UPS 电源电池性能与管理对信息系统运行的影响分析

陈恒民

（山东省济南市大众报业集团 信息技术部，山东 济南 250014）

数据网络中心机房配置安全性、稳定性和不间断UPS 电源供电至关重要，针对数据中心设备运行的特殊要求，需要使用净化后的无电磁干扰交流电。如今互联网快速发展，已融入到各行各业，这就不得不提到一个关键性问题，由于市电网供电的不稳定性，比如电压浪涌、尖峰、瞬变和跌落等会造成UPS 持续高压或者欠压甚至中断等停电问题，服务器等设备受到干扰，造成敏感线路板元器件受损、运行程序丢失和磁盘程序损坏等严重后果，会造成巨大的经济损失和社会不良影响。因此，采用UPS 电源供电受到重视，并逐渐发展成一种趋势。因为UPS 具备稳压、稳频、滤波、抗电磁和射频干扰以及防电压浪涌等功能，适合职能行业使用。如要确保核心机房中的服务器、光纤配置、交换机、监视和监控等设备的平稳安全运行，就要使用UPS 电源。

采用UPS 电源作为数据中心核心设备是平稳运行的前端支持，遇到市电突然中断时能自行检测、启动，瞬间将电池组直流电逆变输出，绝不会出现网络中断情况。UPS 主机有：主路、旁路、逆变、整流器、维修开关和电池组等输入电路。通过AC/DC 变换的整流器（REC）、逆变器进行变换，逆变器将电池组直流电转换成220 V交流电输出，实现不间断供电。输出持续、稳定、恒压、恒频率和无电磁干扰的净化后交流电提供给负载，成为最后一道支柱和保险问题。从性能上讲，UPS 可以在市电出现异常时，有效地化解问题。储能电池质量好坏、功率大小、界定维持运行时间长短，以及能否实现不间断供电，在配置和使用过程中被高度关注。为了实现这个逆变运行时间，如何选配电池，怎样进行维护和保养，确保信息网络设备的稳定高效运行，不会造成网络中断、数据丢失和电子元件损伤，这就需要加强管理，定期进行检测和维护保养，维持系统安全运行。

1 为什么UPS 电源电池不采用锂电池

为什么目前使用中的多数大中型UPS 电源用的是铅酸蓄电池，而不是锂电池？由于锂电他与铅酸蓄电池特性不同，充电曲线和回路不同，充电原理与不同品牌电源、不同型号也有不同，UPS 电源锂电池组设计了一个能控制过充过放的保护板BMS。假如锂电池按铅酸蓄电池方式，以一个电压及容量存一个单元（12V 100Ah）然后再按每个机房的电力需求进行并联组合，就会出现每个锂电池组BMS 之间已存在的电压与电量不同，在充电或放电状态会产生保护状况，出现无法使用现象。另外，重要原因是因为锂电池的成本比铅酸蓄电池的高，用户难以承受。考虑使用成本，应用范围不广。目前市场上锂电池UPS 大多数应用在一些性能要求比较高的特殊行业，主流还是使用铅酸蓄电池的UPS，锂电池要比传统铅酸蓄电池贵2~3 倍。铅酸蓄电池除了价格优势，其稳定性强，容量大，性价比高，最核心因素是铅酸电池可以浮充。现在的多数主机是不支持锂电池的，锂电池UPS 的市场份额占率比重非常小，厂家不想花费过多的人力物力去推广，所以导致市场上UPS 电池更多采用铅酸蓄电池而不是锂电池。最核心原因是锂电池太贵，相比较而言，锂电池相对于铅酸蓄电池的技术优势在UPS 应用中算不上“优势”，反而劣势却不少，因此优选低成本、技术成熟的铅酸蓄电池。

2 选用铅酸蓄电池的重要原因

2.1 铅酸蓄电池具备以下性能与优势

工业化生产时间最长、技术成熟且性能稳定可靠，适用性强。使用稀硫酸为电解液，无可燃性，通过常压或低压设计，安全性好;工作电压较高、运行温度范围较宽，可浮充电使用，浅充浅放电性能优异，适用于不间断UPS 电源，关键是大容量电池技术成熟。

2.2 成本优势

铅酸蓄电池的价格是锂离子电池或氢镍电池的1/3左右。铅酸蓄电池的主要成分为铅，是铅组成的化合物。铅含量高达电池总质量的60%以上，废旧电池的再利用率较高，回收价格占新电池价格的30%，所以铅酸蓄电池的使用成本更低。

