科士達(dá)UPS電源系統(tǒng)在保障負(fù)載用電、改善電能質(zhì)量、防止電網(wǎng)對(duì)負(fù)載造成的危害等方面起著十分重要的作用。分析UPS系統(tǒng)的能耗時(shí),應(yīng)考慮UPS的效率與負(fù)載率的關(guān)系,還應(yīng)考慮隔離變壓器、濾波器等輔助設(shè)備對(duì)UPS系統(tǒng)效率的影響。文中對(duì)高頻機(jī)型UPS在數(shù)據(jù)中心節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)做了分析。
不同的UPS由于采用不同的拓?fù)浠蚣夹g(shù),在系統(tǒng)配置上有很大差別。例如采用IGBT整流的UPS,不需要增加濾波裝置就可以滿足系統(tǒng)要求。而采用6脈沖整流的UPS,為滿足系統(tǒng)要求必須配置濾波器;高頻機(jī)型UPS(本文簡(jiǎn)稱(chēng)“高頻機(jī)”)不需要增加輸出變壓器就可以滿足供電電壓要求,而工頻機(jī)型UPS(本文簡(jiǎn)稱(chēng)“工頻機(jī)”)必須增加輸出變壓器才能滿足電壓要求。因此,在分析UPS系統(tǒng)效率時(shí),應(yīng)考慮包括其輔助設(shè)備(如濾波器、隔離變壓器等)在內(nèi)的UPS整體系統(tǒng)效率。
2 UPS基本科士達(dá)UPS電源原理與結(jié)構(gòu)
UPS可以分為工頻機(jī)和高頻機(jī)。傳統(tǒng)的工頻機(jī)由SCR整流器、IGBT逆變器和輸出變壓器組成,如圖1所示。由于整流器采用的SCR整流技術(shù)屬于降壓整流,造成UPS的輸出電壓低于輸入電壓,必須在輸出端配備升壓變壓器才能滿足輸出電壓的要求。
高頻機(jī)逆變器所用IGBT額定電壓要比工頻機(jī)高一倍,但兩者的IGBT與二極管的門(mén)檻電壓、等效通態(tài)電阻相差不大;此外由于工頻機(jī)直流母線Ud較低,需要用輸出變壓器將逆變器輸出電壓升壓至380V,而高頻機(jī)的逆變器直連輸出,因此工頻機(jī)逆變器輸出電流要比高頻機(jī)大。由式(7)和式(9)可見(jiàn),工頻機(jī)逆變器的通態(tài)損耗比高頻機(jī)要高,據(jù)測(cè)算要增加90%～150%。
由于工頻機(jī)整流器采用不控器件二極管或半控器件晶閘管進(jìn)行整流,直流母線電壓范圍較寬,逆變器難以一直工作在最優(yōu)點(diǎn);而高頻機(jī)采用全控器件IGBT整流,直流母線電壓基本保持不變,逆變器工作在其設(shè)計(jì)的最優(yōu)點(diǎn)，從而提高了逆變器的效率。
UPS是數(shù)據(jù)中心的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一,其能耗的降低對(duì)數(shù)據(jù)中心整個(gè)生命期內(nèi)總擁有成本TCO有重要作用。通過(guò)前面的分析可知,高頻機(jī)造成的能耗要比工頻機(jī)小,最主要的因素是變壓器損耗,由于變壓器有較大的空載損耗，造成工頻機(jī)的空載損耗較大，即在較低的負(fù)載率時(shí)效率不高,能耗較大。
舉例來(lái)說(shuō),兩套320kW的UPS,系統(tǒng)架構(gòu)均為2+1,分別為工頻機(jī)和高頻機(jī)。雖然兩者公布的效率滿載時(shí)都在90%以上,但N+1架構(gòu)的UPS不會(huì)運(yùn)行在100%負(fù)載情況下。根據(jù)GB50174-2008《電子信息機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》,UPS單機(jī)負(fù)載率不能超過(guò)83.3%,在2+1配置下,UPS負(fù)載率不會(huì)超過(guò)55.53%。UPS的損耗可以根據(jù)下式來(lái)計(jì)算
