`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Аккумуляторные батареи ИБП как критичная статья эксплуатационных расходов ЦОД

Статья опубликована в №20 (686) от 9 июня

+11
голос

Помимо того что аккумуляторы являются тем самым альтернативным источником энергии, который обеспечит питание критической нагрузки в случае перебоев в работе внешней электросети или ее аварии, их цена составляет основную долю в стоимости ИБП. Продолжая начатый разговор о снижении эксплуатационных расходов на ЦОД и учитывая частые ошибки при подсчете их влияния на TCO, беремся показать, что зачастую усилия, требуемые для поддержания АКБ в состоянии готовности, недооцениваются.

Аккумуляторные батареи ИБП как критичная статья эксплуатационных расходов ЦОД
Рис. 1. Система поэлементного контроля позволяет избежать выхода из строя всей цепи из последовательно соединенных АКБ. Заметим, что с момента появления признаков аномальной работы элемента (1) до начала развития аварийной ситуации (2) прошло всего 2 дня

Между тем на практике затраты на АКБ входят в первую пятерку эксплуатационных расходов: покупка новых батарей потянет не менее чем на треть первоначальной стоимости ИБП, поэтому продление их срока службы серьезно удешевит эксплуатацию системы бесперебойного питания.

Для многих владельцев ИБП становится неожиданностью, что после двух–четырех лет исправной службы аккумуляторы могут резко «сдать» и полностью выйти из строя буквально за пару недель, а то и дней после первого реально замеченного ухудшения характеристик (рис. 1). Кстати, изнашиваются они вне зависимости от того, насколько активно их использовали – даже если аккумуляторы вообще стоят без дела. Разумеется, повторяющиеся сильные нагрузки сокращают срок службы быстрее. Но чтобы понять природу этих процессов, потребуется разобраться с данным вопросом поглубже.

Свинцово-кислотный аккумулятор: что там внутри?

Известно, что кислотные свинцовые батареи (Sealed Lead Acid, SLA) – наиболее экономичное решение для приложений, где масса не имеет решающего значения. В обычном классическом SLA между положительными и отрицательными пластинами по электролиту – водному раствору кислоты – протекает ток, а происходящие при этом электрохимические процессы обеспечивают накопление и отдачу электроэнергии.

Развитие технологии производства аккумуляторов шло в направлениях избавления от жидкого электролита и уменьшения выделения газов, что позволило создать необслуживаемые системы резервного питания с размещением герметичных аккумуляторов в обычных помещениях. В системах бесперебойного питания, как правило, используют герметичные необслуживаемые аккумуляторы (более точный термин – «герметизированные батареи», ведь в них используются клапаны сброса внутрикорпусного давления), основанные на принципе рекомбинации газов: выделяющиеся водород и кислород вновь соединяются с образованием воды. Большая часть из них производится по технологии AGM с электролитом, абсорбированным в стекловолокне.

Объем энергии, запасаемой батареей (емкость), постепенно сокращается в процессе ее использования, старения и неправильного обслуживания. Новая же постепенно теряет первоначальную емкость и по мере приближения к 60–80% ее желательно заменить. Среди причин, приводящих к потере емкости элемента, – долговременное хранение в разряженном состоянии, неправильные методы подзарядки и работа в условиях форсированного разряда. Как правило, типовой порог работоспособности батареи в части емкости составляет 80%.

Одной из причин потери емкости у кислотных аккумуляторов является сульфация – формирования тонкого слоя солей на пластинах батареи. В отличие, например, от основанных на никеле, восстановление кислотных аккумуляторов базируется не на размельчении кристаллических образований (вызывающих «эффект памяти»), а на реактивации химических процессов. Кроме того, усиленное газовыделение, сопровождающее процесс выравнивания характеристик элементов в составе батареи, в них недопустимо, поэтому уровень восстановления герметизированных SLA-батарей невысок (порядка 10–15%) и зависит от степени «запущенности» их состояния, напрямую связанного со временем работы в цепочке из последовательно соединенных АКБ.

