АКБ как основа бесперебойного питания в ЦОДе

Авторы: Михаил БАЛКАРОВ

ИКС № 01-02 2013 стр. 68

Большинство ЦОДов и серверных требуют бесперебойной работы. Поэтому в составе системы электроснабжения обязательно присутствует ИБП, обладающий в свою очередь источником энергии, позволяющим несколько минут или часов не зависеть от внешнего мира. Как подобрать такой источник и как правильно его обслуживать?

Суперконденсаторы, маховики, натриевые и литиевые батареи – список используемых на практике типов источников энергии для ИБП продолжает расти. Но пока наиболее распространенным вариантом являются батареи AGM VRLA. Остальное либо слишком дорого, либо неспособно обеспечить достаточно длительное время работы, либо неудобно в обслуживании. Рассмотрим этот самый распространенный вариант попристальнее.

AGM VRLA крупным планом

Длинная аббревиатура расшифровывается как Absorbed Glass Mat Valve Regulated Lead Acid, т.е. свинцово-кислотные батареи с клапанным регулированием и абсорбирующими стекломатами. Несмотря на тот же материал электродов и состав электролита, что и у классических наливных аккумуляторов, батареи AGM VRLA достаточно сильно от них отличаются.

Пластины в батареях AGM VRLA разделены стекловолоконной набивкой, которая удерживает в себе весь имеющийся электролит. С ней связан принципиальный момент – рекомбинация выделяющихся газов. Поскольку набивка волокнистая, она не полностью смочена, и в структуре имеются каналы с воздухом. За счет этого выделяющиеся при заряде кислород и водород попадают на противоположные электроды и снова превращаются в воду (рекомбинируют). Разумеется, набивка плотно прилегает к пластинам, что предохраняет их от осыпания активного вещества.

Поскольку электролита берется относительно мало, используется повышенная концентрация серной кислоты. Сами пластины изготавливаются из специальных сплавов свинца, уменьшающих газовыделение при работе. Для еще большего уменьшения газовыделения допускается применение специальных присадок, катализирующих рекомбинацию.

Корпус у батарей AGM VRLA более прочный, чем у классических, способный выдерживать повышенное давление. При нормальных условиях он герметичен. Для сброса избыточного давления имеется предохранительный клапан.

На сегодня технология AGM VRLA уже вполне отработана, и присущие ей достоинства и недостатки хорошо известны. Многие эксперты достаточно жестко отзываются о маркетинговых мифах, связанных с этими батареями. Сравнивая их с классическими наливными свинцовыми батареями, нужно отметить следующие негативные факты:

• AGM VRLA-батареи тоже выделяют водород. При недооценке этого явления бывали случаи взрывов (кстати, это пример недобросовестного маркетинга – на самом деле водорода выделяется мало, и чтобы не возникало подобных проблем, достаточно избегать герметичной установки и сочетания перегрева с постоянным зарядом);
• они более чувствительны к температуре среды (кондиционирование помещения с батареями строго обязательно);
• чаще склонны к внезапным отказам;
• чаще склонны к катастрофическим отказам, в частности, к возгоранию и взрывам;
• чаще склонны к отказам вообще (при правильной эксплуатации уровень отказов порядка 1% в год на элемент);
• не могут прослужить 10 лет даже в идеальных условиях (учитывая, что в типичной батарее ИБП несколько сотен элементов, и при отказе одного отказывает вся батарея, это неудивительно);
• для гарантии работоспособности AGM VRLA-батареи требуют гораздо более продвинутого мониторинга (чем у нас в стране, как правило, пренебрегают);
• за счет необходимости регулярного мониторинга стоимость их обслуживания получается в итоге не меньшей, чем у наливных (вот поэтому мониторинг зачастую и не ведется);
• при этом AGM VRLA-батареи дороже аналогичных по параметрам наливных.
• К реальным достоинствам AGM VRLA-батарей, по сравнению с теми же наливными, относятся: 
• б'ольшая компактность. Кроме того, основную массу конструкций можно смело располагать в положении на боку;
• меньшие требования к вентиляции. Главное, чтобы она в принципе была;
• отсутствие необходимости работать с электролитом (следовательно, меньшие требования к квалификации сотрудников и помещениям и меньшая вероятность несчастных случаев);
• практически отсутствующая возможность разлития абсорбированного электролита, даже при разрушении корпуса. Соответственно, нет требований к отделке помещения. Кстати, и с разрушенным корпусом батареи AGM VRLA способны какое-то время работать. Такие эксперименты проводились, в частности, во ВНИИ ПО;
• по причине герметичности намного меньшая вероятность развития коррозии контактов и прочих конструкций вокруг;
• могут выдержать даже заливание водой, если это не приведет к сильному разряду или короткому замыканию;
• ну и, разумеется, наибольшая на сегодня распространенность и известность.

