分析:数据中心机房精密空调器配套电池设计

一室精密空调器组电池概述

机房精密空调仪器设备及其核心供电系统整体是满足数据中心供电质量的最核心部分，电池是整个系统中最重要的构成之一，是供电系统整体的最后屏障。 特别值得注意的是，在机房精密空调器系统的故障中，与电池相关的原因占30%以上。 这是因为它对电池的设计、选择、维护等规范化有重要意义。

对电池的基本原理、特征、期权的大体、设计计算、安装、维护等相关事项给予指导性的大体和规范，对延长电池的采用寿命和确保数据室精密空调仪器设备的安全稳定运行具有重要意义，最终室精密

现在，数据中心室的精密空调器上配置的电池主要是阀门控制式密闭铅电池( vrla )，但随着电池技术的迅速发展和完善，锂电池和燃料电池也成为客户未来的选择之一。

数据中心室精密空调器电池的选择和设计必须充分考虑现代数据中心的优势和快速发展趋势，符合以下大体情况。

(1)短时间恒功率输出特性优良

卓越的短时间(一般&le； 30min )恒定功率输出的特征意味着在满足相同负载备份时间要求的情况下可以减小电池的容量，降低电池的价格。 或者使用相同容量的电池配置，可以增加机房精密空调器系统的总备份时间。

(2)高能量密度

选择合适的电池类型和容量，设计合理的组装结构，优化利用机房空间，有助于提高电池组整体的能量密度，降低机房面积和价格。

(3)高稳定性

电池在比较有效的寿命期间内需要较低的故障率，尽量不要因单个电池的故障或突然的故障进行修理或更换，对电池系统整体后期的安全稳定有重要意义。

(4)防火阻燃

数据中心机房精密空调器电池壳体的塑料材质必须满足v0级阻燃标准，电池端子、连接件及输出母线端子的所有露出金属部分都必须绝缘保护解决，电池支架必须接地。

(5)一致性

数据中心室精密空调器电池组各单体的容量、开路电压、浮动充电电压等指标的一致性应符合相关标准。

(6)抗震性

数据中心室精密空调器电池组货架设计满足抗震度8的要求，建议电池之间的连接采用软连接。

(7)易于安装和扩展

通过电池的模块结构设计和专用安装工具的提供，可以降低整体的安装价格。 电池组的配置位置和电池组货架的设计必须预约后期扩张的位置诉求。

(8)容易维护和更换

电池组的配置和维护通道的距离必须满足日常维护和更换电池的要求。

(9)长寿命化

数据中心室精密空调器电池有合理的采用寿命要求，过短的采用寿命会增加机房精密空调器系统的不稳定性和价格。

2 vrla电池的种类

作为备份用途的vrla电池根据电池单元电压电平分为2v、6v、12v等系列。 根据固定电解液的方法，分为agm (超微细玻璃纤维)电池和gel (胶体)电池，分别如表1和表2所示。

3电池的主要技术指标和采用寿命

(一)电池的主要技术指标

①正常的就业条件

工作温度:-15~+45℃；

蓄电池的储存温度:5~+40℃；

相对湿度: &le； 90%(25℃)；

②安装方法

可以满足立式或卧式的安装条件。

电池抗震加固必须满足yd5096-2005通信电源设备隔震性能检查规范》的要求。

③蓄电池组按照yd/t799-2010规定的相关方法进行试验，10h率容量的第1次循环为0.95c10以上，第3次循环中达到C10、3h和1h率的容量分别在第4次和第5次之前达到，放电终止电压不符合表3的规定

④温度特性

蓄电池的事业环境温度为0℃时的容量必须在该电池的实际容量( 25℃时的c10 )的80%以上。

⑤容量残存率

电池静置28天后的容量残存率在96%以上。

⑥密封反应效率

电池密封的反应效率必须在97%以上。

⑦电池端子电压的平衡

由电池和多个电池构成一体的组合电池与各电池间的开路电压的最低差在20mv(2v )、100mv(12v )以下. 电池组进入浮动状态24h后，各电池之间的端子电压差将在90mv(2v )、480mv(12v )以下。

