究，將新舊程度不一的蓄電池組進行混用，提高蓄電池組的投資有效性。

近幾年，通信基站中已經(jīng)出現(xiàn)了用于新舊電池混用的管理設(shè)備，如電池合路器，與基站中的開關(guān)電源配套使用，傳統(tǒng)通信基站備電通常采用2 組48 V 鉛酸蓄電池［3］，放電電流較小。而數(shù)據(jù)中心中的蓄電池組電壓等級在240 V 或480 V，采用2 組及以上配置，一般備電時間要求是單邊15 min 或是系統(tǒng)30 min［4］，要求短時間大電流放電，對蓄電池資源池控制器設(shè)備的要求更加嚴苛，目前還沒有相關(guān)的產(chǎn)品在數(shù)據(jù)中心中使用，存在技術(shù)空白。因此，本文對數(shù)據(jù)中心使用的大容量、大電流放電的蓄電池組進行研究，采用蓄電池資源池技術(shù)，保證數(shù)據(jù)中心UPS 備電蓄電池組的新舊混用安全性。

1 蓄電池資源池技術(shù)的特點

1.1 資源池技術(shù)的作用

新舊鉛酸電池組直接并聯(lián)使用存在風險，主要是新舊電池組內(nèi)阻不一致，容易形成電池組間的環(huán)流，導致新電池性能衰減較快。并且新舊電池組并聯(lián)存在偏流情況，造成系統(tǒng)運行時只有單組電池工作，影響蓄電池組使用壽命［5］。當新舊電池串聯(lián)使用時，如有負載電流，新電池提供的電流還要在舊電池的大內(nèi)阻上作消耗，增加新電池容量的損失［6］。

蓄電池資源池技術(shù)可以將不同批次、不同年限、同容量不同健康程度的新舊鉛酸蓄電池組進行混用形成電池資源池，使用控制器設(shè)備進行管理，使多組蓄電池在工作過程中安全可靠地運行。同時，根據(jù)配電系統(tǒng)的擴容、電池老化或損壞的程度等情況，實現(xiàn)靈活擴容、補充或更換電池，增強現(xiàn)有電源適應(yīng)差異蓄電池組共用的能力，延長蓄電池使用期限，提升存量蓄電池可用率，從而實現(xiàn)蓄電池精準投入，降本增效［7］。

蓄電池資源池技術(shù)關(guān)鍵點是綜合控制器，通過對備電系統(tǒng)的多組蓄電池進行綜合控制和隔離管理，可以解決多組差異蓄電池不能并聯(lián)使用的問題，實現(xiàn)新舊電池的有效整合，并做到電池容量的滾動擴容［8］。該技術(shù)具有下述功能。

a）充電管理：對多組蓄電池進行獨立充電管理，對于不同批次、不同年限和健康程度有差異的鉛酸蓄電池組能夠做到每組蓄電池組按照最大容量充滿電。

b）放電管理：采用自然下垂式的放電方式，可以優(yōu)先將高容量的電池組放電，最大化地使用蓄電池組的容量，保證UPS系統(tǒng)的備電時間。

c）在線式維護：可以在不斷電的情況下，靈活地更換電池組，提高使用效率，減少運維成本，提質(zhì)增效。

d）單體電池的管理：蓄電池資源池控制器設(shè)備除了對電池組的管理外，配套單體電池管理系統(tǒng)，在線監(jiān)測單體電池電壓、單體電池溫度、組壓、充放電電流和環(huán)境溫度，同時具有主動均衡功能，通過控制單體電池的電壓來保證電池間電壓一致性，降低容量損失。

e）告警管理：對蓄電池組中出現(xiàn)的過壓過流、欠壓、短路、過溫等故障，會有報警指示和反饋，并根據(jù)保護限值的設(shè)定，自動將故障設(shè)備脫離系統(tǒng)隔離，預(yù)防故障擴大化。

f）數(shù)據(jù)存儲：使用內(nèi)置SD 卡進行數(shù)據(jù)記錄功能，對蓄電池的歷史告警故障信息和參數(shù)信息進行保存，并通過CAN/RS485 將數(shù)據(jù)上傳到主控中，方便維護人員查看記錄。

1.2 蓄電池資源池技術(shù)方案

蓄電池資源池的控制器工作原理是通過主動調(diào)整輸出電壓對接入的蓄電池組進行主動控制，在設(shè)備設(shè)計方面考慮到數(shù)據(jù)中心UPS 系統(tǒng)備電蓄電池組容量較大，放電過程中會出現(xiàn)短時間大電流放電的情況，對放電主動管理在對器件的選型和安全性考量方面有很高的要求。同時受到資源池內(nèi)相對老化的電池組自身特性的影響，在放電管理中不易進行控制，充放電管理的方式使得產(chǎn)品的成本和設(shè)計難度大大提升。

