摘要：在当代数据中心供电系统中必须具备的备用能源有两种，一是备用柴油发电机（或完全独立的第二路市电），用于在主供电电网故障时继续维持数据中心正常运行；二是备用电池，用于在主供电电网故障后备用油机启动和切换时间内支持UPS继续向关键IT负载供电。

第1页:直流备用能源—蓄电池 第2页:交流备用能源--柴油发电机

　　数据中心供电系统实现不停电连续运行的最基本的条件是必须具备备用能源。在当代数据中心供电系统中必须具备的备用能源有两种，一是备用柴油发电机(或完全独立的第二路市电)，用于在主供电电网故障时继续维持数据中心正常运行;二是备用电池，用于在主供电电网故障后备用油机启动和切换时间内支持UPS继续向关键IT负载供电。本篇将对这两路备用能源的配置方法、设备选用要求和使用维护中的问题作全面的论述。

　　8.1 直流备用能源—蓄电池

　　在数据中心供电系统中，蓄电池是UPS设备的一部分，它的使用环境、充放电管理和维护都与UPS相关。

　　8.1.1 备用电池的特性和特征参数

　　(1) 电池容量

　　电池组的额定容量是在规定的放电率下得出的：

　　例如，12V、6Ah/10hr，此规格定义为输出直流电压12V，标称容量为6Ah，放电率条件为10hr。具体含意是：把输出直流电压12V的电池组置于以10h恒放电率条件下进行放电，一直放到其输出电压由12V降到允许下线电压(10.5V)时，所测到的总安时数应为6Ah。

　　(2)放电率对电池实际可输出容量的影响

　　图8.1为蓄电池典型的放电特性曲线，图中标的C为电池容量，C(Ah)等于放电电流(A)与电池电压达到下限值的放电时间(h)的乘积。

　　在实际使用时，其放电率并不等于标准容量规定的放电率，当实际放电率大于标称容量规定的放电率时，其实际输出的容量要小于标称容量。我国电力、邮电标准规定，10h率电池，当采用1h率放电时，其容量为标称容量的55%，即0.55C10。图8.1所示的放电曲线反映了不同的放电率对电池容量的影响。

　　由图8.1中曲线可知，电池的实际放电电流越小，电池的电压能维持的稳定时间越长，反之亦然。例如，对100Ah电池组而言，当放电电流为5A时，放电率为0.05C，其输出电压维持在12V以上的时间长达10h以上，当电池电压下降到临界电压10.5V时，放电时间可达20h，电池释放的容量基本上是它的标称容量。若将放电电流增大至100A，放电率为1C，则输出电压维持在12V以上的时间不到10min。当电池电压下降到临界电压时，可维持放电时间超过30min，实际放出的容量为58.3Ah左右，远低于标称容量100Ah。

　　图8.1 典型的电池放电特性曲线

　　从图8.1曲线还可看出，电池组允许的放电临界电压值和实际可供利用的容量(Ah)都与电池的放电电流大小有密切的关系，如表8.1所示数据。

　　表8.1 电池容量使用率与放电电流大小的关系(25℃)

放电率	放电时间（约计）	放电电流（A）	实际释放容（Ah）	容量使用率（%）
0.05C	20h	5	100	100
0.1C	9.6h	10	96	96
0.2C	4h	20	80	80
0.4C	1.8h	40	72	72
0.6C	62min	60	62	62
1C	35min	100	58.3	58.3
2C	14min	200	46.6	46.6
3C	8min	300	40	40

　　不同的放电率情况下，电池端电压下降的临界值也在变化，放电率低时，例如0.01C时，所允许的电池端电压下降也高(10.5V)，放电率大时例如1C，允许的电池端电压下降也可以低些(8V)。表8.2列出了这种关系。

　　表8.2 电池放电电流与放电终止电压的关系

放电电流（A）	放电终止电压（V/单体）	放电终止电压/额定电压（%）
I＜0.2C	1.75	87.5
0.2C≤I＜0.5C	1.70	85
0.5C≤I＜1.0C	1.55	77.5
I≥1.0C	1.30	65

　　(3)环境温度对电池容量及寿命的影响

　　蓄电池的额定容量通常是在25℃环境温度下以及在指定的放电率情况下规定的。当电池放电工作温度不是25℃时，由于电化学的作用，实际容量应按下面公式换算成25℃基准温度的容量。

　　Ce=Ct/[1+K(T-25℃)]

　　式中：Ct为实测容量，Ce为环境温度25℃时的标称容量，K为温度系数，T为实际环境温度。

　　K的取值为：10h率放电，K=0.006/℃;

　　3h率放电，K=0.008/℃;

