高利鋒

（信華信技術(shù)股份有限公司，遼寧 大連 116085 ）

0 引 言

當市電輸入正常時，不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）將市電經(jīng)過整流、再逆變成交流電源后供應給IT設(shè)備（服務器計算設(shè)備、網(wǎng)絡設(shè)備等）使用，同時對蓄電池進行充電[1]。當市電異常（計劃或事故停電）時，UPS立即切換至電池供電模式，即將蓄電池儲存的電能通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，持續(xù)向關(guān)鍵設(shè)備進行電力供應，保證其承載業(yè)務的安全運行。

蓄電池作為UPS供電系統(tǒng)的儲能單元，是保障負載連續(xù)運行的基礎(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應用中最普遍的類型[2]。

1 閥控式鉛酸蓄電池組成、類型、原理及特點

1.1 組 成

VRAL電池是由正負極板、吸附式超細玻璃纖維隔板（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電池的類型

按照固定電解液技術(shù)識別，分為2種類型。

（1）凝膠電池。在這類型電池中，電解液分布在電池極板和隔板周圍，添加一種凝膠增稠劑來防止其流動。凝膠電池常用于室外機柜和光伏發(fā)電。

（2）AGM電池。在這類型電池中，多孔透水的吸附式玻璃纖維隔板將極板隔開，以類似于海綿的方式吸附電解液。AGM相比凝膠電池更常見，適用于數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡機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元件，由正極、負極和具有傳輸離子性能的電解液構(gòu)成。電池芯的標稱電壓為2 V。單塊電池（或電池單體）可裝入一個或多個電池芯（常見的12 V單塊電池有6個2 V電池芯）。電池塊可以串聯(lián)連接，達到設(shè)備運行所需的電壓。同時，可以并聯(lián)連接，達到更大的功率輸出。

1.3 工作原理

與過去的富液電池不同，VRLA蓄電池的設(shè)計既防止氣體釋放（電氣化學反應通常會產(chǎn)生的副產(chǎn)品），又防止外部空氣進入。在鉛酸蓄電池充電期間，一般會釋放H2。在排氣式電池中，H2會逸入大氣中。而VRLA蓄電池使用的一個流程是將H和O重新結(jié)合，將水分損失減至最少。閥門可重復密封，只有當壓力超過安全閾值時，才排出不能重新結(jié)合的氣體[4]。

雖然VRLA電池電氣化學反應過程與富液電池類似，但VRLA的不同之處在于正極釋放O2到達負極并最終形成水的速率，其速率要比富液電池快幾個數(shù)量級。因為不能加水，所以H和O重新結(jié)合生成水，對于VRLA電池的壽命和健康運行極為重要。任何會提高蒸發(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、工作或存儲環(huán)境溫度以及充電電流熱失控等。

1.4 功能特點

隨著技術(shù)的不斷進步，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)點十分突出，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

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

（2）蓄電池在充電過程中不會溢出酸性的氣體，對附件的設(shè)備不會產(chǎn)生腐蝕作用，對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

標準化的UPS系統(tǒng)，主要包括有功率模塊、電池模塊、控制模塊、保護和監(jiān)控裝置以及連接線纜。其中，電池系統(tǒng)經(jīng)過UPS廠商設(shè)計并驗證，充分考慮了各種參數(shù)指標，包括UPS性能、充放電特性、電池使用壽命、潛在故障類型、維護計劃或安排以及環(huán)保性能等[6]。UPS電池系統(tǒng)的設(shè)計遵循標準步驟，具體如下。

2.1 選擇并確定電池容量

選擇并確定電池容量內(nèi)容具體如下：詳細的負載特性，如額定負載（kW）等；確定所需電池的后備時間；UPS特性，如逆變器效率、電池充電效率、標稱直流電壓等；電池規(guī)格，在蓄電池技術(shù)參數(shù)中確認浮充電壓、截止電壓、最大充電電壓/放電電流等；電池的冗余設(shè)計對于電池系統(tǒng)可靠性尤其關(guān)鍵，如采用N、N+1還是2N模式。該設(shè)計步驟可反復進行，并持續(xù)優(yōu)化，從而最終確定電池容量和配置[7]。

2.2 計算放電電流

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

式中：PLoad表示等效UPS負載，kVA；PF表示負載功率因數(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)中的導線包含電池塊之間的接線、UPS和電池組間的各種導線。大型機架安裝式電池須包含層間和通道間的各種導線。整個電池系統(tǒng)的阻抗應包含所有導線。設(shè)計標準是線纜上的電壓降（電池與UPS相連位置的電壓降）應不大于UPS直流電壓的1%。通過分析最壞情況下的電池放電電流以及UPS和電池的間距，可計算出所需導線的最小截面積[8]。

2.4 計算短路電流

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

短路電流計算公式為

式中：Ebatt表示電池開路電壓；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，整個系統(tǒng)的總電感；Rcomnined表示除電池外，整個系統(tǒng)的總電阻。

式（2）適用于所有UPS運行模式，可以利用該公式計算UPS主要運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。當電池接近放電終止或日漸老化，其電壓值會降低、電阻會增加，導致短路電流降低。如果短路電流值過低，可能無法打開保護斷路器或快速熔斷器，從而導致溫度升高，甚至可能引發(fā)火災[9]。設(shè)計電池系統(tǒng)時，應考慮電池和UPS性能，以便正確計算放電電流和短路電流，僅參考電池的規(guī)格書并不足以設(shè)計出安全可靠的電池系統(tǒng)。

2.5 選擇保護器件

保護器件的電流-時間特性曲線如圖2所示。圖2中，實線為保護設(shè)備的理想電流-時間曲線，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間-電流曲線。曲線左側(cè)部分表示正常運行區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，保護設(shè)備允許放電電流通過。曲線右側(cè)部分表示異常區(qū)域，保護設(shè)備應該斷開電池與UPS系統(tǒng)的連接。一般來說，短路時間持續(xù)時間應大約為幾十毫秒，確保電池盡快與故障隔離。保護設(shè)備打開的時間越長，電池提供的故障電流和能量就越多，可能導致?lián)p壞設(shè)備，更有甚者會引發(fā)火災。

圖2 保護器件的電流-時間特性曲線

保護器件中的熔斷器和熱磁斷路器是基于因過載或故障電流所引起的溫度升高而動作的。因此，環(huán)境溫度對這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)計清單

數(shù)據(jù)中心負責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，建議參考以下設(shè)計清單。遵循文中介紹的5個設(shè)計步驟，對關(guān)鍵設(shè)備進行嚴格的質(zhì)量控制，包括UPS、電池、所選保護設(shè)備等，同時包含在系統(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，分析并驗證整個UPS系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié) 論

在數(shù)據(jù)中心UPS的建設(shè)項目中，采用預制化的標準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UPS電池解決方案，那么可以參考本文的設(shè)計方法，以確保系統(tǒng)的安全可靠。