資源池內(nèi)新舊電池組混用時，因舊電池容量小，內(nèi)阻大，如果不進行主動控制，舊電池容量在充滿后，新電池會停止充電，導致新電池的性能會受到舊電池的直接影響，因此，在充電階段必須進行主動控制管理。在放電階段，因容量高的蓄電池組先進行放電，在電壓與舊電池電壓相等后，并聯(lián)新舊電池組會同時放電，舊電池組因內(nèi)阻高，放電電流相對較小，但不會影響到新電池組的性能。因此可以采用單獨的充電管理、自然下垂放電的方式，充、放電回路獨立，在放電回路設(shè)計防逆流二極管，防止出現(xiàn)倒灌的情況，實現(xiàn)新舊電池組并聯(lián)使用，產(chǎn)品的成本得到有效的控制，也確保產(chǎn)品在市場上具有應(yīng)用價值。

蓄電池資源池技術(shù)中使用的控制器由DC/DC 模塊和控制單元組成。DC/DC 模塊通過主動調(diào)整輸出電壓，實現(xiàn)對接入電池充電的主動控制；DSP（Digital Signal Processor）控制單元根據(jù)預(yù)設(shè)的每組蓄電池充電、放電參數(shù)，對蓄電池組的充、放電過程進行管理和控制［9］。該控制器能夠有效監(jiān)測UPS 充電器電壓、蓄電池組的總電壓、充電電流、溫度等具體參數(shù)，并根據(jù)采樣數(shù)據(jù)對電池進行充電管理；同時，該模塊可以通過通信口與顯示屏、電池管理系統(tǒng)、控制器之間、與外部系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通；還具有過壓、欠壓、過流、短路等多重保護，確?？刂破鞯姆€(wěn)定可靠，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 蓄電池資源池技術(shù)原理框圖

該設(shè)備安裝在UPS 母線和蓄電池組之間，如圖2所示，同傳統(tǒng)架構(gòu)相比，可以對每組蓄電池進行獨立管理，保障在某一組蓄電池出現(xiàn)衰減嚴重或單體故障后，不會影響到其他蓄電池組的正常充電，延長整體蓄電池組的使用壽命，減少系統(tǒng)容量損失。

圖2 傳統(tǒng)UPS備電蓄電池組架構(gòu)圖（左）和蓄電池資源池設(shè)備架構(gòu)圖（右）

除此之外，增加了對蓄電池組單體電池的監(jiān)控管理，如圖3 所示，同現(xiàn)有的單體電池檢測不同，不僅對單體電池做數(shù)據(jù)采集和報警功能，同時，可以通過智能均衡控制策略，管理單體電池電壓，保證蓄電池組中單體電池電壓一致性，減少容量損失。

圖3 單體電池管理原理圖

TA 模塊接入單體電池電芯，對電池的電壓、溫度進行檢測，將數(shù)據(jù)通過通信接口上傳至收斂模塊；模塊中設(shè)計的均衡電路，進行主動均衡管理，提高蓄電池組中電池電壓一致性。同時，設(shè)計過溫，均衡失效等多重保護電路，確保均衡功能的穩(wěn)定可靠。

TC模塊收集蓄電池組的充放電電流和環(huán)境溫度，通過CAN口和收斂模塊通信。

收斂模塊可以從TA 模塊中逐一讀取各單體電池電壓、溫度值，并進行分析處理，作為單體電池管理的控制單元，外接顯示屏可以實時查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史記錄，能夠手動設(shè)置運行參數(shù)和參數(shù)上下限值，具備自動告警系統(tǒng)，配置LED 和蜂鳴器，并配有通信接口可以接入上位機和UPS系統(tǒng)中。

1.3 蓄電池資源池技術(shù)的效益分析

在數(shù)據(jù)中心建設(shè)初期，備電蓄電池組容量通常是按照IT 設(shè)備近期負荷進行配置，但是在實際運行中，前2 年一般會由于業(yè)務(wù)增長較緩，IT 負載率會有30%左右的情況，不會很快達到系統(tǒng)近期負載，此時備電蓄電池組將有一半多容量實際沒有使用。即使隨著負荷需求的提高，在4 年內(nèi)配置的蓄電池組也會有部分容量沒有充分使用，考慮到對鉛酸蓄電池的設(shè)計，目前鉛酸蓄電池的壽命普遍為4～6年。按照現(xiàn)在運維情況，需要在電池壽命臨期后將所有蓄電池組進行更換，這導致有近一半蓄電池在未完全使用的前提下進行報廢處理。

業(yè)界對舊電池的處理方法一般有如下2種。

a）舊電池直接報廢，由電池廠家回收。

b）通過人工配組，將電池按不同廠家、不同容量進行配對，對部分舊電池進行重復使用。

以上2種方式，都會帶來較大的投資成本浪費，增加了人力投入，不符合數(shù)據(jù)中心以經(jīng)濟效益為目標的建設(shè)要求。

以數(shù)據(jù)中心目前常用的500 kVA UPS 2N 系統(tǒng)為例，要單臺滿足15 min 備電時間，則需配置2 組12 V/200 Ah的鉛酸蓄電池，蓄電池投資大概為14萬元。一個IT 設(shè)備功耗為12 000 kW 的數(shù)據(jù)中心，大概需要建設(shè)60 臺左右500 kVA UPS，需配置蓄電池組120 組。從表1 可以看出，在實際運行期間，UPS 系統(tǒng)近3 年內(nèi)的負荷率在50%以下，此時只需要一組蓄電池進行備電即可滿足備電時長要求；隨著UPS 負荷逐年增加，大概在4年以后，需要2組蓄電池進行備電。