⑧电池连接条的压降

电池以1h速率进行电流放电，在两个电池极柱的根部测量的电池之间的条形压降&le； 10mv；

⑨防酸雾性能

电池在正常的浮动充电过程中应没有酸雾泄漏。

⑩防爆性能

电池在充电过程中发生火灾时，内部不点火，不要爆炸。

阻燃性

电池盒、盖子必须满足gb/t2408-1996的8.3.2fh-1 (水平级)和9.3.2fv-0 (垂直级)的要求。 电池连接线或电池连接片护套应选用阻燃性材料。

气密性

电池必须能承受50kpa的正压或负压。 不要破裂，不要脱胶。 压力释放后，外壳应没有剩下的变形。 安全阀需要电池安全阀具有自动开闭功能，其开阀压力为10~35kpa，闭阀压力为3~15kpa。

电池的外观应无变形、漏液、裂纹、污垢，显示清楚。

过放电性能的要求

以c10电流放电到接近0v，短路24h，以2.35v/电池恒压限流c10充电48h后，进行c10容量检查，连续进行5个循环后蓄电池的实际释放容量必须在0.90c10实际容量( 25℃时c10 )以上。

(2)采用寿命

在电池的实际采用过程中，如果电池的实际放电容量低于额定容量的80%，则认为该电池发生故障或寿命结束。

一些典型的失效模式如下。

①板栅腐蚀

蓄电池正极板栅在采用浮动充电时产生腐蚀，腐蚀深度达到极板厚的50%时，蓄电池的寿命结束。 另外，在腐蚀过程中，正极板栅产生变形和伸长，被称为正极板栅的生长，板栅的条纹断裂，容量完全丧失。

②负极板接头和接头(汇流条)腐蚀负极板接头和接头(汇流条)的表面时，会因氧再结合反应和电解液中的硫酸盐杂质而发生化学腐蚀。 另外，如果以高电流密度放电，负极容易钝化，电极表面成为细孔小的致密层。

③脱水干燥脱水的原因如下。

&bull； 过充电引起气体析出；

&bull； 水从电池壳渗出；

&bull； 面板栅腐蚀对水的消耗；

&bull； 因自放电失去水。

其中过充电引起的气体析出是实际采用的中电池脱水干涸，电池容量下降的最重要原因。

④热失控

阀控铅蓄电池长期处于环境温度过高或充电设备电压失控的状况时，电池内部温度过高，电池内阻下降，充电电流进一步上升，内阻进一步下降，这样反复恶性循环。

热失控会使电池壳严重变形或破裂。 为了防止热失控，必须采取相应的措施:

&bull； 充电设备需要温度补偿功能或电流限制功能。

&bull； 严格控制安全阀的质量，使电池内部的气体正常排出。

&bull； 电池设置在通风良好的地方，控制电池的温度。

⑤负极硫酸氯化

蓄电池因放电后的放置导致充电不足或过放电时，负极逐渐变得粗大坚硬的硫酸锌，用通常的方法充电时难以变成活性物质，电池容量减少，成为蓄电池寿命结束的原因。 这种现象称为不可逆硫酸盐化。

4电池容量的计算方法

(1)恒功率法(查找表法)

恒功率法(查找表法)是机房精密空调器电池容量计算的最常见方法。

蓄电池的恒电力数据都来自新的电池试验数据，恒电力法(查找表法)没有考虑蓄电池的折旧和温度变化，因此机械室精密空调器蓄电池的运转环境稳定，机械室精密空调器负荷

①计算公式

恒电力法是能量守恒定律的体现，蓄电池供给的电力超过负载消耗的电力，即

p负载&le； p电池(1)

