大型UPS不间断电源安全可靠的电池组系统设计与规范

大型UPS安全可靠的电池系统设计与规范#不间断电源ups#

摘要：

采用设计合理的UPS 电池解决方案对于保证其安全可靠运行发挥着至关重要的作用。本文介绍电池系统的主要组件和功能，并探讨为何厂商提供的预制化电池解决方案是最理想的解决方案。如果厂商提供的预制化电池解决方案无法满足客户要求时，推荐采用厂商定制化解决方案。此外，本文提供相应的设计准则，确保客户在必须使用第三方电池解决方案时能确保所选方案安全可靠。

简介：

虽然市场上蓄电池系统不断推陈出新，如锂离子蓄电池、镍氢蓄电池等的普及应用，但铅酸蓄电池仍然是UPS 应用中最高性价比的选择。几乎所有数据中心的UPS 系统都普遍使用排气式和阀控式(VRLA)这两类铅酸蓄电池1。阀控式铅酸蓄电池又分为三大类型：顶端接入式、前端接入式和模块插装式。但无论运用何种铅酸蓄电池系统或类型，蓄电池系统的设计都必须遵循基于多年

实践经验总结出的日常可靠性与安全性设计实践。

不同于其它的电源系统，蓄电池短路电流的不确定性，增加了选择保护设备及确定其额定值的难度。本文介绍的设计步骤旨在帮助电池系统设计师及电池系统规范制定者或采购负责人更好地了解电池系统，确保电池系统供应商能够提供安全可靠的电池系统解决方案。

电池芯是最小单位的电化学元件，由正极、负极和具有传输离子性能的电解液构成。铅酸蓄电池芯的标称电压为2V。单块电池（或电池单体）可装入一个或多个电池芯（譬如，常见的12V 单块电池有6 个2V 电池芯）。电池块可以串联连接，达到设备运行所需的电压（本例中为一个UPS 所需的电压384V）；它也可以并联连接，达到更大的功率输出（瓦特）。出于安全原因的考虑，安装过电流保护装置可以在出现异常状况时（如电路发生过电流/故障等情况）提供保护，而且它也常用来（在UPS 关闭或发生故障时）切断电池与UPS 的连接。蓄电池监控系统可以监测出电池模块的健康状态。图1 显示了在线双变换UPS 和由三个并联电池串构成的电池系统框图。

图1 UPS 和电池系统框图

本文介绍了电池系统的主要组成部分，探讨电池保护系统的主要电气设计步骤，阐明厂商所提供的一体化UPS 电池系统的最佳设计方案。最后，介绍定制化电池解决方案的设计清单。

电池系统的设计

图2 是一个厂商设计的模块化UPS，包括有电池模块、连接线缆、保护和监控装置。该电池系统经过UPS 厂商设计并验证，充分考虑了各种参数指标，包括UPS 性能、充放电特性、电池使用寿命、潜在故障类型、客户维护计划或安排、环保性能等。

图2 模块化UPS 和电池系统示例

无论是选择厂商设计的标准解决方案，还是客户定制化解决方案，都应遵循相同的UPS 电池子系统设计步骤。具体来说，它分成以下六个步骤：

步骤1－选择并确定电池容量

步骤2－计算放电电流

步骤3－选择线缆尺寸

步骤4－计算短路电流

步骤5－选择保护器件

步骤6－完成电池系统的组装

唯一差别在于谁负责设计和验证，以及承担潜在的风险。

步骤1－选择并确定电池容量

表1 列出了确定电池容量时需要重点关注的问题及参考答案。

请注意，仅给定在特定充电率的情况下，以培时(Ah)或瓦时(Wh)表示的电池容量，并不足以确定UPS 电池容量，因为每个蓄电池型号的特性各不相同。

详细的负载特性，如额定负载（kW）等

确定所需电池的后备时间（单位：分钟或小时）

UPS 特性，如逆变器效率、电池充电效率、标称直流电压等

电池规格，如浮充电压、截止电压（通常定义为电池放电结束的电压）、最大充电电压/放电电流，以及放电性能等，这些规格参数在蓄电池技术参数中都有说明

电池组并联连接可避免因电池反向4导致的故障。大型电池串最可能出现电池反向的情况，特别是阀控式铅酸蓄电池会因电池降容或生产缺陷造成此类问题。

比起一味地选择容量大的电池，电池的冗余设计，如采用1N、N+1 还是2N 冗余模式，对于电池系统可靠性尤其关键。

该设计步骤可反复进行，并持续优化，从而最终确定电池容量和配置。

步骤2－计算放电电流

为确保电池系统安全可靠运行，必须电池的充放电参数。通常UPS 电池充电线路会根据电池规格书的推荐而设置好数值较小的充电电流值。放电电流值则根据负载、负载功率因数、UPS逆变器效率和电池电压计算得到，见公式1。电池放电电流与电池充电状态、负载和UPS 逆变器效率有关。