　　1h率放电，K=0.01/℃。

　　从温度系数 K的取值还可看出，放电率越大，温度对容量的影响也越大。

　　同时，过高的工作环境温度还是导致免维护密封电池寿命缩短的主要原因。经验数椐表明，当环境温度超过25℃时，温升每增加10℃，就会导致电池的实际寿命缩短一半。

　　(4)储藏时间和储藏环境对电池实际可用容量的及寿命的影响

　　蓄电池是渐变失效的产品，电池充满电后若处于储存状态下，会进入自放电过程，其容量将逐渐减少。电池自行放电是在储存中降低容量和寿命的内在原因，当环境温度升高时，会加速自放电过程。温度每升高10℃，各种原材料的化学反应速度将加大一倍，电池寿命也随之缩短一半。根据大量蓄电池储存的数据统计结果，蓄电池的储存寿命如表8.3所示。

　　表8.3 不同储存温度下蓄电池的储存寿命

温度（℃）	储存寿命（月）
0~20	12
21~30	9
31~40	5
41~50	2.5

　　为了保证蓄电池处于良好的工作状态，对于长期搁置不用的蓄电池，必须每隔一定时间重新放电充电一次。

　　l 储存温度≤20℃ ，每隔6个月补充充电一次;

　　l 储存温度20℃~30℃，每隔3个月补充充电一次;

　　l 储存温度≥30℃，不要储存，应改善储存环境。

　　(5)浮充电压对电池实际可用容量及寿命的影响

　　由于用于UPS的蓄电池绝大部分时间是处于浮充状态，浮充电压选择得当与否，会对蓄电池使用寿命产生极大的影响。浮充电压选择得太高，会增大浮充电流，由于电池内阻很小，对于单体(2.0V)电池而言，通常浮充电压升高0.1V，浮充电流会增加近乎10倍，这不但会增加电池析气量、加速电池失水，而且还会加大正板删的腐蚀速度，结果会严重缩短电池使用寿命。若浮充电压选得太低，则会降低充电电流，使电池容量不能保证在充满状态。表8.4给出了不同温度下的浮充电压值，

　　表8.4不同温度下的浮充电压值

环境温度（℃）	2 V单体电池浮充电压（V）
0～10	2.33
11～15	2.31
16～20	2.29
21～25	2.27
26～30	2.25
31～35	2.23
36～40	2.21

　　(6)电池放电深度对实际可供容量和寿命的影响

　　电池被“深度放电”是造成电池使用寿命被缩短的另一个重要的原因。这种情况极易发生在电池的自动关机保护电路是采用具有固定的阀值设计方案的系统中，为说明这个问题，可参看图8.1中的1C、0.6C、0.2C、0.4C、0.05C等5种不同放电率下的放电曲线。放电率高时(例如1C)，允许的临界放电电压低(7.8V)，放电率低时(例如0.05C)，允许的临界放电电压高(10.5V)，如果电池电压过低自动关机阀值电压为10.0V，则对于1C和0.6C而言，当放电电压降到10.0V时，就被强迫关机，电池能量并没有降到临界放电电压值，属于电池正常放电，对电池使用寿命不会造成不良影响。而对于0.2C、0.1C、0.05C 等3条曲线而言，当放电电压降到10.0V时，都超过了电池容许的临界放电电压值，而且放电率愈小，超过部分越大，使电池进入“深度放电”，这必然会造成电池过早失效报废。

　　8.1.2 备用蓄电池组在数据中心中使用的特点

　　在数据中心供电系统中，蓄电池是UPS设备的一部分，它的使用有以下五个特点：

　　(1)电池组电压高，单体电池以12V电池为主

　　纵观当前数据中心使用的UPS设备，特别是中大功率UPS，直流母线电压都很高，例如384V。在总备用容量(VA)不变的情况下，电池组电压高，单体电池容量就小，所以宜采用12V电池。12V单体电池是2V单体电池的集成，可将外接连线和接线端子减少为1/6，

　　便于安装维护，并可显着的提高整个电池组的可靠性。

　　(2)备用时间短(5-10分钟)

　　由于连续运行(包括制冷系统)的苛刻要求，数据中心的交流输入都配置辽柴油发电机，所以UPS备用电池只是用于在主供电电网故障后备用油机启动和切换时间内支持UPS继续向关键IT负载供电。柴油发电机的启动时间可控制在10-15秒时间内，主供电电网向油机的切换时间仅有几百毫秒，所以电池实际运行时间很短，但考虑到大电流放电的电池容量利用率低(40-50%)和必要的设计余量，设计时选用5-10分钟的备用电池也就足够了。

　　(3)高放电率

　　在数据中心中备用电池备用时间短的设计原则，决定了电池放电率必然很高。举例说明：

　　UPS：100KVA;负载功率因数：0.9;满载输出有功功率：90KW;

　　电池：输出有功功率：90KW/0.9(效率)=100KW;;电池组设计电压：384V(12V/32节)

　　大电流放电终止电压：384Vⅹ0.65=249V;最大输出电流：100KW/249V=401A;后备时间：15分钟;电池容量的理论值=401Aⅹ0.25h=100Ah

