WP39 v2 数据中心和网络机房蓄电池系统：VRLA电池组的可靠性与安全性

数据中心和网络机房蓄电池系统：VRLA电池组的可靠性与安全性 版本 2 作者 Stephen McCluer 简介 2VRLA 蓄电池的类型 2VRLA 蓄电池的工作原理 3VRLA 蓄电池的预期寿命 4故障模式 4安全性 7回收处理和环境安全 7结论 8资源 9 点击内容即可跳转至具体章节 目录第 39 号白皮书 阀控铅酸(VRLA)蓄电池是中小型不间断电源(UPS)的首选储能电池。本白皮书探讨了技术对蓄电池整体寿命和系统可靠性的影响，此外，还将介绍 VRLA 蓄电池的预期性能、影响其生命周期的因素，以及故障应对机制。施耐德电气旗下 的白皮书现收录于施耐德电气白皮书资料库 由施耐德电气数据中心科研中心数据中心科研中心发表，DCSCSchneider-E 摘要 数据中心和网络机房蓄电池系统：VRLA 电池组的可靠性与安全性 施耐德电气 数据中心科研中心 第 39 号白皮书 版本 2 2 阀控铅酸(VRLA)蓄电池已在 UPS 系统中运用了将近 20 年之久。与传统的富液电池相比，VRLA蓄电池的功率密度更高，投资成本更低。通常来说，500 kVA 以下的电源系统中适合采用 VRLA蓄电池。VRLA 蓄电池的功能包括：蓄电池箱密封，不能加入或倒出电解液 其铅板浸在用水稀释了的硫酸溶液（电解液）中 电解液不流动（不允许流动）在高电流下工作 安全排气口只有在电池故障或超量充电的情况下，才会排气 在内部，氧和氢重新结合形成水 安装在开放式机架或大型机柜中（或内置在小型电源系统中）本文将详细探讨与 VRLA 蓄电池工作相关的部分因素。人们对于 VRLA 蓄电池的关注主要集中在两个方面：可靠性和安全性。因为 VRLA 蓄电池十分普及（每年估计部署 1000 万个左右），许多人都有使用 VRLA 技术的经验，其中有好也有坏。为了更好地了解 VRLA 技术的应用范围与限制，我们首先需要了解 VRLA 设计中的各种变化以及它的工作原理。之后，我们就能看到对于这种技术的正确与错误应用。所有产品都有使用期限。我们将探讨 VRLA 蓄电池的寿命，以及对它的应用和维护将如何影响其寿命。尽管灾难性故障并不常见，但我们也将了解如果 VRLA 电池使用不当，将会发生哪些安全危险。VRLA 蓄电池有时可通过其采用的固定电解液技术固定电解液技术来识别，它分为两种类型：凝胶电池 在这类型电池中，电解液分布在电池极板和隔板周围，通过添加一种凝胶增稠剂来防止其流动。凝胶电池有时较常用于室外机柜和光 伏发电应用中。与北美相比，它们在欧洲和亚洲的普及程度更广。吸附式玻璃纤维隔板(AGM)电池 在这类型电池中，多孔透水的吸附式玻璃纤维隔板将极板隔开，以类似于海绵的方式吸附电解液。相比之下，AGM 相比凝胶电池更常见，将作为本文讨论的重点。AGM 适用于数据中心和网络机房等需要能够充分把控的环境。VRLA 电池还可根据其极板类型极板类型进行进一步细分。被称为“电信用”或“长持续使用时间”的 VRLA 蓄电池极板较厚，使电池须经过几小时才能达到其最终电压。如果低于每电池 1.75 V，它们一般不再放电。被称为“UPS 用”或“高放电率”VRLA 蓄电池极板较薄，蓄电池只需几分钟就能达到其最终电压。它们一般在 1.67 V 到 1.70 V 左右放电。VRLA 蓄电池也能根据其蓄电池箱蓄电池箱类型进行细分：“整体蓄电池箱”VRLA 一般是一个 6 V（3 x 2 V 电池）或 12 V（6 x 2 V 电池）蓄电池箱。端子可以在蓄电池箱的顶部，也可以在蓄电池箱的一端。这种电池无疑是中小型电池备用系统使用最广泛的电池，适用于数据中心、网络机房和电信环境。简介 VRLA 蓄电池 的类型 数据中心和网络机房蓄电池系统：VRLA 电池组的可靠性与安全性 施耐德电气 数据中心科研中心 第 39 号白皮书 版本 2 3 “单元式”VRLA 蓄电池几乎都是由单独的 2 V 电池组成，一般水平安装，以便其所有连线和维护都从系统“前面”进行。