目前,數據中心UPS配置的蓄電池主要是閥控式密封鉛酸蓄電池。文中對鉛酸蓄電池的選用原則、各類鉛酸蓄電池的對比、主要技術指標、使用壽命以及蓄電池的保護、安裝環境要求等做了簡單介紹,并以實例介紹了電池容量的計算方法。最后,簡述了UPS電池開關的設計和選型。

1 UPS配套蓄電池概述

UPS設備以及以它為核心的整個供電系統,是滿足數據中心供電質量的最核心部分,而蓄電池又是整個系統中最重要的組成之一,是整個供電系統的“最后一道屏障”。特別值得注意的是,在UPS系統的故障中,與蓄電池有關的原因占30%以上,因此對蓄電池設計、選配、維護等進行規范化有著重要的意義。

對蓄電池的基本原理、特性、選配原則、設計計算、安裝、維護等相關事宜給出指導性原則和規范,對延長蓄電池的使用壽命和確保數據機房UPS設備的安全穩定運行具有重大意義,最終保障UPS系統不停電功能的實現。

目前數據中心UPS配置的蓄電池主要是閥控式密封鉛酸電池(VRLA),但隨著電池技術的發展和完善,鋰電池和燃料電池也逐漸成為用戶的在未來的選擇之一。

數據中心UPS蓄電池的選擇和設計必須充分考慮到現代數據中心的特點和發展趨勢,并符合下述原則:

(1)短時間恒功率輸出特性卓越

卓越的短時間(通常≤30min)恒功率輸出特性,意味著在滿足相同負載后備時間要求下可減小電池的容量,從而降低蓄電池成本;或采用相同容量的電池配置,可增加UPS系統總后備時間。

(2)高能量密度

選配合適的電池類型和容量、設計合理的組裝結構,最優化的利用機房空間,提高蓄電池組的整體能量密度,有利于降低機房面積和成本。

(3)高穩定性

蓄電池在有效壽命期間內,應有較低的故障率,盡量避免因個別蓄電池的故障或突然失效而造成的維修或更換,這對整個蓄電池系統的后期安全穩定具有重大意義。

(4)防火阻燃

數據中心的UPS電池外殼塑料材質應滿足V0級阻燃標準,電池端子、連接件及輸出母線端子所有裸露金屬部分應全部做絕緣保護處理,電池架需接地。

(5)一致性

數據中心UPS電池組的各單體的容量、開路電壓、浮充電壓等指標的一致性應符合相關標準。

(6)抗震性

數據中心UPS電池組架設計滿足抗8級烈度要求,電池之間連接建議采用軟連接。

(7)便于安裝與擴容

蓄電池的模塊化結構設計及專用安裝工具的提供,可降低整體安裝成本。電池組擺放位置和電池組架的設計應預留后期擴容的位置需求。

(8)便于維護及更換

電池組擺放及維護通道的距離,應滿足日常維護及電池更換的要求。

(9)長使用壽命

數據中心UPS電池應有合理的使用壽命要求,過短的使用壽命將增加UPS系統的不穩定性及成本。

2 VRLA蓄電池的種類

作為后備用途的VRLA電池按單體電壓等級分為2V、6V、12V等系列。按固定電解液的方式可分為AGM(超細玻璃纖維)電池和GEL(膠體)電池,其對比分別見表1和表2。

　　3 蓄電池主要技術指標及使用壽命

(1)蓄電池主要技術指標

①正常工作條件

工作溫度:-15～+45℃;

蓄電池貯存溫度:5～+40℃;

相對濕度:≤90%(25℃);

②安裝方式

可滿足立式或臥式安裝條件。

蓄電池抗震加固應符合YD5096-2005《通信用電源設備抗地震性能檢測規范》的要求;

③蓄電池組按照“YD/T799-2010”規定的相關方法試驗,10h率容量第一次循環不低于0.95C10,在第三次循環應達到C10,3h和1h率的容量應分別在第四次和第五次以前達到,放電終止電壓應符合表3的規定;

④溫度特性

蓄電池在工作環境溫度為0℃時的容量應不低于該電池實際容量(25℃時的C10)的80%;