Что стоит за номинальными значениями

Номинальное напряжение – понятие абстрактное. Если аккумулятор не нагружен, то напряжение на нем заметно выше. Это напряжение разомкнутой цепи (плавающее напряжение). По мере разряда под нагрузкой напряжение постепенно падает ниже номинального, до величины конечного напряжения разряда, при котором производитель рекомендует разряд прекращать.

Номинальная емкость аккумуляторов, указываемая традиционно в ампер-часах, как и номинальное напряжение, к реальности практического использования отношение имеет отдаленное. Она скорее характеризует конструкцию самого элемента. По определению, это ток, который аккумулятор способен непрерывно выдавать до достижения напряжения разряда, помноженный на время разряда. В маркировке производителем обычно приводится значение для 10 или 20 ч разряда и напряжения окончания разряда 1,8 В. Обозначается номинальная емкость как Cn, где n – число часов разряда.

Рассмотрим, к примеру, абстрактный аккумулятор номинальной емкостью 7 Ач, способный в течение 10 ч выдавать ток 0,7 А, т.е. с C10 = 7 Ач. Объединим несколько таких аккумуляторов последовательно. Очевидно, что чем их больше, тем больше мощность (произведение тока и напряжения) полученной конструкции. А вот номинальная емкость у нее ровно та же – 7 Ач. Поэтому, не зная общего количества элементов в плече ИБП (а в некоторых ИБП это количество может заметно варьироваться), оценить фактическую емкость линейки невозможно .

Также нужно учитывать существенное снижение фактически отдаваемой мощности по мере продолжения разряда. Это связано с тем, что электрохимические процессы, которые, собственно, и обеспечивают выделение электроэнергии, не успевают пройти полностью. В результате рассматриваемый аккумулятор при попытке получить от него 7 А в течение одного часа сможет выдавать такой ток минут 20, не больше.

В современной практике ИБП обычно рассчитываются на небольшое время работы, поэтому может показаться, что номинал их батарей значительно завышен. К тому же батареи для ИБП конструктивно отличаются от тех, которые используются в качестве стартерных (к примеру, в автомобилях): они просто не предназначены для разряда в течение нескольких минут. Так что если формально подобрать батареи на 1 мин, на деле можно получить их отсутствие. Время работы батареи для ИБП не должно быть меньше 4–5 мин.

Еще одна проблемная точка – выбор напряжения окончания разряда. Если расчетное время работы батареи составляет несколько часов, то разряд должен прекращаться по достижении 1,8 В на элемент. Иначе возможно разрушение элементов. К сожалению, для свинцово-кислотных батарей любой конструкции переразряд критичен и должен обязательно отслеживаться. Самым правильным будет физически разрывать батарейную цепь при помощи выключателя, срабатывающего по достижении заданного напряжения. Это предотвратит любые дальнейшие утечки тока. Кроме того, если полный разряд выполнен относительно малым током, то в обязательном порядке следует сразу же начинать процедуру заряда. Невыполнение этого правила может не просто сократить время жизни батареи, а сократить его именно до текущего момента.

При малом времени разряда существенная доля заранее запасенной энергии так и остается в аккумуляторе. В этом случае разряд можно продолжать до более низких значений напряжения – 1,7 или 1,6 В. Соответственно, фактическая емкость батареи может довольно заметно зависеть от наличия и правильности уставки этой настройки в ИБП.

Вывод из всего сказанного достаточно очевиден. При подборе батарей следует пользоваться либо специализированной расчетной программой для ИБП, либо программами, таблицами и графиками производителя батарей. Номинальные значения пригодны лишь для качественной проверки результата.

Мои года – мое богатство. А как у АКБ?

Фактическая емкость батарей также меняется в зависимости от температуры в помещении и продолжительности эксплуатации. В начале использования батарей AGM VRLA их фактическая емкость может быть немного ниже номинальной, далее в течение некоторого периода, до года или двух, она увеличивается, после чего начинается ее монотонное снижение, характеризующее старение батарей.

Связано это с тем, что герметичные батареи поставляются с небольшим избытком воды. В начальный период эксплуатации их способность к рекомбинации мала, и часть газов теряется через клапан. В дальнейшем, по мере потери воды, в сепараторе, разделяющем пластины, появляется больше пор и эффективность рекомбинации растет. Этот период занимает от нескольких недель до нескольких месяцев. Батареи входят в рабочий режим, ток плавающего заряда растет. Так продолжается обычно год или два.

