数据中心UPS电池系统的设计方法

高利锋

（信华信技术股份有限公司，辽宁 大连 116085 ）

0 引 言

当市电输入正常时，不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）将市电经过整流、再逆变成交流电源后供应给IT设备（服务器计算设备、网络设备等）使用，同时对蓄电池进行充电[1]。当市电异常（计划或事故停电）时，UPS立即切换至电池供电模式，即将蓄电池储存的电能通过逆变器转换为交流电，持续向关键设备进行电力供应，保证其承载业务的安全运行。

蓄电池作为UPS供电系统的储能单元，是保障负载连续运行的基础。虽然蓄电池技术不断推陈出新，但阀控式密封铅酸蓄电池（Valve Regulated Lead Acid Battery，VRAL）仍然是数据中心UPS应用中最普遍的类型[2]。

1 阀控式铅酸蓄电池组成、类型、原理及特点

1.1 组 成

VRAL电池是由正负极板、吸附式超细玻璃纤维隔板（Absorbent Glass Mat，AGM）、正反连接条、电解液、安全阀和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（Acrylonitrile Butadiene Styrene plastic，ABS）外壳等零部件组成。正、负极板是由板栅和活性物质构成，其中正极板上的活性物质是二氧化铅（PbO2），负极板上的活性物质是海绵状金属铅（Pb）。电解液是用蒸馏水（H2O）和纯硫酸（H2SO4）按一定比例配置而成。

1.2 VRAL电池的类型

按照固定电解液技术识别，分为2种类型。

（1）凝胶电池。在这类型电池中，电解液分布在电池极板和隔板周围，添加一种凝胶增稠剂来防止其流动。凝胶电池常用于室外机柜和光伏发电。

（2）AGM电池。在这类型电池中，多孔透水的吸附式玻璃纤维隔板将极板隔开，以类似于海绵的方式吸附电解液。AGM相比凝胶电池更常见，适用于数据中心和网络机房等需要充分把控的环境[3]。

电池芯是VRAL电池构成中最小单位的电化学元件，由正极、负极和具有传输离子性能的电解液构成。电池芯的标称电压为2 V。单块电池（或电池单体）可装入一个或多个电池芯（常见的12 V单块电池有6个2 V电池芯）。电池块可以串联连接，达到设备运行所需的电压。同时，可以并联连接，达到更大的功率输出。

1.3 工作原理

与过去的富液电池不同，VRLA蓄电池的设计既防止气体释放（电气化学反应通常会产生的副产品），又防止外部空气进入。在铅酸蓄电池充电期间，一般会释放H2。在排气式电池中，H2会逸入大气中。而VRLA蓄电池使用的一个流程是将H和O重新结合，将水分损失减至最少。阀门可重复密封，只有当压力超过安全阈值时，才排出不能重新结合的气体[4]。

虽然VRLA电池电气化学反应过程与富液电池类似，但VRLA的不同之处在于正极释放O2到达负极并最终形成水的速率，其速率要比富液电池快几个数量级。因为不能加水，所以H和O重新结合生成水，对于VRLA电池的寿命和健康运行极为重要。任何会提高蒸发速度或失水速度的因素都将缩短电池寿命，其中包括蓄电池箱材料、工作或存储环境温度以及充电电流热失控等。

1.4 功能特点

随着技术的不断进步，VRAL电池的性能、生产工艺、产品构造等方面均有较明显的提升，与常规的铅酸蓄电池相比优点十分突出，主要体现在以下几个方面。

（1）蓄电池在使用过程中不需要添加蒸馏水、电解液等进行维护，不需要测试电解液的密度。

（2）蓄电池在充电过程中不会溢出酸性的气体，对附件的设备不会产生腐蚀作用，对安装在同一空间的设备较友好。

（3）蓄电池内的电解液不是以游离态存在，因此可以实现卧放、立放等多种更加灵活的安装形式。

（4）蓄电池的整体结构布局合理，可以做到更小的体积，功率密度更大。

（5）蓄电池可以采用积木模块化的安装方式，不仅减小了设备的占地面积，而且提高了空间利用率。

（6）蓄电池在充电全过程中均采用浮充电压的工作方式，使用浮充电压就可充满VRAL蓄电池电量，用电系统电压比较稳定[5]。

2 UPS电池系统的设计

标准化的UPS系统，主要包括有功率模块、电池模块、控制模块、保护和监控装置以及连接线缆。其中，电池系统经过UPS厂商设计并验证，充分考虑了各种参数指标，包括UPS性能、充放电特性、电池使用寿命、潜在故障类型、维护计划或安排以及环保性能等[6]。UPS电池系统的设计遵循标准步骤，具体如下。