11)式中,Ploss為有功功率損耗;PN為UPS額定有功功率;S為負(fù)載率;η為UPS效率。
電池的主要性能包括額定容量、額定電壓、充放電速率、阻抗、壽命和自放電率。額定容量
在設(shè)計(jì)規(guī)定的條件（如溫度、放電率、終止電壓等）下，電池應(yīng)能放出的最低容量，單位為安培小時(shí)，以符號(hào)C表示。容量受放電率的影響較大，所以常在字母C的右下角以阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)明放電率，如C20=50，表明在20時(shí)率下的容量為50安?小時(shí)。電池的理論容量可根據(jù)電池反應(yīng)式中電極活性物質(zhì)的用量和按法拉第定律計(jì)算的活性物質(zhì)的電化學(xué)當(dāng)量精確求出。由于電池中可能發(fā)生的副反應(yīng)以及設(shè)計(jì)時(shí)的特殊需要，電池的實(shí)際容量往往低于理論容量。
額定電壓
電池在常溫下的典型工作電壓，又稱(chēng)標(biāo)稱(chēng)電壓。它是選用不同種類(lèi)電池時(shí)的參考。電池的實(shí)際工作電壓隨不同使用條件而異。電池的開(kāi)路電壓等于正、負(fù)電極的平衡電極電勢(shì)之差。它只與電極活性物質(zhì)的種類(lèi)有關(guān)，而與活性物質(zhì)的數(shù)量無(wú)關(guān)。電池電壓本質(zhì)上是直流電壓，但在某些特殊條件下，電極反應(yīng)所引起的金屬晶體或某些成相膜的相變會(huì)造成電壓的微小波動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為噪聲。波動(dòng)的幅度很小但頻率范圍很寬，故可與電路中自激噪聲相區(qū)別。
充放電速率
有時(shí)率和倍率兩種表示法。時(shí)率是以充放電時(shí)間表示的充放電速率，數(shù)值上等于電池的額定容量(安?小時(shí))除以規(guī)定的充放電電流（安）所得的小時(shí)數(shù)。倍率是充放電速率的另一種表示法，其數(shù)值為時(shí)率的倒數(shù)。原電池的放電速率是以經(jīng)某一固定電阻放電到終止電壓的時(shí)間來(lái)表示。放電速率對(duì)電池性能的影響較大。
阻抗
電池內(nèi)具有很大的電極-電解質(zhì)界面面積，故可將電池等效為一大電容與小電阻、電感的串聯(lián)回路。但實(shí)際情況復(fù)雜得多，尤其是電池的阻抗隨時(shí)間和直流電平而變化，所測(cè)得的阻抗只對(duì)具體的測(cè)量狀態(tài)有效。
壽命
儲(chǔ)存壽命指從電池制成到開(kāi)始使用之間允許存放的最長(zhǎng)時(shí)間，以年為單位。包括儲(chǔ)存期和使用期在內(nèi)的總期限稱(chēng)電池的有效期。儲(chǔ)存電池的壽命有干儲(chǔ)存壽命和濕儲(chǔ)存壽命之分。循環(huán)壽命是蓄電池在滿足規(guī)定條件下所能達(dá)到的最大充放電循環(huán)次數(shù)。在規(guī)定循環(huán)壽命時(shí)必須同時(shí)規(guī)定充放電循環(huán)試驗(yàn)的制度，包括充放電速率、放電深度和環(huán)境溫度范圍等。
自放電率
電池在存放過(guò)程中電容量自行損失的速率。用單位儲(chǔ)存時(shí)間內(nèi)自放電損失的容量占儲(chǔ)存前容量的百分?jǐn)?shù)表示。
