数据中心UPS系统蓄电池技术分析

【摘要】蓄电池组是不间断电源（UPS）系统的核心部件，是数据中心机房的重要电力保障单元。蓄电池技术的选取会对机房的设计布局、承重结构以及投资成本等产生直接的影响。本文介绍了目前几种主流的蓄电池技术，并从重量、空间、设计、安装、维护和安全六个方面做了详细的分析，充分研究了不同技术的优缺点，能够很好的指导实际的项目设计实施。

【关键词】数据中心；UPS；蓄电池

1.前言

随着互联网不断发展的需求，互联网数据中心（即IDC）迅速发展起来。数据中心能为互联网内容提供商、企业、媒体和各类网站提供大规模、高质量、安全可靠的服务。这些服务包括专业化的服务器托管、空间租用、数据存储等。可以说，IDC是互联网产业中不可或缺的重要一环。随着我国信息化战略的不断推进，物联网、云计算等概念的出现，IDC的发展还有很大的空间。

I数据中心机房主要以服务器、路由器等IT设备为主，这些设备一般都使用220V交流电供电。为保障IDC设备供电的可靠性，通常机房会配备不间断电源（UPS）系统为大量的IT设备提供不间断的电源。蓄电池是UPS系统中的核心部件，它的优劣直接关系到整个UPS系统的可靠程度。

2.三种主要的蓄电池技术

蓄电池的种类一般分为铅酸免维护电池、镍镉电池等。铅酸蓄电池是目前世界上产量最大，用途最广的一种电池。它具有良好的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富及造价低廉等优点。主要应用在交通运输、通讯、电力、铁路、矿山、港口、国防、计算机、科研等国民经济各个领域。

目前，不间断电源系统（UPS）所采用的基本上都是铅酸蓄电池，本文也主要分析不同类型铅酸蓄电池的优劣。铅酸蓄电池一般使用以下三种技术：

（1）富液式蓄电池：传统铅酸电池中，电池槽内除去极板、隔板及其他固体组装部件的剩余空间完全充满硫酸电解液，电解液中的硫酸直接参与电池充放电反应过程。由于电池极板完全浸泡在硫酸电解液中，电解液处于富余过量状态，故被称为富液式蓄电池。富液式蓄电池顶部有一个能够通气而又能够阻挡液体溅出的盖子，在使用过程中由于水分的蒸发和分解损失，需要定期将盖子打开补加蒸馏水及调整电解液密度，所以习惯上也被称为“开口式”蓄电池。

（2）阀控密封式蓄电池：与富液式蓄电池相对应，如果蓄电池槽内的剩余空间没有被电解液完全充满，极板没有完全浸泡在电解液中；或者电池内部的电解液全部吸附在隔膜和极板上，内部没有游离电解液，这类的电池就叫做阀控密封式铅酸蓄电池（即VRLA蓄电池）。阀控密封式铅酸蓄电池不会造成电解液溢出，无需添加勾兑电解液。

（3）插装式电池模块：即模块化UPS用蓄电池。电池模块使UPS电源的系统结构具有很大灵活性，甚至在系统运行时，使用者都可移除和安装模块而不影响系统的正常运行及输出。

3.蓄电池技术分析

针对上述的三种技术，应该说市场上都有很多的应用。对于数据中心机房的管理者来说，如何选择恰当蓄电池，既能满足机房的实际应用，又能在性能、安全、投资等多方面获得均衡的考虑，这是接下来我们需要探讨的问题。在具体选择蓄电池技术时，我们可以从六个方面进行思考，也许这样会简化抉择的过程。这六个方面分别是：重量、占地空间、设计、安装、维护和安全性。

3.1 重量

一般来说，铅酸蓄电池自重都很大，应充分考虑地板承重能力和日后的搬运工作。如果计划安装的蓄电池不在机房的底楼地板上，则需要咨询专业的建筑结构工程师，以确保其它楼层的地板能够承载此负重。

富液式蓄电池通常安装在大型开放式机架中。这些蓄电池内部填满了电解液，因此一旦安放完毕，就很难移动。通常搬运工作需要借助叉车或蓄电池吊装设备。与VRLA蓄电池或插装式电池模块相比，富液式蓄电池要重大约40%，并占用两倍的空间。

VRLA蓄电池体积较小，它能够在较小空间中能提供更多的电量。但是VRLA蓄电池通常直接安装在机柜中，而机柜下方是承重的架空地板。因此，尽管自身重量较富液式蓄电池轻，但是承重架空地板承重能力也相应的不如楼板那样的强度。同样的，VRLA蓄电池机柜一旦安装到位，再改变位置将会是比较困难的。

插装式电池模块和VRLA蓄电池一样，尽管自重较前两种蓄电池轻，但也容易造成小面积上承载大重量的情况。不同的是，电池模块可以很方便的安装和拔出，所以如果需要，维护人员可以先拔下所有模块，再移动插装式电池模块机柜到新的位置。

特别需要指出的是，因为阀控密封式蓄电池和插装式电池模块可以放置在IDC机房机柜中，所以必须充分考虑架空地板的承重能力。因此，工程实施前应提前确定蓄电池的重量和所占面积等关键参数，避免超过架空地板承重造成安全隐患。通常的做法是在蓄电池所在位置和移动的通道上，铺设高承重性能的瓷砖、地台或加固材料，提高架空地板的承重能力。