表1 單臺500 kVA UPS系統(tǒng)配置情況

假設(shè)在上述數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，有以下2 種擬定的理論場景，見表2、表3。

表2 經(jīng)濟效益投入產(chǎn)出場景1

表3 經(jīng)濟效益投入產(chǎn)出場景2

場景1：前期120 組蓄電池組需要投資840 萬元，4年以后需淘汰部分蓄電池組，其中包含了容量未充足使用的蓄電池組，但是因為不能新舊電池直接混用，所以當一組蓄電池報廢時，與其并聯(lián)的另外一組電池同樣需要報廢，報廢產(chǎn)生的費用預(yù)估為95 萬，后新建蓄電池組的費用約需要504 萬元，考慮安裝工程費用的整體投資為1 564萬元。

場景2：使用蓄電池資源池控制器，前期可以根據(jù)實際負荷配置60 組蓄電池，則僅需投資420 萬元，并配上蓄電池資源池控制器，投資大概為125萬元。4年以后需淘汰部分蓄電池組，報廢產(chǎn)生的費用預(yù)估為24萬，后在新建蓄電池組中除了替換報廢電池外，也需要配置UPS 滿載后的備電蓄電池組，因此新建投資為546 萬，并配上蓄電池資源池控制器，其投資成本大概為125 萬元，加上建安工程費用整體投資在1 348萬元。

通過2 種理論場景對比，場景1 在前期投資大，4年后報廢電池成本較高，沒有充分使用蓄電池組的容量。場景2 相對于場景1，無論是前期投資或后期處理，成本均有減少，結(jié)合2 種場景擬定的數(shù)據(jù)，場景2項目可節(jié)省13.8%的投資，不僅充分利用了蓄電池容量，在效益上也有明顯的優(yōu)勢。

因此使用蓄電池資源池技術(shù)，可以根據(jù)UPS 負載情況，在近期按需配置備電蓄電池組，在系統(tǒng)負荷需求提高到50%以上后，把舊電池組和新電池組共同接入蓄電池資源池控制模塊，既延長舊電池組的使用年限，充分利用電池容量，也在投資中節(jié)省了建設(shè)成本，減少資源浪費，確保經(jīng)濟效益最大化。

2 蓄電池資源池技術(shù)的應(yīng)用場景

2.1 場景1：新建電池組

在UPS 系統(tǒng)或HVDC 新建時，按照近期的系統(tǒng)負荷需求配置滿足備電時間的鉛酸蓄電池組，配套接入蓄電池資源池控制器模塊，可以通過主動均衡控制，動態(tài)調(diào)整單體電池電壓的一致性，減少容量損失，并且通過對不同蓄電池組進行獨立充放電管理，確保了單組蓄電池的穩(wěn)定性，延長電池的使用時間。在后期負荷提升需要擴容時，可以實現(xiàn)在線式擴容，減少改造投資，提質(zhì)增效。

2.2 場景2：故障電池組更換

在UPS系統(tǒng)或HVDC的備電蓄電池組中出現(xiàn)了一組蓄電池故障損壞情況后，可以根據(jù)備電時間新增一套鉛酸蓄電池組，將原有電池組和新增電池組接入蓄電池資源池控制器模塊中，再退運故障蓄電池組，使用資源池控制技術(shù)進行綜合控制管理。

3 結(jié)論

數(shù)據(jù)中心和通信機房建設(shè)應(yīng)以經(jīng)濟效益為目標，統(tǒng)一規(guī)劃、分期建設(shè)，采用標準化、模塊化思路，按需投產(chǎn)、靈活部署，確保經(jīng)濟效益最大化。在電源系統(tǒng)建設(shè)中，鉛酸蓄電池作為必不可少的一部分，需要在保證安全可靠使用的前提下，兼顧投資經(jīng)濟性。蓄電池資源池技術(shù)可以將蓄電池的容量充分使用，并且其在線監(jiān)測、告警管理和數(shù)據(jù)記錄等功能，能夠為現(xiàn)場維護人員提供支撐，方便后期對蓄電池組的更換和擴容，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。目前蓄電池資源池技術(shù)的控制器樣機已基本完成，經(jīng)過調(diào)試后將進行各種場景的運行試驗，相信未來可以幫助運營商在數(shù)據(jù)中心和通信機房建設(shè)中減少投資，在維護中減少人力成本，并且在環(huán)保和雙碳方面做出貢獻［10］。