數據中心UPS系統蓄電池技術分析

【摘要】蓄電池組是不間斷電源（UPS）系統的核心部件，是數據中心機房的重要電力保障單元。蓄電池技術的選取會對機房的設計布局、承重結構以及投資成本等產生直接的影響。本文介紹了目前幾種主流的蓄電池技術，并從重量、空間、設計、安裝、維護和安全六個方面做了詳細的分析，充分研究了不同技術的優缺點，能夠很好的指導實際的項目設計實施。

【關鍵詞】數據中心；UPS；蓄電池

1.前言

隨著互聯網不斷發展的需求，互聯網數據中心（即IDC）迅速發展起來。數據中心能為互聯網內容提供商、企業、媒體和各類網站提供大規模、高質量、安全可靠的服務。這些服務包括專業化的服務器托管、空間租用、數據存儲等。可以說，IDC是互聯網產業中不可或缺的重要一環。隨著我國信息化戰略的不斷推進，物聯網、云計算等概念的出現，IDC的發展還有很大的空間。

I數據中心機房主要以服務器、路由器等IT設備為主，這些設備一般都使用220V交流電供電。為保障IDC設備供電的可靠性，通常機房會配備不間斷電源（UPS）系統為大量的IT設備提供不間斷的電源。蓄電池是UPS系統中的核心部件，它的優劣直接關系到整個UPS系統的可靠程度。

2.三種主要的蓄電池技術

蓄電池的種類一般分為鉛酸免維護電池、鎳鎘電池等。鉛酸蓄電池是目前世界上產量最大，用途最廣的一種電池。它具有良好的可逆性、電壓特性平穩、使用壽命長、適用范圍廣、原材料豐富及造價低廉等優點。主要應用在交通運輸、通訊、電力、鐵路、礦山、港口、國防、計算機、科研等國民經濟各個領域。

目前，不間斷電源系統（UPS）所采用的基本上都是鉛酸蓄電池，本文也主要分析不同類型鉛酸蓄電池的優劣。鉛酸蓄電池一般使用以下三種技術：

（1）富液式蓄電池：傳統鉛酸電池中，電池槽內除去極板、隔板及其他固體組裝部件的剩余空間完全充滿硫酸電解液，電解液中的硫酸直接參與電池充放電反應過程。由于電池極板完全浸泡在硫酸電解液中，電解液處于富余過量狀態，故被稱為富液式蓄電池。富液式蓄電池頂部有一個能夠通氣而又能夠阻擋液體濺出的蓋子，在使用過程中由于水分的蒸發和分解損失，需要定期將蓋子打開補加蒸餾水及調整電解液密度，所以習慣上也被稱為“開口式”蓄電池。

（2）閥控密封式蓄電池：與富液式蓄電池相對應，如果蓄電池槽內的剩余空間沒有被電解液完全充滿，極板沒有完全浸泡在電解液中；或者電池內部的電解液全部吸附在隔膜和極板上，內部沒有游離電解液，這類的電池就叫做閥控密封式鉛酸蓄電池（即VRLA蓄電池）。閥控密封式鉛酸蓄電池不會造成電解液溢出，無需添加勾兌電解液。

（3）插裝式電池模塊：即模塊化UPS用蓄電池。電池模塊使UPS電源的系統結構具有很大靈活性，甚至在系統運行時，使用者都可移除和安裝模塊而不影響系統的正常運行及輸出。

3.蓄電池技術分析

針對上述的三種技術，應該說市場上都有很多的應用。對于數據中心機房的管理者來說，如何選擇恰當蓄電池，既能滿足機房的實際應用，又能在性能、安全、投資等多方面獲得均衡的考慮，這是接下來我們需要探討的問題。在具體選擇蓄電池技術時，我們可以從六個方面進行思考，也許這樣會簡化抉擇的過程。這六個方面分別是：重量、占地空間、設計、安裝、維護和安全性。

3.1 重量

一般來說，鉛酸蓄電池自重都很大，應充分考慮地板承重能力和日后的搬運工作。如果計劃安裝的蓄電池不在機房的底樓地板上，則需要咨詢專業的建筑結構工程師，以確保其它樓層的地板能夠承載此負重。

富液式蓄電池通常安裝在大型開放式機架中。這些蓄電池內部填滿了電解液，因此一旦安放完畢，就很難移動。通常搬運工作需要借助叉車或蓄電池吊裝設備。與VRLA蓄電池或插裝式電池模塊相比，富液式蓄電池要重大約40%，并占用兩倍的空間。

VRLA蓄電池體積較小，它能夠在較小空間中能提供更多的電量。但是VRLA蓄電池通常直接安裝在機柜中，而機柜下方是承重的架空地板。因此，盡管自身重量較富液式蓄電池輕，但是承重架空地板承重能力也相應的不如樓板那樣的強度。同樣的，VRLA蓄電池機柜一旦安裝到位，再改變位置將會是比較困難的。

插裝式電池模塊和VRLA蓄電池一樣，盡管自重較前兩種蓄電池輕，但也容易造成小面積上承載大重量的情況。不同的是，電池模塊可以很方便的安裝和拔出，所以如果需要，維護人員可以先拔下所有模塊，再移動插裝式電池模塊機柜到新的位置。

特別需要指出的是，因為閥控密封式蓄電池和插裝式電池模塊可以放置在IDC機房機柜中，所以必須充分考慮架空地板的承重能力。因此，工程實施前應提前確定蓄電池的重量和所占面積等關鍵參數，避免超過架空地板承重造成安全隱患。通常的做法是在蓄電池所在位置和移動的通道上，鋪設高承重性能的瓷磚、地臺或加固材料，提高架空地板的承重能力。