　　最终：电池放电率=401A/100Ah=4(1/h)，即：4C

　　(4)恒功率放电：

　　电池是通过UPS的DC/AC逆变

　　器向负载放电的，如图8.2所示。

　　由于UPS向负载供电功率是恒定的，

　　所以电池也必然是恒功率放电的。

　　(5)物理环境比较好

　　在数据中心中，电池通常是与UPS等供电设备放在同一房间的，所以环境温度、湿度、通风条件和洁净度等物理环境都较好。

　　8.1.3 在数据中心中备用蓄电池的选用方法

　　一般选用电池有两种方法，根椐最大放电电流确定蓄电池容量和利用恒功率放电或恒电流放电来确定蓄电池容量，由于电池在UPS系统中的恒功率放电特点，所以宜采用恒功率法确定电池容量。

　　通常电池厂家都提供自己厂家生产的不同型号的电池在不同放电时间内电压降到临界值时的放电功率数，所以恒功率法也称查表法。

　　用查表法确定电池容量时，特别要注意电压放电终止电压，从图8.1可看出，高放电率时，允许电池放电终止电压低，而低放电率时允许的电池放电终止电压高。为此厂家针对不同的放电率和所允许的电池放电终止电压给出了不同的恒功率放电功率表。

　　表8.5是YUASA电池放电终止电压为1.67V的放电功率表的部分数据。根据实际放电时间，在单体电池放电终止电压不低于1.67V的情况下，表中各型号电池相对应的功率瓦特数，就是该电池最大的放电容量，也可以理解为只要实际放电容量不超过表中相应的数据，则该电池的使用就在安全的范围内。

　　表8.5 每个电池在1.67V最终电压时的放电功率(W)

时间（min） 型号	1	5	10	15	20	25	30	35	40
UXL-33-12	208	179	131	104	86 .7	74.7	66.3	59.7	54.6
UXL-44-12	277	239	175	138	116	99.6	88.4	79.6	72.8
UXL-55-12	347	299	219	173	145	125	111	99.5	91
UXL-66-6	416	369	263	207	173	149	133	119	109
UXL-88-6	554	478	350	276	211	199	177	150	146
UXL-110-6	693	598	438	345	289	249	221	199	182
UXL-165-2	741	601	501	422	367	326	290	264	243
UXL-220-2	987	801	669	563	489	434	387	352	323
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　　8.1.4 蓄电池维护工作中应注意的问题

　　当前UPS设备使用的蓄电池主要是阀控式铅酸蓄电池(VRLA)，在UPS设备的故障中，与蓄电池有关的原因占30%以上，在这些故障中，有一部分是蓄电池本身的质量问题，但更多的是使用和维护不当造成的。表8.6为VRLA蓄电池在数据中心供电系统中的常见故障，问题以及故障原因分析。

　　表8.6电池常见故障，问题及原因分析

故障类型	故障现象	故障发生原因	责任归属
单体电池 容量不足	电池电压低于1.8 V/cell (通常只有0-1.5V/cell)	电池连接松动； 电池性能不一；	用户使用维护不当 电池制造质量
整组电池 容量不足	电池组不满足放电时间需求	1、浮充电压低，电池长年亏电； 2、长期停止充电； 3、循环使用的电池再充电不足； 4、放电到终止电压后仍继续放电； 5、电池贮存期过长； 6、单体电池容量不足；	用户使用维护不当 电池制造质量
电池过充电	1、电池外壳鼓胀，明显变形； 2、电池容量变小； 3、端极柱基部渗酸； 4.一组电池中电压参差不齐；	1、浮充电压超过规定值； 2、环境温度高于（例如45℃）； 3、充电器失控或误调，造成充电电流超过规定值；	用户使用,维护不当
短路	1、电池端电压为0； 2、一组电池中，一支电压低；  3、一组电池中一支发热严重；	1.隔板破损或穿透。 2.有铅粒落入电池内部。	工厂制造不良
电池渗漏 电液	1、池壳或池盖破裂； 2、电池的极柱阀帽渗漏； 3、电池壳与盖封合处漏酸； 4、电池壳底座漏液；	1、运输、安装或其它撞击； 2、大电流充电； 3、极柱扭曲； 4、热封或粘合壳盖不牢固； 5、电池壳注塑口质量控制不好；	用户充电问题 制造质量 用户操作不当
外观破损	极柱断裂或电池外表损伤严重	接线不当扭断或运输搬运撞断极柱或造成电池外观破损	用户造成
气阀故障	1、外壳严重鼓胀胀破了外壳； 2、打开上盖片，其中一个或两个阀帽的顶面中心部位无凹陷(正常应有凹陷)现出。	阀帽与阀座在顶面的接触部位发生了异常的粘结造成电池不能向外排气。	制造质量