化學(xué)電池，是指通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，把正極、負(fù)極活性物質(zhì)的化學(xué)能，轉(zhuǎn)化為電能的一類(lèi)裝置。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究、發(fā)展，化學(xué)電池迎來(lái)了品種繁多，應(yīng)用廣泛的局面。大到一座建筑方能容納得下的巨大裝置，小到以毫米計(jì)的品種。無(wú)時(shí)無(wú)刻不在為我們的美好生活服務(wù)，F(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)化學(xué)電池提出了很高的要求。每一次化學(xué)電池技術(shù)的突破，都帶來(lái)了電子設(shè)備革命性的發(fā)展。現(xiàn)代社會(huì)的人們，每天的日常生活中，越來(lái)越離不開(kāi)化學(xué)電池了，F(xiàn)在世界上很多電化學(xué)科學(xué)家，把興趣集中在做為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力的化學(xué)電池領(lǐng)域。
干電池和液體電池
干電池和液體電池的區(qū)分僅限于早期電池發(fā)展的那段時(shí)期。最早的電池由裝滿電解液的玻璃容器和兩個(gè)電極組成。后來(lái)推出了以糊狀電解液為基礎(chǔ)的電池，也稱(chēng)做干電池。
現(xiàn)在仍然有“液體”電池。一般是體積非常龐大的品種。如那些做為不間斷電源的大型固定型鉛酸蓄電池或與太陽(yáng)能電池配套使用的鉛酸蓄電池。對(duì)于移動(dòng)設(shè)備，有些使用的是全密封，免維護(hù)的鉛酸蓄電池，這類(lèi)電池已經(jīng)成功使用了許多年，其中的電解液硫酸是由硅凝膠固定或被玻璃纖維隔板吸付的。
都說(shuō)安全是動(dòng)力電池的命根兒，最近在思考電池系統(tǒng)由內(nèi)而外起火的原因分析，這里主要是考慮一層層原因往前去推，然后考慮將以前和未來(lái)的事故都放進(jìn)去進(jìn)行匹配，再根據(jù)各個(gè)車(chē)型的實(shí)際設(shè)計(jì)推測(cè)未來(lái)出事故的PPM（百萬(wàn)分率）。 下文把所有廠家的名字都去掉了，探討這個(gè)話題并不針對(duì)任何企業(yè)，不做評(píng)判。
這是從假定單個(gè)出問(wèn)題，再擴(kuò)展到全局的實(shí)驗(yàn)維度，從圖中可以看出：
整個(gè)分析只是為了匹配電池系統(tǒng)著火這個(gè)極端事件產(chǎn)生的，我們就區(qū)隔出由機(jī)械濫用的內(nèi)容，電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是著眼于放在一個(gè)車(chē)輛比較安全的位置，防止在車(chē)輛使用過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)固然是目前大量做針刺、擠壓等實(shí)驗(yàn)安全性的內(nèi)容，但實(shí)際上由機(jī)械濫用引起的問(wèn)題反而成為大家容易解決的問(wèn)題。
以特斯拉的三起事故為例：
1.在美國(guó)田納西州士麥那起火燃燒，這輛電動(dòng)車(chē)沖向掉落路面的拖車(chē)掛鉤，底盤(pán)碰撞后發(fā)生火災(zāi)。
2.駕駛者在轉(zhuǎn)彎時(shí)撞上、并穿過(guò)了了一座水泥墻，最終撞在一棵樹(shù)上停了下來(lái)，起火。
3.在西雅圖車(chē)主稱(chēng)撞上了路中的金屬殘片，因此他離開(kāi)了高速公路。車(chē)子失效后，他又聞到了燃燒的味道，車(chē)輛此時(shí)著火燃燒。
這種機(jī)械上的設(shè)計(jì)也顯得簡(jiǎn)單，在結(jié)構(gòu)外圍和底蓋考慮更多的防護(hù)，即可取得立竿見(jiàn)影的效果。
我們把本年發(fā)生的事情，把廠家去掉，可以再思考一下車(chē)起火是電池還是電池之外？很大一部分是電池之外的負(fù)載，線纜過(guò)熱導(dǎo)致外圍部分被點(diǎn)燃的事更多些。
這里我們可以分基本的三層，著火的本質(zhì)原因：
1.電池內(nèi)的未按照設(shè)計(jì)意圖的熱能釋放+內(nèi)外燃燒物