Поскольку рекомбинация в любом случае не идеальна, газ в небольших количествах продолжает теряться, количество воды уменьшается, растет концентрация кислоты. Процессы коррозии решеток также потребляют воду и увеличивают концентрацию электролита. За счет этого уменьшается электрохимический потенциал, и постепенно этот эффект становится доминирующим. Поэтому далее, по мере старения, ток плавающего заряда начинает падать и монотонно падает до конца срока жизни батареи.

Однако важно понимать, что способность к рекомбинации продолжает с течением времени увеличиваться. А тепло выделяется в основном именно при этой реакции. В первом приближении происходит вот что: при подаче на батарею постоянного напряжения она разогревается за счет рекомбинации. Ток через горячую батарею увеличивается, выделяется больше газов, они рекомбинируют и еще сильнее разогревают батарею. Процесс продолжается до выхода батареи из строя по причине «теплового разгона».

Проблема возникает в переходном режиме. Ток еще высок, а батареи почти заряжены, и начинается выделение кислорода в больших количествах. Для новых батарей это приводит к интенсивному удалению излишков воды, а вот у старых, с интенсивной рекомбинацией, наступает сильный разогрев.

Еще больше усугубляет ситуацию то, что батареи заряжаются не одновременно. И наибольшее количество тепла выделяется на тех банках, которые зарядились первыми. Именно поэтому при зарядке батарей AGM VRLA обычно рекомендованный производителем предел зарядного тока – 10–20% емкости батареи.

Впрочем, на практике все обстоит не так мрачно, как описано выше. Если корпус ячейки успевает отдавать тепло, то тепловыделение от рекомбинации особого ущерба не наносит. А зарядные устройства современных ИБП поддерживают необходимые ограничения автоматически. Поэтому, хотя явление «теплового разгона» у герметизированных батарей в принципе неустранимо, предпосылки для него в современных системах отсутствуют. В частности, в зарядных устройствах применяется так называемая термокомпенсация: с ростом температуры в помещении зарядное устройство автоматически уменьшает максимально допустимый ток. Но несмотря на это, длительное пребывание в условиях высокой или низкой температуры значительно сокращает срок службы батареи.

Доверять или проверять? Проверять! Но как?

Для герметизированных батарей, как и для старинных наливных, фактическая емкость является показателем здоровья. И стандарты, и практика утверждают, что после деградации емкости до 80% номинальной вероятность внезапного отказа становится слишком высокой.

Традиционно измерениям напряжений свинцово-кислотных батарей придается большое значение как достаточно простому методу мониторинга. К сожалению, для батарей AGM VRLA, особенно для новых, это не так информативно. Вмешиваются следующие факторы.

При саморазряде, к которому AGM VRLA очень склонны, напряжение на разных банках меняется по-разному. В итоге после подзарядки еще достаточно долгое время сохраняется неравенство напряжений, поскольку окончательно заряд выравнивается слабым током подзаряда. Из этого очевидно, что подзаряжать сильно разряженные при хранении аккумуляторы лучше по отдельности.

Аналогичный, но противоположный эффект наблюдается в переходном периоде, когда у части банок уже идет интенсивная рекомбинация, а часть еще имеет избыток воды. В итоге самые «хорошие» банки имеют пониженное напряжение. А для выравнивания напряжений, наоборот, требуется дополнительно длительно заряжать банки, у которых напряжение и так повышенное. Такой вот парадокс. Традиционное выдерживание под повышенным (выравнивающим) напряжением при этом, разумеется, не помогает.

В обоих этих случаях самая правильная рекомендация – не волноваться. За несколько месяцев все батареи постепенно придут в норму. Ну и в обязательном порядке нужно регулярно подзаряжать батареи, если они хранятся на складе или ИБП на долгое время отключен от сети.

Качественной мерой оценки состояния здоровья VRLA-батарей остается побаночное измерение импеданса, сопротивления или проводимости, а точным средством измерения – нагрузочное тестирование.

Почему, несмотря на развитие систем постоянного мониторинга, нагрузочное тестирование по-прежнему рекомендуется? Тому есть несколько причин:

• это единственный известный способ достоверно оценить емкость VRLA-батарей;
• это один из самых эффективных способов найти неисправные элементы;
• оно позволяет проверить систему в целом;
• оно позволяет анализировать изменения в батареях.

Да, известны поучительные истории о том, как цикл тестирования оказался последним успешным циклом в жизни батарей. Тем не менее пожертвовать несколькими циклами для понимания текущего положения дел вполне разумно.

Почему речь идет о жертве? Срок жизни батарей определяется не только временем, но и фактическими произошедшими циклами «разряд-заряд». В случае полного разряда их типичное число – порядка нескольких сотен. При частичном разряде количество выдерживаемых циклов увеличивается примерно пропорционально этой «частичности». То есть при разряде на 50% емкости – удваивается. Поэтому завышение емкости батарей в общем случае может увеличивать срок их службы.