式中，p电池--电池实际试验的恒功率数据

p负载--电池组提供的总功率主要是负载消耗的功率。

以机械室精密空调器为负荷时，p负荷可以表示为(2)。

式中，p(va)--机房精密空调器标称容量( va )；

pf--机房精密空调器功率因数

&eta； -逆变器转换效率。

各个电池单元需要供给的电力是(3)。

式中，pnc--每个单体需要供给的电力

n--设备上安装的电池数量

n每个电池的单电池数。 12v电池由6个2v单电池构成时，n=6；

②计算示例

计算100kva室精密空调器、备份时间30min、电池配置。

首先确认参数请求:

&bull； 恒功率数据表( 25℃，电池单元终止电压umin=1.70v )

&bull； 机房精密空调器的变频效率&eta； ；

&bull； 机房精密空调器单组电池只有几n。

调查恒功率放电数据表(表4 )，得到如下配置方案。

可以从式(2)和式(3)得到

选择12np100型蓄电池，查找表(4)为umin=1.70v，放电时间30min，额定功率198w。

p(va)=100kva=100×； 103va，pf=0.8，n=6，n=36，&eta； =0.95代入式(4)

得到的pnc=390(w )

两组12np-100电池(每组36个)恒定功率198×； 2=396>； 390(w )满足机房精密空调器运行30分钟的备份时间，或选择一组12np-200电池(每套36个)。

(2)估算法

这种做法是电动式和蓄电池容量概念的体现。 根据已经明确的机房精密空调器企业品牌和型号，可以知道电池组最低电压umin。

①计算公式

仪式中

c10电池的10小时率容量

kch容量换算系数(1/h )因蓄电池而异，在放电终止电压下是电池的容量换算系数。

在机房精密空调器系统中，负载容量通常是恒定的，但电池组的电力随着放电时间逐渐下降，根据p=ui，为了提供恒定的负载容量，电池组的放电电流逐渐增大。 为了便于计算，我们选择了电池组的最大工作电流作为我们的计算数据。

具体计算如下。

式中，imax--电池组提供最大电流。

umin--电池组的最低实务电压值。

从计算法的计算公式可以看出，由于使用了电池组的最低实务电压值umin，所以要求的电池组的稳定时容量会变大。 这是因为蓄电池刚放电后所需的放电电流明显小于imax。

根据现在的录用经验，在计算出c10的值的基础上，可以乘以0.75的修正系数。

②计算示例

计算100kva的机房精密空调器、备份时间30min、电池配置。

公式计算如下:

把关联数据代入式(7)得到

根据式(6)，c10=imax/kch=229&； pide； 0.9=255(ah )

经验上乘以0.75的系数进行修正的结果是c10=191(ah )，可以选择2组12np-100电池或1组12np-200电池。

(3)电源法

这是介绍的机房精密空调器备用电池容量计算方法中唯一的标准(通信电源设备安装工程设计标准yd/t5040-2005 )支持的方法。 这种方法比推定法更全面地考虑机械室精密空调器电池全服务期间的电池状态，在电池的运转环境温度变化大的情况下，可以更正确地计算电池的容量。

①具体计算

在上述2式中，I电池组电流( a )

q电池组容量( ah )

pf功率因数，取值0.8。

k电池的保险系数，取值1.25。

t电池的放电时间( h )

h电池的放电系数(参照表5 )

u电池放电时的输出电压( v ) (单电池电压为1.85v )

a电池的温度系数(1/℃)、放电时间率&ge； 十点钟是0.006，1 & le； 放电率<； 10点取0.008，放电率<； 1时，取0.01。

t电池所在地的最低环境温度值，所在地有暖气设备时在15℃考虑。 没有暖气设备时，在5℃下考虑。

&eta； 变频器的转换效率。

这个方法全面考虑了环境因素和电池容量的衰减，机房精密空调器满负荷采用的概率很高，在重要的采用情况下选择这个方法计算配置电池容量。

②计算示例

计算100kva的机房精密空调器、备份时间30min、电池配置。

p(va)=100×； 103，pf=0.8，&eta； =0.95，u=1.85，n=36，n=6批量代入式( i=211(a ) )

