Батерии за UPS и дейта центрове

Tехнологиите за съхранение на енергия в центровете за данни играят важна роля за поддържането на системите в работно състояние. Ако отпадне захранването, първата линия на защита обикновено са батерии, които са включени като част от системата за непрекъсваемо захранване (UPS).

Макар че се проучват алтернативни технологии за съхранение на енергия, като например горивни клетки, маховици, литиево-йонни и никел-кадмиеви батерии, UPS системите в центровете за данни и поддръжка на мрежи почти изключително използват оловно-киселинни батерии.

Има два основни вида батерии, използвани в UPS устройства – клапанно регулирани оловно-киселинни клетки (VRLA), известни също като запечатани или необслужваеми, и мокри клетки (наричани също залети). VRLA батериите обикновено имат по-ниски първоначални разходи, но имат по-кратък живот в сравнение с тези, които са с мокри клетки. Мокрите батерии изискват по-сложна поддръжка, но имат по-дълъг живот.

VRLA батерии
VRLA батериите са запечатани, обикновено в полипропиленова пластмаса. Те са разработени, защото имат предимството, че не съдържат плискаща се течност, която може да протече или да прокапе, когато са обърнати наобратно или са третирани грубо. Терминът “клапанно регулирани” се отнася до метода за отделяне на газ. Ако налягането на газа вътре в батерията стане прекалено голямо, клапанът ще сработи като отдушник, когато се достигне определено налягане.

По време на зареждането на оловно-киселинните батерии обикновено се освобождава водород. При вентилираните батерии водородът се изпуска в атмосферата. В батериите от тип VRLA водородът реагира с кислород, така че загубата на вода се намалява до минимум. При нормални условия на експлоатация на практика цялото количество водород реагира с кислород. Автоматично затварящите се клапани пропускат нереагиралите газове, само когато налягането превиши безопасния праг.

VRLA батериите се отличават от залетите батерии по скоростта, с която кислородът се отделя върху положителната плоча и достига чрез дифузия до отрицателната плоча, формирайки в крайна сметка вода. Тази скорост е с няколко порядъка по-висока, отколкото при батериите със залети клетки.

Тъй като не може да се добавя вода, нейното рекомбиниране е от решаващо значение за живота и състоянието на батериите тип VRLA. Всеки фактор, който увеличава скоростта на изпаряване или загубата на вода, като температурата на околната среда и топлината от зарядния ток, намалява живота на батерията.
VRLA батериите се използват от над 40 години.

Тази технология предлага по-висока плътност на мощността и по-ниски капиталови разходи в сравнение с традиционните решения с вентилирани клетки. Обикновено VRLA батериите се разполагат в системи за захранване с мощност под 500 kVA. Характерно за батериите тип VRLA е, че при тях системата за електролита е затворена, което не позволява разливането му.

Той е неподвижен (в абсорбиращи стъклени влакна или в гел) и слаб, което го прави много по-лек, отколкото при вентилираните клетки. Водородът и кислородът рекомбинират вътрешно, а клапите за отделяне на газ се отварят при възникване на дефект. Батериите са в непрозрачен контейнер, свързват се с болтови клеми или бързи конектори и могат да се съхраняват в отворени табла или големи шкафове.

При VRLA батериите се работи с големи токове. Налични са 6- и 12-волтови “моноблокове” за малки и средни UPS, както и 2-волтови модули в стоманени корпуси за големи системи с постоянен ток. Обикновено този вид батерии се считат за част от електронното оборудване. Експлоатационният им живот, в зависимост от условията, варира между 3 и 10 години.

Батерии с мокри/залети клетки
Батериите с мокри клетки имат дебели плочи от олово, които се заливат с киселинен електролит. Това е изключително надеждна конструкция - повреди обикновено не се срещат до половината на техния 20-годишен очакван живот, като най-често това са къси съединения. Такава ситуация не е от изключителна спешност, защото всяко едно късо съединение на клетка засяга само общия запас от работно време и то с много малък процент.

Въпреки това, макар че мокрите батерии са много надеждни и с по-дълъг живот, те имат недостатъци. Те изискват повече мерки за безопасност, както и отделно помещение за батерии, поради което се намалява наличното пространство.

Най-старата технология за батерии е с мокра (или вентилирана) клетка. Тя е често използвана в автомобилни и морски приложения, и предимно в UPS приложения над 500 kW. Вентилираните батерии са с незапечатана система, която осигурява удобство при сервизното обслужване. Това обаче води до непрекъснато изпускане на водород и кислород. За разлика от батериите тип VRLA, електролитът се съхранява в течна форма и периодично е необходимо да се долива вода.