⑤容量保存率

蓄電池靜置28天后其容量保存率不低于96%;

⑥密封反應效率

蓄電池密封反應效率應不低于97%;

⑦蓄電池端電壓的均衡性

單體蓄電池和由若干個單體組成一體的組合蓄電池,其各電池間的開路電壓最高與最低差值不大于20mV(2V)、100mV(12V)。蓄電池組進入浮充狀態24h后,各蓄電池之間的端電壓差值不大于90mV(2V)、480mV(12V);

⑧電池連接條壓降

蓄電池按1h率電流放電,在兩只電池極柱根部測量的電池之間的連接條電壓降≤10mV;

⑨防酸霧性能

蓄電池在正常浮充工作過程中應無酸霧逸出;

⑩防爆性能

蓄電池在充電過程中遇有明火,內部應不引燃、不引爆;

阻燃性能

蓄電池殼、蓋應符合GB/T2408-1996中的第8.3.2FH-1(水平級)和第9.3.2FV-0(垂直級)的要求。電池連接線或電池連接片護套應選擇阻燃性材料;

氣密性

蓄電池應能承受50kPa的正壓或負壓而不破裂、不開膠,壓力釋放后殼體無殘余變形;安全閥要求蓄電池安全閥應具有自動開啟和自動關閉的功能,其開閥壓應是10～35kPa,閉閥壓應是3～15kPa。

蓄電池外觀不得有變形、漏液、裂紋及污跡,標志要清晰;

過放電性能要求

以C10電流放電至接近0V,短接24h,再用2.35V/單體恒壓限流C10充48h然后進行C10容量檢測,連續進行五次循環后蓄電池實放容量應不小于0.90C10實際容量(25℃時C10)。

(2)使用壽命

在電池的實際使用過程中,當電池的實際放電容量低于額定容量的80%,即認為該電池失效或壽命終止。

幾種典型的失效模式如下:

①板柵腐蝕

蓄電池正極板柵在浮充使用時會產生腐蝕,當腐蝕深度達到極板厚度的50%時,蓄電池壽命終止。同時在腐蝕過程中,正極板柵會產生變形和伸長,稱為正極板柵增長,導致板柵筋條斷裂,容量將完全喪失;

②負極板極耳和連接條(匯流條)腐蝕負極板極耳和連接條(匯流條)表面會因為氧氣再化合反應和電解液中的硫酸鹽雜質引起化學腐蝕。同時在高電流密度下放電時,負極很容易發生鈍化,使得電極表面變成孔隙小的致密層;

③失水干涸失水的原因有:

·過充電產生的氣體析出;

·從電池殼體中滲出水;

·板柵腐蝕消耗水;

·自放電損失水。

其中過充電造成的氣體析出是實際使用中電池失水干涸,造成電池容量下降的最主要原因。

④熱失控

若閥控鉛酸蓄電池長時間處于環境溫度過高或充電設備電壓失控的狀況下,會造成電池內部溫度過高,此時電池內阻下降,充電電流又會進一步升高,內阻進一步降低,如此反復形成惡性循環。

熱失控會使電池殼體嚴重變形、漲裂。為杜絕熱失控的發生,要采用相應的措施:

·充電設備應有溫度補償功能或限流功能;

·嚴格控制安全閥質量,以使電池內部氣體正常排出;

·蓄電池要設置在通風良好的位置,并控制電池溫度。

⑤負極硫酸鹽化

當蓄電池經常處于放電后擱置造成的充電不足或過放電時,負極就會逐漸形成一種粗大堅硬的硫酸鉛,用常規方法充電很難使它轉化為活性物質,從而減少了電池容量,甚至成為蓄電池壽命終止的原因,這種現象稱為“不可逆硫酸鹽化”。

4 電池容量計算方法

(1)恒功率法(查表法)

恒功率法(查表法)是UPS蓄電池容量計算的最常用方法。

蓄電池恒功率數據都來自于新電池試驗數據,恒功率法(查表法)并沒有考慮蓄電池的折舊以及溫度的變化,故該方法適用于UPS蓄電池運行環境穩定,且UPS負荷長時間在額定容量80%以下運行時選用。