2.3 再生利用优势

铅酸蓄电池组成简单，再生技术成熟，回收价值高，是最容易实现回收和再生利用的电池。我国废旧铅酸蓄电池的再利用率在90%以上。镉镍电池、氢镍电池和锂离子电池多为小型电池，且组成复杂，再生成本高，回收难度大，再利用难以实现市场化运营。特别是锂离子电池，多数国家尚未实现对其进行有效回收和再生。

3 根据需求和性能选配电池

3.1 选择型号

选配的型号、额定电压、额定容量和额定电流，适合匹配原蓄电池组。充分参照负载特性（阻性、感性、容性）及大小。铅酸蓄电池的实际可使用容量与放电电流大小、电压、内阻值、放电时间、温度、电池储存时间的长短、负载大小和性能等因素密切相关。品牌标称的寿命一般是指环境温度20°C 的情况下。

3.2 内阻

不同品牌的电池内阻差别很大，应选择内阻小的，这样才能持续大电流放电。假如内阻较大，在充放电过程中功耗加大，电池容易发热。定期检测各组电池的端电压和内阻。以12 V 单块电池来说，在检查中如果发现电池间的端电压差超过0.4 V 或内阻超过80 mΩ 时，需要及时对各单元电池进行均衡充电，以恢复电池的内阻和消除电池之间的端电压不平衡。均衡充电时充电电压取13.5～13.8 V 即可。经过均衡充电处理的电池大多数内阻值可以恢复到30 mΩ 以下[1]。

3.3 浮充电压

在同样环境和温度，浮充电压值高意味着储存能量大，性能差的电池浮充电压值普遍较小。随意采取提高浮充电压的做法毫无益处，蓄电池浮充电压值，在不同的环境时可适当采取措施加以改变。忌讳使用不同性能及容量和原蓄电池组不匹配的电池进行混装使用。依据电池使用情况和环境，做到及时巡检和更换，避免由此造成的后果[2]。

3.4 充放亏电压判断

首先，如果蓄电池长期处于电量充足的状态，称为亏电现象，容易产生电池出现自放电现象，如果长时间处于这种状态，会导致加速电池铅极板老化，造成蓄存容量降低，也会腐蚀电极缩短使用寿命，严重时会导致电池内阻增大，很容易让酸液发生变质。

其次，假如蓄电池外壳变形、漏液，就无法长时间供电，严重影响主机运行。发现这种现象，需要对电池组及时进行放电，轻则进行单块更换。操作时需要注意进行防护，放电有一定的危险性，操作不当可能会导致低压触电或者电弧灼伤，要谨慎操作。

3.5 充分利用智能化实现远程控制

目前多数大中型UPS 不间断电源具备远程操作功能，出厂时已提供操作软件，通过网络实现远程操作。查看设备运行状态，设置参数，对蓄电池组进行放电，减少人工操作，实现无人值守，相比人工操作更加安全。对于2 台并机运行的，也可以采取人工断开控制负载开关转移另一台的办法，分别实现单机电池组放电；利用远程操作功能，采取设置固定时间进行放电测试，配合维护和保养。根据供电和网络系统的实际情况，利用主机定时放电的功能进行操作效果更好；采取设置容量值放电，可以防止过度放电的现象，避免电池铅极板因过度放电导致软化，氧化堵塞极板的多孔结构出现变形，造成容量上升以后产生快速下降的现象；可使用提供的监控软件或者登录自带的管理端对主机和蓄电池组进行操作，对出现的问题及时采取措施加以防范；参数值设定后，主机会按时自动完成恒压限流放、充电过程，实现智能化运行。

3.6 免维护电池的认知

通常说的免维护铅酸蓄电池，不等于不维护，必须纠正认知。虽说免维护电池被普遍采用，只是免除了以往的量比、配比和定时添加蒸馏水的工作。室内环境对电池的影响没有改变，异常的工作状态对电池的影响没有改变。需要巡检，仍是非常重要的一项工作。主机引发的故障不是太多，电池引发故障率占1/3，按时巡检、维修及定期保养的工作内容仍然在电池组。

4 保养和检测操作注意事项

（1）首先要严格禁止在UPS 各个端口接带有感性的负载。

（2）接临时电源时，必须按要求保证所接的火线、零线、地线不能出现差错，不得随意改变相互的顺序。

（3）必须按开关机程序操作，避免突然加载和减载现象出现，造成蓄电池组输出电压波动大，导致主机无法运转和损伤元器件。切忌频繁关闭和开启蓄电池组，一般要求在关闭UPS 电源后等待几分钟再开启，否则会出现主机进入“启动失败”状态，产生既无市电输出又无逆变输出的现象。严格控制超载使用，电池的最大启动负载最好控制在75%，如果长期超载使用，在逆变状态，时常会击穿逆变器及整流器元件，无论何种原因都应谨慎增加负载。

