大型数据中心用铅酸电池维护策略介绍与典型故障分析
- 2023/1/10 10:58:09 作者：阿里巴巴集团 陈文环 李运建 来源：《数据中心建设+》杂志
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电池作为数据中心运行的最后一道保障。对电池进行预防性维护和分析是十分有必要的。本文主要介绍了数据中心用铅酸电池的维护方式及典型故障分析。在日常维护过程中通过对电池的浮充电压、内阻、温度等参数进行分析,加上定期的放电测试能够有效的掌握电池的基本性能情况,排除电池隐患。介绍了常见的故障判断方法,并对电池常见故障进行分析,总结了3点电池维护经验与电池性能恢复方法,降低因电池故障导致的电力风险。
一、引言
蓄电池作为不间断电源的重要组成部分,其可靠稳定的运行直接影响着后端负载的安全。铅酸蓄电池作为最先应用的化学储能设备,因其良好的放电性能、成熟的技术和较低的成本,使得其在数据中心广泛应用。
近年来随着蓄电池的技术不断发展,铅酸蓄电池也在朝着高功率、大电流放电方向发展。另外随着大型数据中心服务器功率的增加,对所配置的电池组容量也提出了较大挑战。因此目前大型数据中心普遍采用高功率电池来满足性能要求。
目前对铅酸电池的维护手段是根据相关标准的要求,定期进行端电压测量和容量测试。而高倍率电池因其采用提升酸比重、减小极板厚度的方式来提供功率特性,仅依靠电压测量和容量测试无法满足当前数据中心铅酸电池的维护需求。本文主要介绍了当前大型数据中心铅酸蓄电池的维护策略,帮助维护人员快速发现异常电池,掌握电池性能状况。另外对数据中心电池的常见故障进行分析,总结维护经验与性能恢复方法,降低因电池故障导致的电力风险与成本。
二、蓄电池维护策略研究
为了满足后端功率的放电要求、降低风险,大型数据中心通常采用串联2V高倍率阀控铅酸蓄电池全浮充供电方式。因标称电压低,导致蓄电池的数量远比12V电池要多,这对电池的维护造成了较大挑战。通过对单体电池安装电池监控单元来帮助监测电池状态能够有效的发现落后电池并减轻维护成本。针对电池的维护也是围绕这些情况进行合理化制定。
1.日常维护项目
全浮充供电方式电池绝大部分时间都处于浮充状态,因此日常的维护主要针对浮充状态下的电池相关参数和外观状态进行分析维护。包括浮充电压、内阻、温度、有无爬酸漏液等。日常维护的项目如表1所示。
每月对电池外观检查主要针对电池的壳体、连接条等可直接目视评估电池状态的维护。主要检查电池壳体有无变形、开裂、鼓胀、爬酸、漏液等情况,如图1所示。电池外观出现异常代表着电池内部的结构和化学物质已发生变化,易导致出现失火爆炸等风险。若发现电池壳体存在以上情况,应立即进行更换。电池连接条的维护主要检查连接螺栓、螺母力矩是否打紧,连接条是否存在氧化腐蚀。力矩未紧固会导致连接处接触不良,增加连接阻抗。尤其是高倍率电池放电功率较大易出现发热严重甚至连接条熔断情况。
安装单体电池监控单元来监测电池状态能有效提升电池维护效率。但随着使用时间的增长,会出现接头氧化、元器件损坏等情况,电池监控系统精度也会随着降低。因此定期对电池监控系统精度校准能够有效的避免因监控失效而导致的电池状态不明。每季度抽测25%电池监控进行精度校准,如图2所示,一年完成所有监控校准。权衡了维护成本和维护效果,利于准确的掌握电池的电压、内阻信息。
在大型数据中心中为避免个别电池出现紧急更换情况,通常在数据中心会存放一定数量的备用电池。对备用电池的维护也是电池维护的重要一环,因备用电池通常存放于库房中,内部的硫酸下沉,使极板上、下部产生电位差,引起自放电。每季度对电池进行一次开路电压、内阻的测量,并进行一次均充,以防止电池自放电硫化导致容量不可逆下降。