①計算公式

恒功率法是能量守恒定律的體現,蓄電池提供的功率等于或大于負荷消耗的功率,即

P負荷≤P電池 (1)

式中,P電池--電池實際試驗的恒功率數據;

P 負荷--電池組提供的總功率,主要是負荷消耗的功率。

當以UPS為負荷時,P負荷可表示為

(2)

式中,P(VA)--UPS標稱容量(VA);

PF--UPS功率因數;

η--逆變器轉換效率。

每個電池單體需要提供的功率為

(3)

式中,Pnc--每個單體需要提供的功率;

n--機器配置的電池數量;

N—每節電池的單體電池數。如12V電池是由6個2V單體電池組成的,則N=6;

②計算實例

100kVA UPS,后備時間30min,計算電池配置。

首先確認參數要求:

·恒功率數據表(25℃,電池單體終止電壓Umin=1.70V);

·UPS的逆變效率η;

·UPS單組電池只數n。

查恒功率放電數據表(表4),可得到如下的配置方案:

　　由式(2)和式(3)可得

選用12NP100型蓄電池,查表(4),在Umin=1.70V,放電時間30min,單格恒功率為198W。

將P(VA)=100kVA=100×103VA、PF=0.8、N=6、n=36、η=0.95代入式(4)

得Pnc=390(W)

兩組12NP-100蓄電池(每組36只)恒功率198×2=396>390(W),滿足UPS運行30min的后備時間,或者選擇一組12NP-200蓄電池(每組36只)。

(2)估算法

該方法是和電力公式和蓄電池容量概念的體現。根據已經確定的UPS品牌及型號,可知蓄電池組最低電壓Umin。

①計算公式

式中，

C10—蓄電池10小時率容量;

KCh—容量換算系數(1/h),根據蓄電池不同、放電時率不同,在放電終止電壓下,電池的容量換算系數。

在UPS系統中,多數情況負荷容量是保持不變的,而電池組的功率隨著放電時間逐漸降低,根據P=UI可知,為提供恒定的負荷容量,電池組放電電流將逐漸增大。為了計算方便,我們選擇蓄電池組的最大工作電流為我們的計算數據。

具體計算如下:

式中,Imax--電池組提供最大電流;

Umin--電池組最低工作電壓值。

從估算法的計算公式可以看出,由于采用了電池組最低工作電壓值Umin,所以會導致要求的蓄電池組的安時容量偏大的情況。這是因為當蓄電池在剛放電時所需的放電電流明顯小于Imax的緣故。

按目前的使用經驗,可以在計算出C10值的基礎上再乘以0.75的校正系數;

②計算實例

100kVA的UPS,后備時間30min,計算電池配置。

根據公式計算如下:

將有關數據代入式(7)得

由式(6)可得C10=Imax/KCh=229÷0.9=255(Ah)

根據經驗還要乘以0.75的系數校正,結果C10=191(Ah),可選擇12NP-100電池2組或者1組12NP-200電池。

(3)電源法

該方法是在所介紹的UPS后備蓄電池容量計算方法中唯一標準(通信電源設備安裝工程設計規范YD/T5040-2005)支持的方法。該方法比估算法更全面考慮UPS電池在整個服役期間的電池狀態,在電池運行環境溫度變化較大時,更能準確計算出電池的容量。

①具體計算

上面兩式中,I—電池組電流(A);

Q—電池組容量(Ah);

PF—功率因數,取值0.8;

K—電池保險系數,取值1.25;

T—電池放電時間(h);

H—電池放電系數(見表5);

U—蓄電池放電時的輸出電壓(V)(單體電池電壓為1.85V);

A—電池溫度系數(1/℃),當放電小時率≥10時,取0.006,當1≤放電率<10時,取0.008,當放電率<1時,取0.01;

T—電池所在地最低環境溫度值,所在地有采暖設備時,按15℃考慮。無采暖設備時,按5℃考慮;