根据表5调查了蓄电池终止电压=1.75v、放电时间为30min(0.5h )时的电池放电容量系数h=0.40及i=211、k=1.25、t=0.5h、&eta。 =0.95，t=25℃代入式(9)的q&ge； 347(ah )

结果需要两组12np-200电池，每组36只。

5室精密空调器与电池的连接和物理保护

(1)电池内部电缆(连接板)

①连接线(连接板)的截面积请根据电池组的最大放电电流进行配置。 如第4(1)节的例子所示，在以100kva室精密空调器、备用时间15min、恒功率计算方法配置电池的情况下，根据计算，电池的最大电流满足230a，连接线(连接板)的截面积满足安全通过230

②多组电池并联连接时，请考虑各组电池供电的极端情况。 如100kva室精密空调器，备份时间为15min，使用一组配置时，连接线(连接板)的截面积应安全地满足通过230a的电流。 使用两组配置时，每组连接线(连接板)的截面积必须安全地满足通过230a的电流。 如果使用3组配置，认为其中1组电池需要检查系统退出时，剩下的2组连接线(接线板)的截面积总和必须安全地满足通过230a的电流。

(2)电池内部连接的物理保护

①连接线(连接板)适用绝缘护套和防锈镀层，绝缘护套使用v0级阻燃材料，防锈镀层可以使用镀锌等防锈解决方案。

②连接线(连接板)要求紫铜材料，紫铜材料的纯度在99.90%以上。

6电池的安装环境要求

(1)电池布局要求

电池组的配置必须满足以下要求。

立放蓄电池组间通路的净宽度请设为单电池宽度的1.5倍以上，最小请设为0.8m以上。 上下两层之间的网络空间距离是单电池高度的1.2~1.5倍的双层配置的电池组。

竖起两排配置的电池组，一组电池两排之间的网宽应满足电池抗震框架的结构要求。

电池组侧面和墙壁之间的副通道的网络宽度必须在0.8m以上。 主要通道时，其净宽度应在电池宽度的1.5倍以上，最小应在1m以上。 单层多列配置的电池组可以沿着墙壁设置，其侧面和墙壁之间的净宽度通常为0.1m。

将电池组的一端竖立设置在墙上时，列端电池和墙壁之间的净宽度通常在0.2m以上。

使电池组的一端接近机械室的出入口时，必须留下主要通道，其净宽度通常为1.2~1.5m，最低为1m以上。

卧铺阀控制式电池组侧面之间的净宽度应在0.2m以上。

卧式阀控制式电池组的正面和墙壁之间，或者正面和侧面或背面之间的通道的净宽度应在电池总高度的1.5倍以上，最小1.2m以上。

卧铺阀控制式电池组正面和墙壁之间通道的净宽度应在电池总高度的1.5倍以上，最小1m以上。

卧铺阀控制式电池组的可靠墙壁设置。 其背面和墙壁之间的净宽度通常为0.1m，电池组侧面和墙壁之间的净宽度应在0.2m以上。

(二)设置场所的要求

①电池的设置场所请远离热源及可能产生火花的场所。

②电池组与安装墙及其他设备的安全距离应符合本章第(1)节的要求。

③电池请设置在通风良好的阴暗房间里，不要阳光直射。

不要设置在空调器的吹出口附近。

⑤电池室必须进行通风设计，防止电池采用错误引起的爆炸性气体凝聚。

⑥电池的设置场所必须没有剧烈的振动源和冲击源。

(3)电池发热量的计算

蓄电池在充放电的过程中恒温很困难。 铅酸二次电池在充电和放电中伴随热效应，产生焦耳热。 另外，根据gibbs-helmholz方程式进行吸热或散热，为了克服两极化和电池内阻而损失的电压降全部转换为热。