2.1 选择并确定电池容量

选择并确定电池容量内容具体如下：详细的负载特性，如额定负载（kW）等；确定所需电池的后备时间；UPS特性，如逆变器效率、电池充电效率、标称直流电压等；电池规格，在蓄电池技术参数中确认浮充电压、截止电压、最大充电电压/放电电流等；电池的冗余设计对于电池系统可靠性尤其关键，如采用N、N+1还是2N模式。该设计步骤可反复进行，并持续优化，从而最终确定电池容量和配置[7]。

2.2 计算放电电流

为确保电池系统安全可靠运行，须分析电池的充放电参数。通常UPS电池充电线路会根据电池规格书的推荐而设置好数值较小的充电电流值。放电电流值则根据负载、负载功率因数、UPS逆变器效率和电池电压计算得到。其计算公式为

式中：PLoad表示等效UPS负载，kVA；PF表示负载功率因数；η表示UPS逆变器效率；Vbatt表示与电池电量状态相关联的电池电压。

2.3 选择线缆尺寸

电池系统中的导线包含电池块之间的接线、UPS和电池组间的各种导线。大型机架安装式电池须包含层间和通道间的各种导线。整个电池系统的阻抗应包含所有导线。设计标准是线缆上的电压降（电池与UPS相连位置的电压降）应不大于UPS直流电压的1%。通过分析最坏情况下的电池放电电流以及UPS和电池的间距，可计算出所需导线的最小截面积[8]。

2.4 计算短路电流

除了解电池的充放电状态外，还要分析短路情况，其原因是短路电流可能非常大。电池系统短路的等效电路如图1所示。

图1 电池等效电路

短路电流计算公式为

式中：Ebatt表示电池开路电压；Rbatt表示电池的内部等效电阻；Lbatt表示电池的内部等效电感；Lcomnined表示除电池外，整个系统的总电感；Rcomnined表示除电池外，整个系统的总电阻。

式（2）适用于所有UPS运行模式，可以利用该公式计算UPS主要运行模式下的短路电流。Ebatt和Rbatt随充电状态和电池健康状态而变化。当电池接近放电终止或日渐老化，其电压值会降低、电阻会增加，导致短路电流降低。如果短路电流值过低，可能无法打开保护断路器或快速熔断器，从而导致温度升高，甚至可能引发火灾[9]。设计电池系统时，应考虑电池和UPS性能，以便正确计算放电电流和短路电流，仅参考电池的规格书并不足以设计出安全可靠的电池系统。

2.5 选择保护器件

保护器件的电流-时间特性曲线如图2所示。图2中，实线为保护设备的理想电流-时间曲线，但短路电流随电池状态的不同而变化，虚线为非理想情况下的时间-电流曲线。曲线左侧部分表示正常运行区域，在该区域内，保护设备允许放电电流通过。曲线右侧部分表示异常区域，保护设备应该断开电池与UPS系统的连接。一般来说，短路时间持续时间应大约为几十毫秒，确保电池尽快与故障隔离。保护设备打开的时间越长，电池提供的故障电流和能量就越多，可能导致损坏设备，更有甚者会引发火灾。

图2 保护器件的电流-时间特性曲线

保护器件中的熔断器和热磁断路器是基于因过载或故障电流所引起的温度升高而动作的。因此，环境温度对这2种设备的触发特性都有影响。建议采用电子脱扣断路器，其不受环境温度影响[10]。

2.6 定制电池系统设计清单

数据中心负责人需考虑满足电气安全性、可靠性角度的前提条件下，在部署其自有的电池解决方案时，建议参考以下设计清单。遵循文中介绍的5个设计步骤，对关键设备进行严格的质量控制，包括UPS、电池、所选保护设备等，同时包含在系统装配期间的质量控制。在正常操作情况下，在蓄电池电量充满和放电终止时，分析并验证整个UPS系统的安全性。

4 结 论

在数据中心UPS的建设项目中，采用预制化的标准电池模块或厂商推荐的电池配置方案是工程上比较通用的做法。用户如果需要自行设计UPS电池解决方案，那么可以参考本文的设计方法，以确保系统的安全可靠。