η—逆變器轉換效率。

此方法比較全面地考慮環境因素以及蓄電池容量衰減,UPS滿荷使用機率較大,以及重要使用場合選用此方法計算配置電池容量。

②計算實例

100kVA的UPS,后備時間30min,計算電池配置。

將P(VA)=100×103、PF=0.8、η=0.95、U=1.85、N=36、n=6一并代入式(8)得I=211(A)

將蓄電池終止電壓=1.75V,根據表5查得在放電時間為30min(0.5h)時,電池放電容量系數H=0.40以及I=211、K=1.25、T=0.5h、η=0.95、t=25℃代入式(9)得Q≥347(Ah)

結果需要2組12NP-200電池,每組36只。

5 UPS與蓄電池的連接與物理保護

(1)蓄電池內部連接線(連接板)

①連接線(連接板)截面積,要根據電池組最大放電電流進行配置。如4(1)節中的例子,100kVAUPS,后備時間15min,采用恒功率計算方法配置蓄電池時,通過計算可知,蓄電池的最大電流為230A,連接線(連接板)的截面積要滿足安全通過230A的電流;

②多組電池并聯時要考慮單組電池供電的極端情況。如100kVAUPS,后備時間15min,如果采用一組配置,連接線(連接板)的截面積要滿足安全通過230A的電流;若采用兩組配置,則每組的連接線(連接板)的截面積要滿足安全通過230A的電流;若采用三組配置,考慮到其中一組電池需要檢修退出系統時,其余兩組的連接線(連接板)的截面積總和要滿足安全通過230A的電流。

(2)蓄電池內部連接的物理保護

①連接線(連接板)應用絕緣護套和防銹鍍層,絕緣護套采用V0級阻燃材料,防銹鍍層可以采用鍍鋅等防銹處理方法;

②連接線(連接板)要求采用紫銅材料,紫銅材料的純度不低于99.90%。

6 蓄電池的安裝環境要求

(1)蓄電池布局要求

蓄電池組的布置應符合下列要求:

立放蓄電池組之間的走道凈寬不應小于單體電池寬度的1.5倍,最小不應小于0.8m;立放雙層布置的蓄電池組,其上下兩層之間的凈空間距離為單體電池高度的1.2～1.5倍;

立放雙列布置的蓄電池組,一組電池的兩列之間凈寬應滿足電池抗震架的結構要求;

立放蓄電池組側面與墻之間的次要走道凈寬不應小于0.8m;如為主要走道時,其凈寬不宜小于電池寬度的1.5倍,最小不應小于1m;立放單層雙列布置的蓄電池組可沿墻設置,其側面與墻之間的凈寬一般為0.1m;

立放蓄電池組一端靠墻設置時,列端電池與墻之間的凈寬一般不小于0.2m;

立放蓄電池組一端靠近機房出入口時,應留有主要走道,其凈寬一般為1.2～1.5m,最小不應小于1m;

臥放閥控式蓄電池組的側面之間的凈寬不應小于0.2m;

臥放閥控式蓄電池組的正面與墻之間,或正面與側面或背面之間的走道凈寬不應小于電池總高度的1.5倍,最小不應小于1.2m;

臥放閥控式蓄電池組的正面與墻之間的走道凈寬不應小于電池總高度的1.5倍,最小不應小于1m;

臥放閥控式蓄電池組可靠墻設置。其背面與墻之間的凈寬一般為0.1m,蓄電池組的側面與墻之間的凈寬不應小于0.2m。

(2)安裝場地要求

①蓄電池安裝地點應遠離熱源及可能產生火花的地方;

②電池組安裝距墻壁及其它設備的安全距離應遵照本章第(1)節的要求;

③蓄電池應安裝在通風良好陰涼的房間內,避免陽光直射;

④盡量避免安裝在空調出風口旁的位置;

⑤電池室應做通風設計,防止電池使用不當造成的易爆氣體聚集;

⑥蓄電池安裝地點不能有劇烈的震動源或碰撞沖擊源。

(3)蓄電池發熱量計算

蓄電池在充、放電過程中,恒溫是比較困難的,因為鉛酸蓄電池在充電和放電時都伴隨著熱效應,一是產生焦耳熱,另外是根據Gibbs-Helmholz方程式有吸熱或放熱,為克服兩極極化和電池內阻而損失的電壓降將全部轉化為熱量。