Следует помнить, что при заряде герметизированных аккумуляторов их температура может быть выше, чем окружающей среды, на 10–15 °С, что связано как с разогревом из-за процесса рекомбинации кислорода с водородом, так и с недостаточным отводом тепла от батареи. При увеличении температуры аккумулятора на 10–13 °С все химические процессы, включая коррозию решеток, ускоряются в два раза. Использование зарядных устройств с температурной компенсацией является предпочтительным вариантом с точки зрения продолжительности срока службы батареи.

Ряд технологий применяется в ИБП для обеспечения того или иного патентованного алгоритма заряда, контроля и подзарядки. Вместо постоянной подзарядки слабым током ИБП с реализованной в нем технологией Advanced Battery Management следит за уровнем заряда АКБ и заряжает ее только тогда, когда это необходимо. Такой метод, по мнению Eaton, продлевает срок службы батареи до 50%, так как при его применении износ пластин существенно меньше, чем у традиционных ИБП с постоянным буферным подключением АКБ.

Последовательное и параллельное соединение элементов и аккумуляторов

Отдельно взятый элемент свинцового аккумулятора (так называемая «банка») при соблюдении соответствующих правил эксплуатации – устройство достаточно надежное и долговечное. Для него не проблема обеспечить сотни циклов полного разряда и тысячи – на 50% своей емкости. Однако мнение, что срок службы этих устройств составляет десятилетия, в течение которых не требуются (если под этим понимается не только долив воды в «банки») обслуживание и серьезные затраты на поддержание ее работоспособности, – заблуждение. Связано снижение характеристик с тем, что самостоятельно батарея работает только в персональных ИБП. Да и то, от популярной АКБ 12 В (а в ней всего шесть последовательно соединенных элементов по 2 В) при разряде около 30% не всегда удается получить и тысячи циклов.

Для эффективной работы применяющихся в ЦОД ИБП напряжение внутренней шины постоянного тока составляет от 48 В до 400 В и выше, что требует последовательного соединения соответствующего количества элементарных аккумуляторов (например, тех же АКБ 12V7Ah) в последовательные цепочки. Из-за неизбежного различия в электрических, химических и тепловых характеристиках отдельных элементов срок службы такой группы будет меньше, чем отдельно взятого аккумулятора: если последние можно регулярно разряжать на 80–90% номинала, то батарею из них – только на 60–70%, так как возникает ускоренное истощение наиболее слабых элементов. При регулярных глубоких разрядах до 80% и сильнее через определенное количество циклов (в зависимости от производителя и типа АКБ – от 600 до 900) начинается экспоненциальный рост отказов отдельных аккумуляторов в батарее, после чего продолжать ее эксплуатацию окажется технически и экономически невыгодно. Как минимум батареи в аккумуляторных группах должны быть одного типа и года выпуска, желательно – из одной партии. Кроме того, не секрет, что, собирая аккумуляторные массивы, уважающие себя производители предварительно тестируют всю поступившую к ним партию АКБ и сортируют их в группы со сходными параметрами.

Для увеличения емкости и надежности системы электропитания часто требуется параллельное подключение групп батарей. Большинство производителей не рекомендуют таким образом объединять более четырех цепочек из последовательного соединенных аккумуляторов, что также связано с ростом требований к однородности элементов.

Аккумуляторы ИБП: что и как следует контролировать?

Аккумуляторные батареи ИБП как критичная статья эксплуатационных расходов ЦОД
Рис. 2. Eaton Cellwatch Battery Monitoring System является аппаратно-программным комплексом, предназначенным для поэлементного измерения напряжения и внутреннего сопротивления, температуры в контрольных точках и силы тока в последовательных цепочках АКБ, а также их последующего анализа

Важно периодически проверять работоспособность аккумулятора, иначе можно ожидать неприятного сюрприза – при отключении электричества ИБП проработает несколько секунд. И казалось бы, ответ на поставленный вопрос лежит на поверхности: напряжение на аккумуляторном массиве, токи заряда и разряда, температура.

В теории считается, что другого объективного способа, кроме контрольного разряда батареи с токами, близкими к штатным до половины оставшейся емкости, не существует. Почти реальную картину позволяет воссоздать разряд на порядок меньшими токами, чем значение в ампер-часах заявленной емкости батареи. Однако в качестве ежедневного приема данный алгоритм не подходит как минимум по двум причинам: снижение коэффициента готовности к сбою энергопитания и существенное сокращение ресурса массива батарей.