（4）测试时注意主机对蓄电池组放电自身设有保护程序，当放电到保护关机后，电池能自动恢复到一定的电压，但是此时不允许开机，否则会造成电池过度放电，造成损伤，等到能正常重新充电后才能投入使用。检查显示面板参数，是否和运行情况一致，如有异常及时更改设置，遇到显示无黑屏及乱码现象时应尽快更换。

（5）定期检测双电源开关与逆变关联性能。每年需要采取人工检测和操作，对双电源控制开关进行测试，检测市电控制转换开关的灵敏性，采取突然分别断开电源开关A 和B 的方法，检测进线切换控制模块动作的准确性，确保切换动作无误。每年都要对主机系统切换模块进行检验测试，采取从电源进线分别断开市电A、B和旁路开关的方法，检测切换模块的转换功能是否准确的同时，也检验逆变器是否正常逆变转换[2]。

（6）运行环境和巡检的意义。因为UPS 电源产生大量热能，需要配备专用精密空调，保持室内温度20~24℃为宜。设定好湿度，避免湿度过大，对线路板造成损坏。严禁在机房堆放无关物品，影响通风。无阳光直射，无腐蚀性物品和易燃物品，保持洁净。查看并配备好消防报警设施，包含电话、烟感、温感和干粉甲烷。巡检时注意自身安全，定时检查主机和环境温度及制冷设备的运转情况，还要查看主机面板显示的电压、电流和负载等参数。检查电池外壳是否变形和漏液以及接线端子有无故障报警。

5 对网络中心机房运行的影响

由于谐波的产生，会使电压突变造成电子元器件损坏，出现紊乱现象，造成服务器数据丢失、误报警，甚至无法运行。假如UPS 净化质量下降，网络外的谐波容易从电源系统串入网络系统，为出现故障提供基础，只是累计的内谐波超指标还不足引发事故问题。出现此类现象一般以电磁干扰和接地回路问题居多，接地线回路给大量内谐波串入网络提供通道。首先内谐波指从UPS的输出端测得谐波功率，确定产生干扰源的位置，转换UPS 旁路，切换市电输出供网络系统运行。测试输入谐波，假如测得输出电源谐波含量达到30%，明显低于输出端指标，可以判断为内谐波含量超标，及时处理接地回路[3]。

UPS 主要功能是预防瞬间过压和瞬间电流高低、电涌、持续低电压、频率偏移、线路噪音和高压尖脉冲。当市电出现异常，直流回路供给DC-AC 逆变器，输出稳定的220 V 交流电压，同时市电经整流后对电池充电。遇到市电欠压或突然掉电，则由电池组通过逆变输出电能，瞬间逆变切换。当电池能量即将耗尽时，发出报警，并在电池放电极限点停止逆变器工作，持续报警。设有过载保护功能，当发生超载150%时，跳转到旁路状态，并在负载正常时自动返回。

为了实现防电磁干扰，艾默生500 KVA 和瑞士IMV200 KVA 系列采用PWM 脉宽调频技术、PIGBT 高功率器件、微处理器/从空技术，可单机或双机并联。具备电池测试、微机监控、可远程通信等功能。在机器构成上，元器件标准化、模块化及互换性能好；有宽电压输入、高效率输出和过载能力强等功能。

总之。蓄电池的优劣直接关系到整个UPS 供电系统的可靠程度，是重中之重。不管UPS 设计得有多么先进，功能多么齐备，一旦蓄电池失效，再好的UPS 也无法实现不间断供电。免维护铅酸蓄电池，设计寿命一般为3～5 a。使用期限还算比较长，做到隔2~3 个月放充电一次电激活的情况下，使用时间甚至更长，之后容量会明显降低，温度升高，内阻增大，此时就需要考虑更换电池。足以说明蓄电池是UPS 系统运行的最后屏障和一道保险，是网络中心机房运行的关键性基础，保障网络系统稳定运行。结论是，要做到以养代修，科学管理，避免数据中心机房因断电造成网络中断，产生不良影响。充分利用UPS 特殊性能，有效地发挥不间断供电作用，保持网络中心设备安全运行。