3.2 空間

眾所周知，數據中心機房是個高度集成化的地方，這就意味著機房內的面積是十分寶貴的。現代化的數據中心項目在規劃設計時都會重點考慮數據中心的各種設備的占用空間，既要達到很高的利用率，發揮機房的最大效益，又要留有空間以備將來的擴容升級。UPS系統是IDC機房的電力安全保障系統，占用了必不可少的面積。而蓄電池作為UPS的核心部件，它的體積大小將直接決定著UPS所占用的機房空間。

富液式蓄電池基于消防安全法規的考慮，需要配備可控蓄電池室。同時，相應的防溢漏和維護也需要一定的空間才能保證。這些安全和維護要求都需要占用額外的機房空間以及投入的增加。

VLRA蓄電池內電解液含量較低，而且維護所要求的空間相對較小。VLRA蓄電池不存在電解液溢出的情況，可以安全的配置在專門的UPS機柜中。與富液式蓄電池相比，VLRA蓄電池所占空間較小，維護成本也較低。

插裝式電池模塊不僅具備VRLA的全部優勢，還由于可以插拔的特性帶來了更多的靈活性。特別的，電池模塊化后，大大減少了布線所需空間。另外，插裝式電池模塊及其機柜能較方便的隨著需求的改變而移動和增減容量。

3.3 設計

富液式蓄電池按照相關的安全要求必須放置在專門蓄電池室中，并且配以專用通風和防溢漏系統。所以，富液式蓄電池為滿足上述要求需要大量的工程設計，同時需要考慮各安全系統的配合協調。相比較而言，VRLA蓄電池以及插裝式電池模塊需要的工程設計量則比較小。

3.4 安裝

如3.1節所述，相對機房的其他設備而言，蓄電池重量很大，它的安裝和移動需要充分考慮自身重量和承重地板，有時甚至需要借助機械設備才能移動。

富液式蓄電池在發貨時未添加任何電解液，而一旦設備進場，就必須嚴格遵循安裝注意事項。富液式蓄電池一般在開放式機架中現場連線，現場組裝。特別是當添加電解液時，需要專業人員來進行專門的操作。

VLRA蓄電池的安裝流程會視情況而有所不同。UPS生產商可以將這些蓄電池直接安裝在機柜中，作為UPS或蓄電池柜中的一個系統提供。VRLA蓄電池發貨時已充電，到達安裝機房時，電量為總容量的80-90%。

插裝式電池模塊與上述蓄電池不同，由于電池是模塊化的，所以安裝也相對容易。工作人員只需按照安裝手冊將模塊安裝在模塊機柜中即可。

3.5 維護

蓄電池作為UPS核心部件，它的維護和監控工作非常重要，這些工作影響著系統的穩定性和壽命。

富液式蓄電池需要定期維護才能正常運行。按照相關要求，富液式蓄電池系統需要進行月檢、季檢和年檢。同時，為防止蓄電池變干，必須加液及測量每個蓄電池的比重。加液工作必須適時適量，否則蓄電池的性能和壽命就會受損。因此富液式蓄電池的維護專業性較強，需要經過培訓的維護人員才能勝任這樣的工作。

VRLA蓄電池一般來說是免維護的。但實際上，必要的監控和維護還是十分必要的。配套的監控系統，可以為維護人員提供蓄電池組的狀態信息，記錄蓄電池的運行時間和健康狀態。通過分析這些數據，維護人員可以知道系統是不是處在正常狀態之中。

插裝式電池模塊同VRLA蓄電池一樣，無需特別的維護工作。當然，維護人員也需要定時觀察插裝式電池模塊的監控系統，特別是當出現報警提示時，迅速到達現場，更換故障模塊。由于電池模塊是可熱插拔的，所以在維護人員更換蓄電池期間，UPS系統仍能正常運行。

3.6 安全性

用電安全是所有的數據中心機房的安全保障。蓄電池作為供電系統的一環，為機房技術系統提供大功率的電能，它的安全性至關重要。一般來說，需要重點防范來自兩方面的安全隱患。

（1）人員觸電：大容量的UPS系統會在一條總線上傳輸超過200V的直流電壓。這種強度的直流電壓是致命的，一旦發生人員觸電事件，輕者可能引起蓄電池系統離線，機房技術系統失電；重者極易造成傷亡事故。

（2）設備短路：蓄電池內部阻抗低，會產生極高短路電流。如果發生短路，嚴重時蓄電池或其電極端子會發生瞬間的爆炸。

富液式蓄電池安放在開放式蓄電池機架中，開放空間利于維護，但同時也加大了觸電事件的幾率。蓄電池室應提高安全等級并建立相應的安全制度，只有專門的電池維護人員才能進入。

VRLA蓄電池通常安裝在機柜中，因此，該機柜一定要配備機柜鑰匙。同樣的，只有授權的維護人員才能獲得鑰匙，按照維護制度打開機柜進行維護。

插裝式電池模塊已封裝好，相對的觸電風險較低。維護人員在維護時只需遵守相關的安全規定即可。

4.結論

綜上所述，蓄電池是UPS系統的核心部件，是數據中心機房的重要電力保障單元。不同的蓄電池技術對數據中心有著不同的要求和影響。通過對蓄電池的重量、空間、設計、安裝、維護和安全性的綜合考慮，我們可以較全面的了解不同蓄電池技術的具體要求，也能夠更有針對性的指導UPS系統的設計和選型工作。

參考文獻

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