2.電池內(nèi)的可燃?xì)怏w釋放+燃點(diǎn)
3.電池內(nèi)的可燃液體釋放+燃點(diǎn)：此處主要包括電解液泄漏和冷卻液泄漏兩部分。
我們可以對(duì)電池系統(tǒng)的熱能釋放來(lái)考慮：
1.電池包或電池單體過(guò)充
過(guò)充一般而言確實(shí)是熱能釋放比較普遍的原因，電池包級(jí)熱失控事件，可以往下細(xì)分為多電池（模組、單體過(guò)充），電池過(guò)充和電解液蒸發(fā)過(guò)熱，還有就是電池剩余容量（SOC）計(jì)算錯(cuò)誤引起的過(guò)充，高SOC狀態(tài)下，未按照保護(hù)而進(jìn)行能量回收引起的，以及充電控制程序卡住引起的過(guò)充。
2 短路過(guò)流的人熱能釋放
電池包/高壓電路故障導(dǎo)致短路，散發(fā)熱量。主要是由電池包內(nèi)部短路和外部短路，引起導(dǎo)體和連接器過(guò)熱、單體過(guò)熱引發(fā)隨后的熱事件，進(jìn)一步細(xì)分也可以分解成模組的短路引發(fā)的部件過(guò)熱。例如模組一級(jí)的短路、電池組內(nèi)一級(jí)短路、外圍腐蝕性/導(dǎo)電液體進(jìn)入引起的短路。
3 高連接阻抗的發(fā)熱
電池包/高壓電路的故障，導(dǎo)致充放電回路中出現(xiàn)高阻值的位置，電流在這一高阻點(diǎn)的溫度上升，可能導(dǎo)致了相鄰材料的著火和后續(xù)的熱量傳播。干路連接點(diǎn)接觸不良、腐蝕引起發(fā)熱。
4.電池的內(nèi)阻提升和內(nèi)部出現(xiàn)過(guò)熱
單體排氣產(chǎn)生可燃性氣體，隨后的熱源（電弧，單體熱失控）導(dǎo)致電池系統(tǒng)的多余熱能。單體單點(diǎn)故障熱失控界定實(shí)驗(yàn)，可以考慮單個(gè)單體擴(kuò)展到整體方面的，在既定的條件下，將實(shí)現(xiàn)每個(gè)電池包備案交底，有些參考作用，但實(shí)驗(yàn)的條件與故障的發(fā)生不大可能完全吻合。
案例回顧
實(shí)際上起火的事故都是交織在一起的：
電池的理論充電時(shí)間
電池的理論充電時(shí)間：電池的電量除以充電器的輸出電流。
例如：以一塊電量為800MAH的電池為例，充電器的輸出電流為500MA那么充電時(shí)間就等于800MAH/500MA=1.6小時(shí)，當(dāng)充電器顯示充電完成后，最好還要給電池大約半個(gè)小時(shí)左右的補(bǔ)電時(shí)間。
燃料電池
燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能透過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置燃料電池是利用氫氣在陽(yáng)極進(jìn)行的是氧化反應(yīng)，將氫氣氧化成氫離子，而氧氣在陰極進(jìn)行還原反應(yīng)，與由陽(yáng)極傳來(lái)的氫離子結(jié)合生成水。氧化還原反應(yīng)過(guò)程中就可以產(chǎn)生電流。燃料電池的技術(shù)包括了出現(xiàn)堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC），以及直接甲醇燃料電池（DMFC）等，而其中，利用甲醇氧化反應(yīng)作為正極反應(yīng)的燃料電池技術(shù)，更是被業(yè)界所看好而積極發(fā)展。
小結(jié)：
1.起火是個(gè)很極端的事情，但是曝光度很高，大家第一反應(yīng)都是電池系統(tǒng)的事情，從各種分析來(lái)看，從電池系統(tǒng)著火起來(lái)的事，必定有故障發(fā)生，而且有熱量集聚引燃。
2.如果把更多公開(kāi)的信息匯總在一起，再拆解對(duì)比，完善系統(tǒng)分析過(guò)程還是可以達(dá)成一些共識(shí)避免很多未來(lái)的著火事故。