Вернемся к нагрузочному тестированию. В процессе его проведения необходим побатарейный мониторинг. Без него тестирование не только не очень полезно, но и может быть опасным. Плохая ячейка может расплавиться или даже взорваться. При снижении напряжения на любой из батарей ниже заданного тестирование следует немедленно прервать. К тому же без мониторинга тестирование сразу лишается основного смысла – выявления плохих элементов. В итоге, если в линейке из сотни ячеек имеется одна проблемная, вы получаете падение емкости на 1%. Прекрасный показатель. А завтра эта ячейка полностью разрушается, теряя проводимость или, наоборот, замыкает, и зарядное устройство начинает работать только на эту линейку, эффективно разрушая остальные ячейки.

Так что при отсутствии мониторинга отдельных батарей режим автоматического тестирования, имеющийся во многих ИБП, – на самом деле профанация. Оно действует по принципу проверки спичек из анекдота – хорошая, хорошая, хорошая, плохая... Его как раз имеет смысл отключить, чтобы не расходовать зря циклы.

Как подобрать батареи для конкретной инсталляции

В первую очередь, чтобы не создавать единую точку отказа и иметь возможность менять и тестировать батареи по отдельности, желательно использовать несколько линеек в параллель и при этом подключать их не через один автоматический выключатель, а через несколько. К примеру, удобно для расчетов подобрать четыре линейки батарей, обеспечивающие номинальное время работы, и просто добавить пятую, которая позволит выдержать заданное время работы вплоть до старения батарей на 20%. Кстати, достаточно часто производители готовых батарейных шкафов указывают время работы без учета снижения емкости со старением. Обязательно уточняйте этот момент.

Сразу же появляется традиционный вопрос: производители батарей AGM VRLA допускают объединение в параллель от четырех до восьми батарей. Не возникнут ли проблемы? Длительная практика эксплуатации ИБП с модульными батареями доказывает, что несколько десятков линеек в параллель работают совершенно нормально. Дело в том, что рекомендации производителей относятся к объединению единичных батарей. Их действительно стоит в этом случае соблюдать, поскольку разброс характеристик может приводить к значительному перераспределению зарядных и разрядных токов.

В соединенной последовательно батарее ИБП элементов несколько сотен. Разброс их характеристик взаимно компенсируется, и линейки в целом достаточно идентичны. Кроме того, все современные ИБП имеют зарядное устройство с ограничением тока в начальный момент заряда и поддержанием постоянного напряжения в конце (см. рисунок). Это также сужает возможность возникновения проблем.

Батареи меньшей емкости относительно дороже, но зато при выходе их из строя замена и проще, и дешевле. К сожалению, если батареи проработали какое-то время, то из-за описанных выше эффектов приработки заменить в линейке только неисправную может не получиться.

Из тех же соображений я рекомендую использовать батареи с меньшим штатным сроком службы. На практике при правильной эксплуатации пятилетние батареи сохраняют работоспособность до трех лет. Десятилетние – до шести лет. Стоимость отличается примерно в два раза. А вот вероятность случайного отказа одинакова. И замена пятилетних обойдется гораздо дешевле, к тому же будет не так обидно за напрасно потраченные деньги.

Если срок службы действительно важен, используйте никель-кадмиевые аккумуляторы. Они гарантированно отработают весь срок службы, более того, падение со временем емкости до 80% означает лишь падение емкости, а не рост вероятности отказа. В мониторинге они практически не нуждаются (за исключением удаления остатков испарившихся при падении на клеммы инструментов). Увы, цена вопроса – практически вдвое более высокая по сравнению с AGM VRLA.

Для того чтобы исключить неожиданные случайные отказы, батареи AGM VRLA требуют постоянного мониторинга, причем, как уже упоминалось, не напряжения, а внутреннего сопротивления. Отслеживая изменения, можно достаточно точно предсказать потенциально проблемные ячейки. Увы, такие системы по стоимости сопоставимы с самим батарейным массивом ИБП, поэтому не получили достаточного распространения у нас в стране. С другой стороны, использование нескольких параллельных линеек с независимой зашитой позволяет смягчить эту проблему.

В некоторых местах я сознательно не приводил точные цифры, поскольку у разных моделей разных производителей они слегка различаются. Общее правило: обязательно читайте оригинальные материалы производителя батарей, даже если они поставлены вместе с ИБП.

Статья основана на собственном более чем десятилетнем опыте (точнее, на опыте, наработанном на проблемах заказчиков), инструкциях производителей батарей и материалах замечательной конференции Battcon. Настоятельно рекомендую материалы на ее сайте (www.battcon.com) – это настоящая энциклопедия идей, знаний и информации о текущем состоянии данной области.