蓄电池在日常浮充或充放电状态下的参数设置需格外注意,应按照电池厂家给的建议进行设定,错误的充电参数会导致电池寿命下降或提前报废。有机房曾出现取消了电池浮充模式,采用定期对电池进行均充来维持电池的性能。因电池存在自放电现象加上电池监控从电池上取电导致电池长期处于亏电状态,运行2年就出现电池容量衰减严重现象。因此正确的充电参数设置对维持电池的良好健康运行尤为重要。一般的电池充电参数包括:充电电流上限、电池均充电压、电池浮充电压、均充触发电流、均充时间限制、均充延时限制、定期均充时间、温度补偿系数、浮充触发电流(均浮充转换条件)、电池容量设置。
电池监控可获取电池的状态,但大量的数据对电池性能分析造成一定阻碍。通过设置告警值来帮助及时发现异常电池,对状态较差的电池进行及时更换或激活,避免因单节电池出现故障影响整组电池的性能。通常对电池的状态监控包括了电压、电流、内阻、温度。根据电池厂家的建议对电池告警上下限进行合理设置。
2.放电维护项目
反应电池容量状况通常通过放电来进行评判,电压、内阻的异常也是对大量的实验数据积累,反应到容量和电压、内阻的关系,形成一个经验的判断逻辑。因此通过放电来掌握电池的性能状况是十分有效的。常规的放电维护为30%核对性放电测试,即以实际负荷对电池进行在线放电,放出额定容量的30%。但这种方式并不能准确的掌握电池的容量和放电性能。尤其是运行3-4年已处于生命中后期的电池而言。进行大电流80%深度放电测试能够确切的掌握电池全过程放电性能,检验电池在大电流冲击下的压降情况,有效排除电池开路风险。常对投运一年至两年的电池进行30%核对性放电测试。投运三至四年的电池每年抽50%进行80%深度放电测试,两年对所有电池进行80%深度放电测试。运行五年的电池进行全检80%深度放电测试。
三、常见故障判断方法与处理
1.常见故障判断方法
容量作为电池健康度的唯一判断标准,当电池容量下降到额定容量的80%左右时,可判断为故障电池。在电池的维护中,通常以放电电压落后和内阻增加率等参数作为对故障电池的辅助判断方法。当电池放电电压低于截止电压则判断为故障电池。这表明电池的容量已低于额定容量80%。另外若某单体电池电压与组内其他电池电压极差较大时(通常为0.2V),也可判断为故障电池,这是因为该节电池在整组放电过程中已处于相对落后状态,而电池组的放电能力取决于最差电池的性能。
电池内阻和容量有正关联性。有研究表明电池内阻增长率超过30%(各厂家要求值不同,以经验值为主)时,其容量测试绝大部分不满足额定容量80%的要求。在《南方电网公司变电站直流电源系统》中也对内阻增长变化做了相应的要求。
2.常见故障原因分析
导致电池故障的原因大致可分为以下两大类:1、电池质量问题,包括制造工艺、材料配比、生产流程等方面。2、运维不当原因,包括运输磕碰、安装不当、维护不到位等方面。本文着重介绍在电池运行过程中因维护不到位而导致的电池故障原因分析。
收集不同品牌型号批次的落后电池(放电落后、内阻高)进行解剖试验,共解剖电池数141个。解剖发现绝大多数的落后电池的负极硫酸盐含量较正常电池过高,失效原因见表2。
实际上在电池放电过程中负极经过化学反应会产生硫酸铅,但在充电过程中又会从硫酸铅变成铅,其过程是可逆的。但其过程也可能因运维不到位而导致不可逆,即负极硫酸盐化。未硫酸盐化的负极板呈现金属光泽,硫酸盐会使负极硬化且无金属光泽,对比见图3。负极硫酸盐化是指负极产生了大颗粒的硫酸铅结晶，且在充电时这种硫酸铅晶体也不易转变成为海绵状铅，导致电池放电过程可用活性物质减少，最终导致内阻上升和容量下降。硫酸铅作为一种盐类绝缘体,负极板上形成的硫酸盐越多,电池的内阻越大,对电池的放电阻挠就会越大,导致放出的容量不足。通常引起负极硫酸盐化现象主要原因是由于长期的充电不足或过放电后不及时充电或长期放置所造成的。在1.1小节的取消电池浮充模式案例中电池故障也是因长期充电不足导致的。在长期开路储存的状态下,因电池自放电特性,导致自放电硫化导致容量不可逆下降。对部分案例的电池进行历史追溯,也发现电池存在存放时间过长的现象(超过3个月)。对部分解剖案例进行分析还发现部分电池组一致性较差的情况,这导致了在长期浮充过程中由于电池一致性问题导致部分电池长期欠充,使负极板硫酸盐化。