公式 1

电池放电电流

步骤3－选择线缆尺寸

电池系统中的导线包含电池块之间的接线（称为电池组内连接）和UPS 和电池组间的各种导线。大型机架安装式电池还必须包含层间和通道间的各种导线。整个电池系统的阻抗（是计算电弧参数必不可少的数据）应包含所有导线的阻抗。大多数数据中心UPS 电池应用中都优先使用铜线缆，而非铝线缆。

关键的设计标准是线缆上的电压降（电池与UPS 相连位置的电压降），应不大于UPS 直流电压的1%。通过最糟糕情况下的电池放电电流，以及UPS 和电池的间距，可计算出最小导线截面积。国际标准定义指出，标称横截面积在0.5mm2 到 2500 mm2 之间。目前，部分国家会采用符合美国线规（AWG）系统尺寸和特性的线缆。

步骤4– 计算短路电流

除了解电池的充放电状态外，还要短路情况，因为短路电流可能非常大。图3 列出了电池系统可能发生短路的位置及其等效电路。IEC 61660-1（“电厂与变电站直流辅助设施中的短路电流 第1 部分：短路电流计算”）介绍了根据等效的短路电路图计算电池短路电流的方法。

图3

a) 电池系统可能的短路位置；

b)等效电路

a) 电池系统可能的短路位置；

b)等效电路

公式 2

短路电流

图4 显示了采用断路器（图4a）和熔断器（图4b）时的短路电路曲线。如果采用像断路器或熔断器的保护措施，直流短路会造成电池永久损坏，甚至有可能引发火灾。

图4

短路电流与时间的关系

短路电流与时间的关系

请注意，上述公式适用于所有UPS 运行模式；优秀的电池系统设计师可利用这些公式，计算UPS 主要运行模式下的短路电流。电池系统电压(Ebatt) 和电池内部电阻(Rbatt) 随充电状态5和电池健康状态6而变化。当电池接近放电终止或日渐老化，其电压值会降低、电阻会增加，导致短路电流降低。如果短路电流值过低，可能无法打开保护断路器或快速熔断器，从而导致温度升高，甚至可能引发火灾。图5 即是一起电池起火示例。这也说明了确保保护设备能在不同运行模式下切断短路电流的重要性。表2 列出了部分电池电流及其与电池状态间的关系。

图5

电池着火案例

表2

电池电流及其与电池状态的关系

一般而言，电池提供商会给出电量充满时的内阻，因此计算得出的短路电流值为Isc_nom。但优秀的电池系统设计师会考虑不同充电状态下的电池短路电流。譬如，当电池接近放电终止、电池寿尽时，普通的阀控式铅酸蓄电池的电压会降低到电量充满时电压的80%，内阻会增加额定值的30%甚至更高。因此，短路电流Isc_EOL_EOD 仅为Isc_nom 的61%甚至更低。如果仅根据电量充满的短路电流Isc_nom 进行电池设计，当电池发生故障时，将会无法或快速地打开保护设备，从而导致起火。

设计电池系统时，应考虑电池和UPS 性能，以便正确计算放电电流和短路电流。仅仅参考电池的规格书并不足以设计出安全可靠的电池系统。

步骤5－选择保护器件

根据步骤4 的，保护设备的时间-电流曲线应与图6 中所示绿色曲线类似。绿色阴影部分表示正常运行区域，在该区域内，保护设备允许放电电流通过。该区域必须位于保护器件的时间-电流曲线左侧。红色阴影部分表示异常区域，保护设备应动作，断开电池与UPS 系统的连接。它应位于保护设备时间-电流曲线的右侧。一般来说，短路时间持续时间应大约为几十毫秒，确保电池尽快与故障隔离。保护设备打开的时间越长，电池提供的故障电流和能量就越多，可能导致设备损坏，甚至引发火灾。正如我们在步骤4 讨论的那样，短路电流随电池状态的不同而不同，蓝色虚线所示的并非理想的时间-电流曲线，因为Isc_EOL_EOD 电流的短路时间将达到数十秒。

图6

保护器件的时间-电流曲线

保护器件（包括：直流断路器、直流熔断器或直流开关等）通常会与电池检测系统一并组装成开关柜或配电柜。开关柜或配电柜一般位于电池室内，有时与电池柜集成在一起。表3 针对不同特性比较了不同的直流保护器件的优劣。熔断器和热磁断路器是基于因过载或故障电流所引起的温度升高而动作的。因此，环境温度对这两种设备的触发特性都有影响。建议采用电子脱扣断路器，它们不会受环境温度影响。