Практика (в противовес распространенному мнению) также показывает, что часто общий контроль системой мониторинга за параметрами всей батареи в целом для объективной оценки состояния и прогнозирования ее работоспособности недостаточен, и вычислить «паршивую овцу», которая может сократить срок службы группы батарей от заявленных 5 или 10 до 2–3 лет, методами группового контроля крайне сложно.

Вывод очевиден – следует переходить к контролю над каждой отдельно взятой батареей. Такие методики известны давно, однако всплеском своей нынешней популярности они, несомненно, обязаны осознанию необходимости более скрупулезного подсчета TCO, вызванного рядом кризисных явлений.

В Eaton Cellwatch Battery Monitoring System предлагается контролировать каждый из аккумуляторов персонально (рис. 2). Тестирование батарей проходит на плановой основе, а вырабатываемые сигналы тревоги легко поддаются анализу.

Для ее реализации к каждой АКБ на постоянной основе подсоединяются модули сбора данных DCM (Data Collection Module), которые являются программируемыми инструментами, с высокой точностью измеряющими напряжение и внутренне сопротивление находящихся под контролем до четырех ячеек по 2 В (+/-1,0%) или четырех 6- (+/-0.5%) либо 12-вольтных АКБ. Легковесные DCM обычно закрепляются непосредственно на батарее или на прилегающем стеллаже. Для определения внутреннего сопротивления аккумулятора, отражающего состояние его «здоровья», используется метод, основанный на измерении электрохимических характеристик при воздействии на него переменного тока. Дефекты батареи, вызывающие потерю емкости, влияют на снижение проводимости аккумулятора, а отслеживание динамики этого параметра в совокупности с другими показателями позволяют с высокой вероятностью прогнозировать выход такого элемента из строя.

Из соображений безопасности (в том числе и обеспечения гальванической развязки) и надежности последовательные соединения между DCM и к контрольному устройству CU (Control Unit) выполняются оптоволоконным кабелем.

Аккумуляторные батареи ИБП как критичная статья эксплуатационных расходов ЦОД
Рис. 3. Сравнение затрат при классической «ручной» схеме ежемесячного, ежеквартального и полугодового обслуживания (по рекомендациям IEEE 1188) и при применении Eaton Cellwatch Battery Monitoring System

CU соединено с себе подобными и с устройством мониторинга батарей iBMU (Battery Monitoring Unit) через последовательный порт RS485. К нему может быть подключено до четырех индуктивных датчиков тока (от 25 до 1000 A) и температурных сенсоров от аккумуляторных цепочек. На каждом CU имеются программируемые пользователем четыре «сухих» контакта.

iBMU контролирует все аспекты процесса слежения и является обычным ПК в стоечном исполнении (2U) с установленными на нем ОС Windows и специальным аналитико-мониторинговым ПО Cellwatch Applications. Оно обрабатывает поступающий по интерфейсу RS485 поток данных, характеризующий параметры батарей, сохраняет его на жестком диске в формате CSV и в графическом виде представляет информацию через удаленное соединение. BMU может управлять 31 контрольным устройством (CU).

Не менее опасна ситуация, когда при пропадании электроэнергии и после перехода ИБП на батареи невозможно запустить исправный и заправленный топливом генератор из-за отказа стартерных аккумуляторов. Чтобы избежать этого, предлагается Generator Extender Kit, также подсоединяемый к собственным DCM оптикой, а к CU – кабелем Cat.5. Обмен между последними обеспечивается по проприетарному протоколу.

В заключение нам осталось подтвердить изложенное конкретными цифрами. По данным Eaton, при 160 батареях в аккумуляторном массиве ИБП внедрение Cellwatch Battery Monitoring System позволяет стабилизировать и оптимизировать эксплуатационные расходы на АКБ и окупается уже к третьему-четвертому году (рис. 3). Преимуществом от использования системы является высокая достоверность прогнозируемой готовности аккумуляторов и раннее предупреждение об их возможных отказах, а также знание фактического резервного времени своей системы.

+11
голос

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT