HPC集群机房UPS电池系统管理

UPS的本质是利用电池化学能作为后备能量，在出现市电断电等电网故障时，不间断地为用户设备提供（交流）电能的一种能量转换装置。因此，UPS电池系统对于HPC集群机房的不间断运营具有重要作用。

4.7.3.1　设计标准

（1）《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174-2008）。

（2）《通信用阀控密封式铅酸蓄电池》（YD/T 799-2002）。

（3）《数据中心基础设施施工及验收规范》（GB 50462-2015）。

4.7.3.2　HPC集群机房UPS电池系统的基础知识

（1）基本定义。

电能可由多种形式的能量变化得来，其中把化学能转换成电能的装置称为化学电池，一般简称为电池，电池有原电池和蓄电池之分。放电后不能用充电的方式使内部活性物质再生的称为原电池，也称为一次性电池。放电后可以用充电的方式使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能的电池称为蓄电池，也称为二次电池。数据中心UPS电池系统为二次电池。

（2）常用技术术语。

①充电：蓄电池从其他直流电源获得电能称为充电。

②放电：蓄电池对外电路输出电能称为放电。

③浮充放电：蓄电池和其他直流电源并联，对外电路输出电能称为浮充放电。有不间断供电要求的设备，起备用电源作用的蓄电池都处于该种放电状态。

④电动势：外电路断开，即没有电流通过电池时在正、负极之间测得的电位差，称为电池的电动势。

⑤端电压：电路闭合后电池正、负极之间的电位差称为电池的电压或端电压。

⑥安时容量：电池的容量单位为安时，即电池容量Q（安时）=I放×T放。

I放为放电电流（A），T放为放电时间（h）。

⑦电量效率（安时效率）：输出电量与输入电量之间的比称为电池的电量的效率，也称为安时效率。

电量效率（%）：（Q放÷Q充）×100%=（I放×T放）÷（I充×T充）×100%

Q放和Q充分别是放电和充电容量（安时）。

⑧自由放电：由于电池的局部作用造成的电池容量的消耗。容量损失与搁置之前的容量之比称为蓄电池的自由放电率。

自由放电率（%）=（Q1-Q2）÷Q1×100%

Q1为搁置前放电容量（安时）。

Q2为搁置后放电容量（安时）。

⑨使用寿命：蓄电池每充电、放电一次，称为一次充放电循环，蓄电池在保持输出一定容量的情况下所能进行的充、放电循环次数，称为蓄电池的使用寿命。

（3）铅酸蓄电池的定义结构及工作原理。

铅酸蓄电池是蓄电池的一种，主要特点是采用稀硫酸做电解液，是用二氧化铅和绒状铅分别作为电池的正极和负极的一种酸性蓄电池。数据中心行业主要采用的是免维护式固定型防酸式蓄电池（CF）。该型电池主要有如下特点。

①使用寿命长：从投资经济性考虑，电池应具有较长的使用寿命。电池的使用寿命与电池工作环境以及循环充、放电的频次有关。充放电频率越高，电池使用寿命越短。

②安全性高：电池电解质为硫酸溶液，具有强腐蚀性。另外，对于密封电池，电池的电化学过程会产生气体，增加电池内部压力，压力超过一定限度时会造成电池爆裂，释放出有毒的腐蚀性气体、液体，因此电池必须具备优秀的安全防爆性能。一般密闭电池都设有安全阀和防酸片，自动调节蓄电池内压，防酸片具有阻液和防爆功能。

③电池还必须具备安装方便、免维护、低内阻等特性。

该型电池结构图如图4-35所示。

图4-35　电池的结构图

①极板：正极板及负极板是由特种铅钙合金制成的板栅和具有活性的物质构成的。铅酸蓄电池的极板，依构造和活性物质化成方法，可分为四类：涂膏式极板、管式极板、化成式极板、半化成式极板。

涂膏式极板（涂浆式极板）由板栅和活性物质构成。

板栅的作用为支撑活性物质和传导电流，使电流分布均匀。

板栅的材料一般采用铅锑合金，免维护电池采用铅钙合金。

正极活性物质的主要成分为二氧化铅，负极活性物质的主要成分为绒状铅。

②隔板：隔板具有良好的离子导电性、优良的耐热耐酸性。电池用隔板是由微孔橡胶、颜料玻璃纤维等材料制成的，它的主要作用是：

·防止正、负极板短路。

·使电解液中的正、负离子顺利通过。

·阻缓正负极板活性物质的脱落，防止正、负极板因震动而损伤。

因此，要求隔板具有孔率高、孔径小、耐酸、不分泌有害杂质、较好的强度、在电解液中的电阻小、化学稳定性的特点。

③安全阀：当电池内压力超过规定值时，安全阀打开，放出电池内气体，恢复原有压力，防止电池破裂。内压正常后，阀复位，电池重新处于密封状态。同时兼有防止外部气体进入电池的作用。