表3

直流保护器件比较

不建议在直流电池保护电路中使用交流器件，如交流断路器、交流熔断器或交流开关。尽管一些交流器件通过了认证，可用于直流应用，但在实际使用时，必须具体问题具体。请参见附录，了解有关交直流器件的具体信息。

在大多数项目中，可能包括一个或多个直流保护器件，具体取决于高级特性要求、冗余要求、维护计划、成本等。表4 中列出了步骤4 的设计清单以及示例。

表4

保护器件选择的设计清单

步骤6－完成电池系统的组装

最终的电池保护解决方案往往是性能和成本折衷权衡的产物。尽管最佳的解决方案可以监控每颗电池单体的健康状态，确保充放电模式期间都正常运行，并在发生特定异常情况下断开电路和/或发出（如图2 所示）。不尽如人意的是，解决方案提供商或最终用户定制的许多电池保护解决方案仅提供基本的系统级保护，如图7 所示。

图7

基本电池解决方案

厂商设计的UPS电池系统

厂商设计的UPS 电池系统主要有两种类型：定制化电池系统和预制化电池模块系统。下面分别进行详细介绍。

定制化电池系统

定制化电池系统也称为“按订单设计”电池系统，是UPS 供应商根据最终用户定制需求和偏好，建议最终用户采用并通过验证的电池解决方案。以下是UPS 厂商常用的设计实践且通过电气安全性测试验证：

根据UPS 后备时间需求，确定电池容量

根据短路电流值范围，选择电池保护器件

根据距离选择电池电缆尺寸

根据标准化最佳实践来安装系统

集成电池监控系统

定制化电池解决方案将设计流程交由UPS 供应商完成，他们是UPS 性能领域的专家，能够在任何特定环境中提供保护功能。UPS 供应商与最终用户合作，开发电池保护系统，作为UPS 整体系统的一部分，执行经过验证的系统级测试。最后，为保证电池系统的可靠性，它必须由合格人员安装、操作、维修和保养。

预制化电池模块系统

预制化电池模块系统是标准化的合格电池解决方案。UPS 厂商定义产品性能标准，如运行时间、电压、放电电流特性等。模块化电池系统一般包括以下组件：

串联或并联的有品质保证的电池 － 每个模块都配有熔断器，并监控电池性能，从而时时知晓模块或电池的健康状态。

电缆压接 – 电缆压接不当是造成高电阻和导体过热的一个原因，有可能造成整个电池串发生故障。所有电池电缆压接都在工厂中完成，其质量控制要优于现场接线。

保护设备，如采用预设脱扣曲线的直流断路器等 － 在工厂中完成针对潜在风险，如过流/故障、欠压、过热或维修隔离功能等的验证测试。

集成监控系统和通信接口，当电池故障或性能下降时，通知操作人员。

提供设计好的具有安全性、可靠性、易运输、且通过认证的电池柜。

预制化解决方案经过精心、设计、测试、定义，被证实适用于许多系统。系统架构师或设计师只需根据具体所需后备时间，选择标准化的电池模块系统。

定制电池系统设计清单

出于电气安全性和可靠性角度考虑，首选预制化电池模块系统解决方案。在没有合适预制化电池解决方案的情况下，选择定制化的解决方案。在一些情况下，数据中心负责人可能选择部署其自有的定制化电池解决方案。尽管我们并不鼓励这种做法，但如果真需要如此，建议参考以下设计清单：

遵循本文中介绍的六个设计步骤

在正常/异常操作情况下，以及电量充满和放电终止时，分析并验证整个UPS 系统的安全性

对关键设备进行严格质量控制，包括UPS、电池、所选保护设备等，包含在系统装配期间的质量控制

确保备件库存

制定定期维修保养计划，确保制定的保养计划得以执行

结论

有人认为电池系统只是一组相互连接的电池，实际上却远不止此，一旦电池系统发生差错，将带来代价高昂的损失，且非常危险。

在相当多的项目中，电池保护解决方案是成本和性能之间折衷权衡的产物。但时常这一天平会倾向于成本，有系统受损甚至着火的风存在。采用厂商提供的一体化UPS 电池系统是降低风险、提高关键负载可靠性的最佳方式。而且，标准化设计避免了不可复制（即一次性）的情况发生。

预制化的标准电池模块解决方案是建议采用的最佳实践解决方案，其次推荐厂商定制化电池解决方案，以满足客户的定制需求。但如果最终用户仍需要自行定制设计电池解决方案，则应遵循本文中提供的设计清单，以确保系统安全可靠。