这些电池常常打包为钢制“模块”，而这些模块能够叠放，串联和/或并联。该类型电池最常用于希望实现长时间、高功率备用的电信应用。“模块化”VRLA 蓄电池实际上是排成一串、方便打包的多个 VRLA 电池，安装和拆除非常快捷。插装式电池模块能插装进设计了匹配插座的电池机柜中。阀控铅酸蓄电池这一名称来自于蓄电池箱中有一个标志性的阀门。与过去的富液电池不同，VRLA 蓄电池的设计既防止气体释放这是电气化学反应通常会产生的副产品，也防止外部空气进入。在铅酸蓄电池充电期间，一般会释放氢气。在排气式电池中，氢气会逸入大气中。而VRLA 蓄电池使用的一个流程（该流程不在本白皮书讨论范畴内），将氢和氧重新结合，将水分图 1“整体蓄电池箱”VRLA蓄电池示例 图 2“单元式”VRLA蓄电池 图 3 “模块化”VRLA蓄电池 VRLA 蓄电池的工作原理 数据中心和网络机房蓄电池系统：VRLA 电池组的可靠性与安全性 施耐德电气 数据中心科研中心 第 39 号白皮书 版本 2 4 损失减至最少。在普通浮充状态下，大约 95%到 99%的氢和氧再次结合了。阀门可重复密封，只有当压力超过安全阈值时，才排出不能重新结合的气体。尽管其电气化学反应过程与富液电池类似，但 VRLA 的不同之处在于正极释放氧气、到达负极，最终形成水的速率。其速率要比富液电池快几个数量级。因为不能加水，所以氢氧重新结合生成水，对于因为不能加水，所以氢氧重新结合生成水，对于 VRLA 电池的寿命和健康运行极为重要。任何会提高蒸发速度或失水速度的因素都将缩短电池寿命电池的寿命和健康运行极为重要。任何会提高蒸发速度或失水速度的因素都将缩短电池寿命。这其中包括蓄电池箱材料、工作或存储环境温度，以及充电电流热失控等。在蓄电池行业，一直存在着对于“预期寿命”的争议。如果我们忽略作为商业术语的“保修期”，实际上人们经常混淆以下两个技术术语来表达“预期寿命”，但它们的含义并不相同。设计寿命 生产商使用此术语作为衡量指标。这是一个理论值。它用来快速比较电池，如“5 年”、“10 年”和“20 年”电池等，是生产商提供相应保修的基础。使用寿命 这是一个更为实际的概念，为从安装电池到其电量不足额定电量的 80%之间的时间（以年为单位）。使用寿命意味着电池不到设计寿命，就必须更换。实际上，VRLA 电池的使用寿命很可能不到设计寿命的一半。在一些工作环境极为恶劣的情况下，使用寿命将只有设计寿命的 20%。而如果正确使用、监控和维护，VRLA 电池的服务寿命一般能达到设计寿命的 70-80%。有人曾说“VRLA 蓄电池都不是自然死亡它们是被谋杀的”。这句话的意思是，VRLA蓄电池常常被置于要求过高的应用场合，所以其寿命被人为缩短了。影响 VRLA 蓄电池寿命的因素包括：1.设计（各生产商的设计互不相同）2.材料质量（杂质/缺陷）3.生产方法 4.质量控制 5.充放电曲线 6.工作环境 7.充电模式 第 1 到第 4 项是由生产商决定的。电池买家必须根据自己的知识与经验，选择一家值得信赖的供应商。第 5 到第 7 项则由系统集成商或用户控制。电解液干涸是造成 VRLA 蓄电池无法使用的主要原因之一。许多故障模式都有导致电解液干涸的倾向。高温环境高温环境 电池生产商一般采用在特定环境温度下的工作年限的形式，来表达保修寿命或设计寿命。在可控环境下，可进行合理预测。根据经验，对于一个保持恒定充电状态（浮充寿命）的固定型 VRLA 蓄电池来说，在最适宜的 25C(77F)温度基础之上，每升高 8C(14.4F)，寿命减少 50%。对于 VRLA 蓄电池的批评，一定程度上是因为它们广泛用于狭窄、不可控的环境，如室外机柜等，这些环境中，温度剧烈变化司空见惯。图图 4 提供了在数据中心等温度稳定环境中持续工作时的预期合理服务寿命。当然，单凭经验，可能会忽略很多。图图 4 只是考虑了一个因素（温度），但实际上 VRLA 蓄电池受多个因素影响。