④电槽、中盖和上盖：由ABS制成，有足够强度。

⑤电解液：电解液是蓄电池的重要组成部分，它的作用是传导电流和参加电化学反应。电解液是由浓硫酸和净化水（去离子水）配制而成的，电解液的纯度和密度对电池容量和寿命有重要影响。

该型电池工作原理：

①铅酸蓄电池电动势的产生如下：

·铅酸蓄电池充电后，正极板是二氧化铅（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质——氢氧化铅（Pb（OH）4），氢氧根离子在溶液中，铅离子（Pb）留在正极板上，故正极板上缺少电子。

·铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（Pb），与电解液中的硫酸（H2SO4）发生反应，变成铅离子，铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（2e-）。

·可见，在未接通外电路（电池开路）时，由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上具有多余电子，如图4-36所示，两极板之间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。

图4-36　电池电动势的形成

②铅酸蓄电池放电过程的电化反应如下：

·铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流I。同时在电池内部进行化学反应。

·负极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子与电解液中的硫酸根离子反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）。

·正极板的铅离子得到来自负极的两个电子（2e-）后，变成二价铅离子与电解液中的硫酸根离子反应，在极板上生成难溶的硫酸铅，正极板水解出的负氧离子（O2-）与电解液中的氢离子（H+）反应，生成稳定物质水。

·电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正、负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。

·放电时，H2SO4浓度不断下降，正负极上的硫酸铅增加，电池内阻增大（硫酸铅不导电），电解液浓度下降，电池电动势降低。

·化学反应式为：

正极活性物质+电解液+负极活性物质=正极生成物+电解液生成物+负极生成物

③铅酸蓄电池充电过程的电化反应如下：

·充电时，应外接直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。(www.xing528.com)

·在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子和硫酸根负离子，由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二价铅离子不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子（Pb4+），并与水继续反应，最终在正极极板上生成二氧化铅（PbO2）。

·在负极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子和硫酸根负离子，由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二价铅离子被中和为铅，并以绒状铝附在负极板上。

·在电解液中，正极不断产生游离的氢离子（H+）和硫酸根离子，负极不断产生硫酸根离子，在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子向正极移动，形成电流。

·在充电后期，在外电流的作用下，溶液中还会发生水的电解反应。

·化学反应式为：

正极物质+电解液+负极物质=正极生成物+电解液+生成物+负极生成物

④铅酸蓄电池充放电后，电解液的变化如下：

·从上面可以看出，铅蓄电池放电时，电解液中的硫酸不断减少，水逐渐增多，溶液比重下降。

·从上面可以看出，铅酸蓄电池充电时，电解液中的硫酸不断增多，水逐渐减少，溶液比重上升。

·在实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。

4.7.3.3　HPC集群机房UPS电池的技术特性

（1）放电特性。

最初活性物质微孔中的硫酸浓度与极板外部主体硫酸浓度相等。电池的端电压（开路电压）与此硫酸浓度相对应。放电一开始，活性物质表面处的硫酸被消耗，浓度立即下降；而硫酸由溶液主体向表面的扩散过程缓慢，不能及时补偿所消耗的硫酸，故活性物质表面的硫酸浓度继续下降，而决定电极电势数值的正是活性物质表面处的硫酸浓度，结果导致电池的端电压也急剧下降。但随着活性物质表面硫酸浓度的降低，造成了主体溶液浓度之间的浓度差别，促进了向表面的扩散过程，于是活性物质表面及微孔内的硫酸得到补充。在一定电流放电时，因为单位时间消耗的硫酸量基本上可由扩散来的硫酸予以补充，所以活性物质表面处的硫酸浓度较稳定，从而端电压也较稳定，但由于硫酸的被消耗，整体的硫酸浓度降低，活性物质表面的硫酸浓度也缓慢下降，故放电曲线表现电压缓慢下降。另外，在此期间，正、负极活性物质：氧化铅和铅也逐渐转变为硫酸铅，随着放电反应的进行，硫酸铅逐渐向活性物质深处扩展，加之硫酸铅的生成使活性物质孔隙率降低，硫酸从极板外部向活性物质微孔内部的扩散越来越困难。硫酸铅的导电性不良，电解液电阻的增加，这些原因的综合，导致最后在放电曲线上出现端电压的急剧下降，达到所规定的终止电压。

