理士蓄电池设计与选型

作为数据中心不间断电源系统中的核心系统，如何选择适合的蓄电池种类和容量，是整个蓄电池系统工作中的重中之重。此外，除蓄电池的种类选择和容量计算之外，在整个蓄电池系统设计中，需要的考虑的方面还有很多，包括蓄电池柜（架）设计、蓄电池连接件及布线设计、直流开关箱( 柜) 设计等，本文重点阐述蓄电池种类选择和容量选型计算。

种类选择

选择适合的蓄电池，对于数据中心不间断电源系统尤为重要。当下，可以作为数据中心用的蓄电池种类已经不仅仅局限于传统的铅酸蓄电池了，除了备受蓄电池行业关注的锂离子电池，还有飞轮、超级电容、氢燃料电池、液流电池等都在被逐一讨论和尝试用于数据中心蓄电池系统，为未来的数据中心蓄电池系统提供更加丰富和宽广的选择。不过现阶段而言，铅酸蓄电池仍是数据中心蓄电池系统的主流选择，是绝大多数数据中心首选的蓄电池种类；其次，锂离子电池正在以几乎不可逆转的态势逐步取代铅酸蓄电池在数据中心的地位，在欧美地区和其它地域相对狭窄的国家及地区已经开始大规模应用于数据中心机房，部分国家和地区在新的数据中心设计时已明确指定使用锂离子电池；其他各种蓄电池技术也在逐步开始验证其在数据中心应用的可行性，稍微有大规模应用案例和经验。

容量计算

蓄电池作为不间断电源系统的重要组成部分，其选型设计受限于负载大小和电源装置限制，常见电源装置包括UPS、HVDC、逆变器、直流屏等，接下来以蓄电池搭配最为常见的UPS 来进行举例说明蓄电池系统的容量计算的方法。

对于铅酸蓄电池而言，选型计算分为恒电流和恒功率两种计算方法：

按容量、电流选型，简称恒电流选型法。一般需要知道工作电流、工作时间、终止电压等。我们以480V 直流备用电源系统为例，已知某以480V 为额定电压的直流备用电源系统，平均工作电流400A，停电时需要蓄电池组支持0.5 小时，系统低于报警电压420V，客户要求使用12V系列电池。选型计算如下：

① 计算每组电池只数和单格数量：480V÷12V=40 只，40×6=240 Cells

② 计算每单格终止电压：420V÷240 Cells=1.75Vpc

③ 由此可得出单格性能要求为恒流400A 到1.75Vpc

④ 以某市场常见高倍率铅酸蓄电池产品为例，通过查阅该厂家高倍率铅酸蓄电池产品性能规格书，该厂家高倍率铅酸蓄电池最大单体功率为850W，其产品性能规格书中显示，当单格终止电压为1.75Vpc时、其0.5小时率恒流放电电流值为269A，小于400A放电要求，故单组蓄电池无法满足性能要求，那么配置2组蓄电池，并联使用，单组需要电流则为400A÷2=200A。再次查询该厂家高倍率铅酸蓄电池产品性能规格书，可以发现该厂家高倍率铅酸蓄电池系列中，710W型产品在单格终止电压为1.75Vpc、0.5小时率恒流放电电流值为248A，最接近要求。下图是该厂家710W型产品恒流放电参数表。

⑤ 故选型结果为：蓄电池系统配置该厂家710W型高倍率铅酸蓄电池，每组配置40 只，2组并联。

按恒定的放电功率选型，简称恒功率选型法。需要知道系统电压、功率要求、UPS电池侧相关参数、工作时间和终止电压等。我们以400KVA不间断电源系统为例，已知UPS为某品牌400KVA型UPS，其功率因数为1、逆变效率0.94，直流侧额定电压480V，停电时需要蓄电池系统支持0.25小时，系统低压报警值为400.8V，客户要求使用12V系列电池。选型计算如下：

① 计算蓄电池系统总功率需求：400KVA×1÷0.94=425.53KW

② 计算每组电池只数和单格数量：480V÷12V=40只，40×6=240Cells

③ 计算每单格终止电压：400.8V÷240Cells=1.67Vpc

④ 计算每单个功率需求：425.53KW÷240Cells=1773.05W

⑤ 由此可得出单格性能要求为恒功率1773.05W 到1.67Vpc

⑥ 以某市场常见高倍率铅酸蓄电池产品为例为例，通过查阅该厂家高倍率铅酸蓄电池产品性能规格书，该厂家高倍率铅酸蓄电池最大单体功率为850W，其产品性能规格书中显示，当单格终止电压为1.67Vp时、其0.25小时率恒功率放电功率值为850W，小于1773.05W放电要求，故单组蓄电池无法满足性能要求，那么就配置多组蓄电池，并联使用。我们假定蓄电池组数配置为3组，单组需要电流则为1773.05 W÷3=591.02W. 再次查询该厂家高倍率铅酸蓄电池产品性能规格书，可以发现该厂家高倍率铅酸蓄电池系列中，710W 型产品在单格终止电压为1.67Vpc 时、0.25 小时率恒功率放电功率值为710W，最接近要求。下图是该厂家710W 型产品恒功率放电参数表。

⑦ 故选型结果为：蓄电池系统配置该厂家710W 型高倍率铅酸蓄电池，每组配置40 只，3组并联。

对于锂离子电池而言，由于各品牌锂离子电池系统组成和设计框架不尽相同，一般采用恒功率法计算，通过蓄电池厂家给定的充放电电压范围反向验证配置的正确性。需要知道UPS工作时电池侧电压范围、功率要求、UPS电池侧相关参数、工作时间等。我们同样以400KVA不间断电源系统为例，已知UPS为某品牌400KVA 型UPS，其功率因数为0.9、逆变效率0.94, 直流侧额定电压480V，直流侧工作电压范围为400~620V，停电时需要蓄电池系统支持0.25小时。客户要求使用锂离子电池系统。选型计算如下：

① 计算蓄电池系统总功率需求：400KVA×1÷0.94=425.53KW

② 根据UPS 直流侧工作电压范围，确认锂离子电池模组型号，要求锂离子电池组放电截止电压不得低于UPS直流侧最低工作电压、最低充电电压不得高于UPS直流侧最高工作电压。我们以某品牌高压锂离子电池为例，通过查询该品牌高压锂离子电池规格书得知，其512V磷酸铁锂离子电池工作电压为448~584V，符合UPS直流侧400~620V工作电压范围，故此我们可以选择该品牌512V磷酸铁锂离子电池。该品牌512V磷酸铁锂离子电池包括两款产品分别为512V50Ah 和TP200 512V100Ah，对应的0.25 小时率恒功率放电功率值分别为93KW和186KW，我们选择TP100 512V50Ah。

③ 计算所需锂离子电池组数：425.53KW÷93KW=4.58，取整为5 组。

④ 故选型结果为：蓄电池系统配置该品牌512V50Ah 高压磷酸铁锂电池组，配置组数为5 组。