充电过程中电池内部的状态经常变化，因此发热量的计算非常多，非常复杂。 领域内每个电池制造商的共同研究测试最终将蓄电池的发热量计算公式简化如下。

q=i×； u×； n (10 )

在其中

q电池发热功率，单位: w；

I充电电流，单位: a；

u充电电压，单位: v；

n电池的数量。

电池处于浮动状态，发热量小，可以忽略不计。 在放电状态下，是将蓄电池内的化学能转换成电能的过程，因为这个过程是吸热过程，所以此时不发热(吸收的热量小，可以忽略)。 蓄电池的均充状态还可以细分为两个部分:均充初期，此时充电的电能的大部分转换为化学能储存在蓄电池中，因此此时的发热量也小，可以忽略。 在均充的后期，电能转换为化学能的效率大幅下降，此时有很大的发热量。

以2v500ah蓄电池为例，在均充后期，一组蓄电池( 384v )由192单体构成，均充电电压为2.35v，电流为2a，其发热量为q=i×； u×； n=2×； 2.35×； 192=902.4(w )

(4)废气和废气量计算

蓄电池在作业中排出少量氢气和氧气(主要是so2气体)。 气体的排放量与环境温度有关，温度越高排放量越多。 蓄电池的氢排放和酸排放气体的量，影响条件多而复杂，至今没有正确的计算方法。

现在的测试是根据iec60896-2004的试验方法，在实验室条件下测定的。 测试结果为2ml/100ah/h。

7室精密空调器电池开关的设计与选型

机械室精密空调器的电池开关必须根据机械室精密空调器的电气参数和电池配置进行选择。 电池开关请选择直流断路器。 根据企业品牌不同型号不同的机械室精密空调器，电池的配置节数一般不同，因此需要根据具体的机械室精密空调器参数进行电池开关放电电流的计算，放电电流的通用计算公式为。

上式中的1.75是设想的单电池放电保护电压。 这个计算出的I电池值是所有电池组的总放电电流。

但是，数据中心室精密空调器系统一般至少并联配置两组以上的电池组，为机房精密空调器供电，最常见的是配置三组电池。 这时，一组电池开关实际上不需要配置得那么大，根据一组电池结束检查时，正好商用电源被切断，余下的两组电池需要负担额定负载选择电池开关。 这是因为一组电池开关的最大放电电流是I电池/2，如果总开关是1000a，就可以选择500a。

除了一组电池开关，为了操作方便，一般的数据中心室精密空调器的蓄电池系统需要配置总开关，该开关的容量选择可以通过I电池选择电池的总开关。 1000a以下的直流开关通常使用热磁脱扣原理实现短路保护，因此如果总开关由断路器保护，则不容易保证总开关和组开关之间的保护选择性，而且组开关已经选择直流断路器， 总开关选择断路器的短路保护功能几乎是如此，因此建议机械室精密空调器的总电池开关替换为具有自动跳闸功能的负载开关。 不仅经济，而且具有更可靠的短路保护选择性。

为了维持机械室精密空调器的应急状态，为了切断电池的总开关和在没有确立直流母线电压时禁止电池的接通，该总开关需要配置跳闸线圈的附件，常用的跳闸电压是AC/DC24 / 此外，请配置辅助触点信号，以使机械室精密空调器能够监视电池总开关的状态。

为了便于电池的检查和操作维护，请将该电池开关独立安装在机柜中，安装在电池架或机柜的一侧。

8结语

分析:您应该充分了解数据中心机房精密空调器组电池设计、电池工作原理、特点、选项的大致情况、设计计算、安装、维护等诸多问题。 这延长了电池的使用寿命，确保了数据中心室的精密/[/k0。 电池的长寿命和稳定运行是实现机房精密空调器系统不停电功能的重要保证。

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