充電過程中蓄電池的內部的狀態一直處于變化中,所以發熱量的計算非常復雜。行業內各個電池廠家的共同研究測試,最終將蓄電池的發熱量計算公式簡化如下:

Q=I×U×N (10)

其中,

Q—蓄電池發熱功率,單位:W;

I—充電電流,單位:A;

U—充電電壓,單位:V;

N—蓄電池數量。

蓄電池在浮充狀態下,發熱量很小,可以忽略不計。在放電狀態下,由于是將蓄電池內的化學能轉化為電能,這一過程是吸熱過程,所以此時是不發熱的(吸收的熱量很小,可以忽略)。蓄電池的均充狀態又可以細分為兩部分:在均充的初期,由于此時充入的電能絕大部分都轉化為化學能在蓄電池中儲存起來,所以此時的發熱量也很小,可以忽略;在均充的后期,電能轉化為化學能的效率大大降低,此時會有較大的發熱量。

以2V500Ah的蓄電池為例,在均充的后期,一組蓄電池(384V)由192單體組成,均充電壓為2.35V,電流為2A,其發熱量為Q=I×U×N=2×2.35×192=902.4(W)

(4)排氫氣及排酸氣量計算

蓄電池在工作過程中,會有少量氫氣和酸氣(主要是SO2氣體)排出。氣體的排出量和環境溫度有關,溫度越高排出量就越大。蓄電池的排氫和排酸氣的量,影響條件復雜,至今沒有一個準確地計算方法。

目前的測試是依據IEC60896-2004的試驗方法,在實驗室條件下測量。測試結果為2mL/100Ah/h。

7 UPS電池開關的設計與選型

UPS的電池開關需要依據UPS的電氣參數及電池配置來選擇,電池開關應選擇直流斷路器。不同品牌不同型號的UPS,其電池的配置節數通常是不一樣的,所以需要依據具體的UPS參數來進行電池開關放電電流的計算,放電電流的通用計算公式為

上式中的1.75為假定的單體電池放電保護電壓。這一計算出來的I電池值是所有電池組的總放電電流。

但是,數據中心UPS系統通常都配置有至少兩組以上的電池組并聯為UPS供電,最為常見的是配置三組蓄電池。此時,每一分組電池開關實際并不需要配置這么大,可以依據一組電池退出檢修時,恰逢市電中斷,余下的兩組電池需要承擔額定負載來選擇電池開關,因此可依據每一組電池開關的最大放電電流為I電池/2來選擇分組電池開關的容量,如總開關是1000A,則分開關可選擇500A。

除了每組電池開關以外,為了操作方便,通常數據中心UPS的蓄電池系統都需要配置一個總開關,這一開關的容量選擇可以依據I電池來選擇電池的總開關。由于1000A以下的直流開關一般都采用熱磁脫扣原理來實現短路保護,所以如果總開關再選用斷路器來保護,很難保證總開關與分組開關之間的保護選擇性,而且由于分組開關已經選用了直流斷路器,總開關選擇斷路器的短路保護功能基本沒有意義。所以建議,UPS的總電池開關選用具有自動跳閘功能的負荷開關來代替,不僅經濟,也具有更可靠的短路保護選擇性。

為了保持UPS應急狀態情況下能斷開電池總開關和在直流母線電壓沒有建立時禁止電池合閘,這一總開關需要配置脫扣線圈附件,常用的脫扣電壓可選的為AC/DC24/48/110V,根據具體選擇UPS的要求來定;同時應配置輔助觸點信號,以便UPS能監控電池總開關的狀態。

為了檢修電池方便與操作維護安全,這一電池開關應獨立成柜,并安裝在電池架或柜的一側。

8 結束語

對蓄電池的工作原理、特性、選配原則、設計計算、安裝、維護等諸多問題,應該有充分的了解,這對延長蓄電池的使用壽命,確保數據中心機房UPS設備的安全穩定運行是十分重要的。蓄電池的長壽命和穩定運行是實現UPS系統不停電功能的重要保證。