（2）充电特性。

在充电开始时，由于硫酸铅转化为二氧化铅和铅，相应的有硫酸生成，因而活性物质表面的硫酸浓度迅速增大，因此，电池端电压急剧上升。之后，由于扩散使活性物质表面及微孔内的硫酸浓度不再急剧上升时，端电压也就上升得较缓慢。这样，活性物质逐渐从硫酸铅转化为二氧化铅和铅，活性物质的孔隙电逐渐扩大，孔隙率增加。随着充电的进行，逐渐接近于电化学反应的终点。当极板上所存硫酸铅不多，通过硫酸铅的溶解，提供电化学氧化和还原所需的铅离子极度缺乏时，电化学反应的极化增加，这时正极的电极电势变得很正，使得氧气大量析出。负极的电极电势变得很负，达到析出氢的电势，结果充电的电池端电压迅速升高，大量气体析出，进行水的电解过程。需要指出的是，尽管在电解液中具有较高的氢离子浓度，以及氢气/氢离子的平衡电势比铅/硫酸铅还正，但由于氢在铅上具有很高的超电势，所以在充电过程中主要进行铅离子的还原，而不是氢离子的还原，只有在充电后期才有氢的析出，如有比氢超电势低的杂质存在于极板的表面，其结果是在充电终期，端电压低下，充电不完全。

（3）电池储存特性。

充满电的蓄电池如果放置没有使用，也会由于自放电而损失一部分容量。蓄电池在不同环境温度下的容量保存情况，环境温度越高、储存时间越长，蓄电池的容量损失也越大。由于温度越高，蓄电池自放电越大，长期保存时应尽量避免高温场所。

（4）蓄电池寿命。

影响蓄电池使用寿命的主要因素有环境温度、放电次数（频度）、放电深度、充电电压（浮充电流）。

①板栅腐蚀效应：通常浮充充电时，电池内产生的气体通过氧复合反应被负极板吸收变成水，不会由于电解液的枯竭引起容量丧失。但长期使用时，极板板栅会慢慢被腐蚀，使电池寿命终止。温度越高，腐蚀速度越快，浮充寿命相对缩短；另外，因为充电电流越大，腐蚀速度越快，所以必须选择合适的充电电压进行浮动充电。

②环境温度与蓄电池寿命关系：环境温度因素对蓄电池使用寿命的影响是显著的，应尽量避免在高温环境下使用蓄电池。

③放电容量与电池寿命：图4-38为电池放电容量与电池循环次数的关系。

④充电电压设定与温度关系：浮充及循环充电时，温度升高，电压应下降。一般会针对温度变化做出补偿。

图4-37　浮充充电温度和寿命的关系

图4-38　电池放电容量与电池循环次数的关系

4.7.3.4　HPC集群机房UPS的电池配置计算方法

UPS的电池配置可以分为查表法、恒电流法和恒功率法。

（1）查表法。

UPS放电电流计算公式如下：

I=（Pcosφ）/（η·E i）

I：放电电流。

P：UPS的标称输出功率。

cosφ：负载功率因数，PC、服务器一般取0.6～0.7。

η：逆变器的效率，一般也取0.8（10kVA取0.85）。

E i：电池放电终了电压，一般指电池组的电压。

可查出不同容量（Ah）的电池对于同样放电电流的使用时间，以得出合适容量的电池。

图4-39　浮充及循环充电时的设定电压与温度的关系

（2）恒电流法（90min以上的后备时间要求）。

此方法的准确度稍差，但在通信行业广泛使用。

UPS电池容量计算公式如下：

C=（P×T）÷（K×V×η）

C：所需配置的电池容量，单位为安培×小时（Ah）。

P：负载功率，单位为瓦（W）。

T：备用时间，单位为小时（h）。

V：电池组额定电压，见UPS产品手册参数表。

η：电池逆变效率，见UPS产品手册参数表。

K：电池放电系数

当电池备用时间为15min时，K=0.5；当电池备用时间为30min时，K=0.55。

当电池备用时间为1h时，K=0.6；当电池备用时间为2h时，K=0.7。

当电池备用时间为4h时，K=0.8；当电池备用时间为6h时，K=0.9。

当电池备用时间为8h时，K=0.95；当电池备用时间为10h时，K=1。

（3）恒功率法。

恒功率计算公式如下：

W=（PL×2）÷（Vf×η）=PL÷（N×η）（Watts/Cell）

W：电池组中一个2V的单体（Cell）所承载的功率，单位为Watts/Cell。

PL：UPS的输出有功功率，单位为Watts。

Vf：电池组额定电压，单位为V。

η：UPS在电池模式下的逆变效率。

N：UPS正常工作时需要的电池组所有的2V的单体（Cell）个数。