Прозрачният контейнер на вентилираните батерии позволява проверка на пластините и нивото на електролита. Подобно на VRLA батериите, и вентилираните се свързват посредством големи болтови клеми и могат да бъдат съхранявани в отворени табла или в големи шкафове. Тези батерии също работят с високи токове и експлоатационният им живот достига 15-20 години. Сред недостатъците им е, че обикновено са твърде тежки, за да бъдат вдигнати на ръце и освен това изискват прегради против разливане и детектори за откриване на водород.

Батериите често се монтират в шкафове в близост до UPS, но също могат да бъдат подредени на стелажи или на рафтове в специално предвидени за целта помещения. Батериите VRLA се монтират в UPS или в един или повече съседни шкафове.

Литиево-йонни батерии
Литиево-йонните и оловно-киселинните батерии се различават по химическия състав на материалите, използвани в електродите и електролита. Повечето съвременни литиево-йонни батерии използват метален оксид за катода и въглероден материал за анода. Електролитният разтвор е литиева сол, разтворена в органичен разтворител. От друга страна, при оловно-киселинните батерии се използват оловен диоксид за катода, олово за анода и форма на сярна киселина като електролит.

Всички съвременни литиево-йонни батерии използват неметален разтвор, съдържащ литиеви йони като електролит. Този разтвор е проводник на електрони, което води до протичане на ток между двата електрода, катода (-) и анода (+). Катодът е от метален оксид, докато анодът е изработен от порест въглероден материал. Работните им характеристики могат да се променят, като материалите се променят или се модифицират химически.

Производителите използват заместващи материали и/или добавки, за да влияят на начина, по който работи дадена клетка. Някои батерии например са проектирани за максимално висок енергиен капацитет, позволяващ дълго време на работа, измерено в часове. Те често се наричат “енергийни клетки”. “Мощни клетки”, от друга страна, са клетки, “настроени” така, че да предложат много високи плътности на мощността (т. е. специфична мощност), но с по-нисък енергиен капацитет.

При тях цялата мощност може да се предаде на товара в един кратък период от време. Тъй като UPS системите обикновено са конфигурирани да изразходват батериите в кратък период от време (минути), при тях се използват “мощни клетки”. По този начин батериите се проектират за нуждите на тяхното приложение. За допълнително разширяване на границите на съвременната технология на литиево-йонните батерии се формулират и тестват нови химически решения. Литиевите батерии са налични в няколко разновидности като например литиево-йонни и литиево-полимерни.

Поддръжка
Ясно е, че батерията на UPS е най-уязвимата част от системата. Всъщност повредите на батерии са водеща причина за загубите на натоварването. Знанието как да се поддържат и управляват батериите за UPS и центровете за данни спомага за удължаване на живота им и спестява на потребителите време и появата на потенциални проблеми в бъдеще.

Подобренията в технологията на батериите са по-скоро еволюционни, отколкото революционни. Възможностите като усъвършенствани схеми за зареждане, софтуерно управление за получаване на точна информация за останалия живот, добавящият интелигентност фърмуер са намалили, но не и елиминирали рисковете, свързани със зависимостта от всяка една батерия.

В резултат на това е разумно, ако не и от съществено значение, да се разглежда отблизо това, което може да увеличи риска от неочаквана загуба на захранване поради дефектирала UPS батерия. В крайна сметка, дори и големи инсталации с много батерии са уязвими от повредата на една-единствена батерия.

Профилактичната поддръжка и тестването са от съществено значение за всички видове батерии. При необходимост те трябва да бъдат почистени, ремонтирани или компонентите им да бъдат подновени. Когато се подменят износените клетки, винаги трябва да се използва същият тип и марка на батерията, като най-добрите практики включват подмяна на целия масив възможно най-скоро, ако причината за повредата е възрастта.

VRLA батериите изискват годишна поддръжка, докато батериите с мокри клетки се нуждаят от поддръжка на всеки три месеца. Типично, поддръжката на батерията включва измерване и записване на температурата, влажността и напрежението. Доливането на дестилирана вода е от съществено значение за правилното функциониране на мокрите клетки.

Винаги е необходимо да бъдат проучени условията, които биха могли да причинят повреда на батерията, като например прекомерен брой цикли, липсата на контрол на температурата, лошо зареждане и замърсители в околната среда.

Поддържането на подробни записи за техническото обслужване, дати на монтаж и ремонт спестява финансови средства от документиране, когато са необходими подмени. Редовните инспекции могат да установят аномалии или причини за корозия и дефекти, произлизащи от условията на околната среда. Воденето на записки следва да се осъществява по препоръчаните от производителя на батериите интервали за поддръжка и срокове за подмяна, за да се гарантира непрекъснатост на захранването във всички ситуации.