3.维护与修复策略
对电池负极硫酸盐化的原因进行总结分析,电池维护有较大的启发。根据硫酸盐化的原理可总结相关的维护经验:
1）在维护过程应定期对电池启动均充,以弥补电池自放电和电池监控取电的容量损失,建议每3个月对电池进行一次均充。
2）电池组在安装前应对开路电压、内阻进行分档配组,尽量减少电池一致性较差而导致的部分电池欠充。
3）在工程安装阶段应尽可能的避免电池长期储存,尽快接通电源对电池进行浮充。
对负极硫酸盐化现象,常规的充电方式很难使电池容量得到恢复。有研究表明采用加酸的方式来补充损失的电解液,以恢复电池容量。但这种方式是因硫酸浓度上升而导致的,本质上钝化的硫酸铅未被还原。且数据中心多采用的为贫液式阀控电池并不适用于加酸修复。
增加充电电压可以增加内部化学反应中硫酸铅向铅和氧化铅的转化,使钝化硫酸铅形成蓬松结构,从而起到修复活化的作用。对4节因负极硫酸盐化导致的放电时长落后的电池通过抬高充电电压的方式进行活化实验。首先对电池进行0.1C恒流充电,直到电压达到2.41V,切换成2.41V恒压充图3硫酸盐化极板对比图电,充电时长为24小时。为验证活化后电池容量恢复的可持续性,对电池进行三次标准的循环充放电测试。实验结果表明活化前平均放电时长为16.12分钟,经过活化后电池放电时长恢复至22.87分钟。且持续三个标准充放电测试电池容量依然保持在20分钟以上,容量恢复32.87%。结果如图4所示。证明了通过抬高充电电压的方式进行活化是有效的且容量保存率良好。
四、结论
大型数据中心对电池数量和电池性能的要求,使得电池的维护难度增加。根据高倍率电池的特性,从电池外观、充电参数管理、表征参数分析、放电维护管理、监控精度校准等方面进行精细化维护,帮助延长电池寿命,减少电池风险隐患。
对电池常见故障原因进行分析，解释了常用故障电池判断方法，并针对电池运行过程中常见的失效原因进行分析，总结了三点维护经验。通过提高充电电压的形式来活化电池能使电池容量恢复32.87%。在节约成本和环境保护上有着重要的意义。
参考文献
[1]余劢.高功率铅酸电池在数据中心的应用[J].电信技术,2016(10):63-65.
[2]杨正清,钟宇峰,丁冬,钱礼明,何小良,朱昕昱.串联浮充铅酸蓄电池组在线管理维护方法研究与系统设计[J].蓄电池,2020,57(06):251-256+262.DOI:10.16679/j.cnki.21-1121.2020.06.001.
[3]纪哲夫.变电站蓄电池内阻测试方法及应用的研究[D].华南理工大学,2015.
[4]杨俊,胡晨,汪浩,刘晶冰,杨凯.铅酸电池失效模式和机理分析研究进展[J].电源技术,2018,42(03):459-462.
[5]杜旭浩,李秉宇,苗俊杰,贾伯岩.VRLA电池失效机理及在线延寿技术[J].电池,2020,50(03):258-261.DOI:10.19535/j.1001-1579.2020.03.013.
作者简介
陈文环,14年的从业经验,熟悉数据中心运营发展和最佳实践。主要从事数据中心技术规范标准制定、基础设施的运营管理。主要工作内容:大型数据中心项目的测试验收、运营及培训体系建设、交付验收、质量/安全管理等。
李运建,1996年6月生,从事于数据中心行业的设施运维和设计工作,研究方向为数据中心电源类设备的技术/维护规范编制、蓄电池研究以及新型可再生能源在数据中心的应用等。
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