3.2 空间

众所周知，数据中心机房是个高度集成化的地方，这就意味着机房内的面积是十分宝贵的。现代化的数据中心项目在规划设计时都会重点考虑数据中心的各种设备的占用空间，既要达到很高的利用率，发挥机房的最大效益，又要留有空间以备将来的扩容升级。UPS系统是IDC机房的电力安全保障系统，占用了必不可少的面积。而蓄电池作为UPS的核心部件，它的体积大小将直接决定着UPS所占用的机房空间。

富液式蓄电池基于消防安全法规的考虑，需要配备可控蓄电池室。同时，相应的防溢漏和维护也需要一定的空间才能保证。这些安全和维护要求都需要占用额外的机房空间以及投入的增加。

VLRA蓄电池内电解液含量较低，而且维护所要求的空间相对较小。VLRA蓄电池不存在电解液溢出的情况，可以安全的配置在专门的UPS机柜中。与富液式蓄电池相比，VLRA蓄电池所占空间较小，维护成本也较低。

插装式电池模块不仅具备VRLA的全部优势，还由于可以插拔的特性带来了更多的灵活性。特别的，电池模块化后，大大减少了布线所需空间。另外，插装式电池模块及其机柜能较方便的随着需求的改变而移动和增减容量。

3.3 设计

富液式蓄电池按照相关的安全要求必须放置在专门蓄电池室中，并且配以专用通风和防溢漏系统。所以，富液式蓄电池为满足上述要求需要大量的工程设计，同时需要考虑各安全系统的配合协调。相比较而言，VRLA蓄电池以及插装式电池模块需要的工程设计量则比较小。

3.4 安装

如3.1节所述，相对机房的其他设备而言，蓄电池重量很大，它的安装和移动需要充分考虑自身重量和承重地板，有时甚至需要借助机械设备才能移动。

富液式蓄电池在发货时未添加任何电解液，而一旦设备进场，就必须严格遵循安装注意事项。富液式蓄电池一般在开放式机架中现场连线，现场组装。特别是当添加电解液时，需要专业人员来进行专门的操作。

VLRA蓄电池的安装流程会视情况而有所不同。UPS生产商可以将这些蓄电池直接安装在机柜中，作为UPS或蓄电池柜中的一个系统提供。VRLA蓄电池发货时已充电，到达安装机房时，电量为总容量的80-90%。

插装式电池模块与上述蓄电池不同，由于电池是模块化的，所以安装也相对容易。工作人员只需按照安装手册将模块安装在模块机柜中即可。

3.5 维护

蓄电池作为UPS核心部件，它的维护和监控工作非常重要，这些工作影响着系统的稳定性和寿命。

富液式蓄电池需要定期维护才能正常运行。按照相关要求，富液式蓄电池系统需要进行月检、季检和年检。同时，为防止蓄电池变干，必须加液及测量每个蓄电池的比重。加液工作必须适时适量，否则蓄电池的性能和寿命就会受损。因此富液式蓄电池的维护专业性较强，需要经过培训的维护人员才能胜任这样的工作。

VRLA蓄电池一般来说是免维护的。但实际上，必要的监控和维护还是十分必要的。配套的监控系统，可以为维护人员提供蓄电池组的状态信息，记录蓄电池的运行时间和健康状态。通过分析这些数据，维护人员可以知道系统是不是处在正常状态之中。

插装式电池模块同VRLA蓄电池一样，无需特别的维护工作。当然，维护人员也需要定时观察插装式电池模块的监控系统，特别是当出现报警提示时，迅速到达现场，更换故障模块。由于电池模块是可热插拔的，所以在维护人员更换蓄电池期间，UPS系统仍能正常运行。

3.6 安全性

用电安全是所有的数据中心机房的安全保障。蓄电池作为供电系统的一环，为机房技术系统提供大功率的电能，它的安全性至关重要。一般来说，需要重点防范来自两方面的安全隐患。

（1）人员触电：大容量的UPS系统会在一条总线上传输超过200V的直流电压。这种强度的直流电压是致命的，一旦发生人员触电事件，轻者可能引起蓄电池系统离线，机房技术系统失电；重者极易造成伤亡事故。

（2）设备短路：蓄电池内部阻抗低，会产生极高短路电流。如果发生短路，严重时蓄电池或其电极端子会发生瞬间的爆炸。

富液式蓄电池安放在开放式蓄电池机架中，开放空间利于维护，但同时也加大了触电事件的几率。蓄电池室应提高安全等级并建立相应的安全制度，只有专门的电池维护人员才能进入。

VRLA蓄电池通常安装在机柜中，因此，该机柜一定要配备机柜钥匙。同样的，只有授权的维护人员才能获得钥匙，按照维护制度打开机柜进行维护。

插装式电池模块已封装好，相对的触电风险较低。维护人员在维护时只需遵守相关的安全规定即可。

4.结论

综上所述，蓄电池是UPS系统的核心部件，是数据中心机房的重要电力保障单元。不同的蓄电池技术对数据中心有着不同的要求和影响。通过对蓄电池的重量、空间、设计、安装、维护和安全性的综合考虑，我们可以较全面的了解不同蓄电池技术的具体要求，也能够更有针对性的指导UPS系统的设计和选型工作。

参考文献

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[2]陈强等著.模块化UPS对比测试研究[M].通信电源技术，2012（03）.

[3]罗健等著.模块化UPS在IDC中的应用研究[M].中国科技信息，2012（22）.