例如，即使室温完全合乎条件，电池堆放过密或置于不通风的机柜，也会导致内部温度过高，从而使容量过早受损。故障模式 VRLA 蓄电池的预期寿命 数据中心和网络机房蓄电池系统：VRLA 电池组的可靠性与安全性 施耐德电气 数据中心科研中心 第 39 号白皮书 版本 2 5 循环寿命循环寿命 较少使用的电池，其寿命明显长于每天都充放电的电池。生产商的产品简介中很少公布电池的循环寿命。每次，您通过电池供电，就是在放电。您放电的功率瓦数和时间长度决定了“放电深度”(DOD)。电池放电速率、两次放电之间充电的时间，以及充电速率也都很重要。在电池的设计中，通常假设每年有 2-3 次深放电（放电深度为 100%）。一般来说，一个 VRLA蓄电池能提供上百次的浅放电（放电深度25%）。而在现场实际运行过程中，将有多种类型的充放电情况。充电模式充电模式 越来越多的证据表明，浮充电压对 VRLA 蓄电池的寿命影响很大。富液电池常见的、定期对电池高压“恒流充电”的做法，公认为对 VRLA 蓄电池非常不利。数据中心和网络机房UPS 系统中使用的电池一般为恒定电压充电，称为浮充电压。电池不能超过电池生产商规定的浮充电压值。过度充电会导致电解液干涸，缩短电池寿命，并引发故障，有时甚至出现灾难。大多数数据中心和网络机房 UPS 在 10 倍于放电周期的时间内，将电池充电到额定电量的 90%（例如，一次 7 分钟放电后，将充电 10 x 7=70 分钟）。如果充电过快，会给电池造成压力，缩短其寿命。为适用于数据中心和网络机房，系统必须包括一个能精确调整电压的控制机制。它也应该能根据温度来调整电压。几年前，大家普遍认为，由于交/直流整流器不佳而导致的纹波电流是缩短电池寿命的主因。但如今，人们意识到，在大多数 UPS 系统中，纹波电流并不会造成严重问题，但过多的交流纹波电流确实会对电池内部热量生成和服务寿命造成巨大影响。UPS 充电器应尽量减少纹波电流（如每 100 AH 低于 5A 等）。电池反极电池反极 大型电池串联组，主要是 VRLA 蓄电池会出现电池反极现象。只有当电池放电，且具备以下两个前提条件时，才会形成电池反极：1.在一个电池串联组中，一个电池的电量远远低于其它电池。2.电量较低的那块电池被其它正常电池造成电极反极。尽管出现电池反极，但电池组仍能保持足够的总电压，以便电池组继续向负载供电。这种情况是否会出现，取决于系统设计。一般来说，电池总线电压低于 100 V 的 UPS 系统，或是采用并联电池组的系统，不会出现此现象。因为电池性能下降或生产时的问题，会出乎意料地形成上面第一个条件。而以上两个条件都出现后，反极的电池会给全部电池电量带来 5%的功率消耗，导致电池严重过热，甚至在某些极端状况下爆炸。幸运的是，我们可以通过以下措施，几乎完全避免系统中出现电池反极的风险：使用并联电池组 使用较低的 UPS 直流总线电压 监控电池组中的电压 025507510025334251温度 C 占设计寿命的百分比 图 4 工作温度与电池寿命 数据中心和网络机房蓄电池系统：VRLA 电池组的可靠性与安全性 施耐德电气 数据中心科研中心 第 39 号白皮书 版本 2 6 并联电池组有助于防止上面第二个条件的发生，因为当问题电池上的电压企图反极时，电流会流入邻接电池组。插装式电池模块采用并联电池组，不会出现这种故障模式，因为试图反极的电池上的负载电流会流入邻接电池组。内部故障内部故障 VRLA 故障包括负极端子侵蚀、负极汇流排破损、极板过度增长、负极容量损失，以及正极和负极汇流排相触等。这些故障会在电池使用后的 1 至 5 年内出现。板栅侵蚀板栅侵蚀/极板间距变短极板间距变短 正极板栅侵蚀/增长是导致 VRLA 蓄电池和插装式电池模块（特别是设计寿命较短的电池）故障的主要原因之一。这种情况下，总是先发生电解液干涸，再出现板栅侵蚀问题。正极板栅侵蚀也是富液电池系统的一种常见故障模式。它造成机械强度减弱，最终使得板栅上铅脱落。内部阻抗增加，而电量减少。严