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“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“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,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。
舉例來說,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83.3%,在2+1配置下,UPS負(fù)載率不會(huì)超過55.53%。UPS的損耗可以根據(jù)下式來計(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，又稱標(biāo)稱電壓。它是選用不同種類電池時(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)的種類有關(guān)，而與活性物質(zhì)的數(shù)量無關(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)化為電能的一類裝置。經(jīng)過長(zhǎng)期的研究、發(fā)展，化學(xué)電池迎來了品種繁多，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。無時(shí)無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，都帶來了電子設(shè)備革命性的發(fā)展，F(xiàn)代社會(huì)的人們，每天的日常生活中，越來越離不開化學(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。后來推出了以糊狀電解液為基礎(chǔ)的電池，也稱做干電池。
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的事故都放進(jìn)去進(jìn)行匹配，再根據(jù)各個(gè)車型的實(shí)際設(shè)計(jì)推測(cè)未來出事故的PPM（百萬分率）。 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)車輛比較安全的位置，防止在車輛使用過程中出現(xiàn)問題，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)械濫用引起的問題反而成為大家容易解決的問題。
以特斯拉的三起事故為例：
1.在美國田納西州士麥那起火燃燒，這輛電動(dòng)車沖向掉落路面的拖車掛鉤，底盤碰撞后發(fā)生火災(zāi)。
2.駕駛者在轉(zhuǎn)彎時(shí)撞上、并穿過了了一座水泥墻，最終撞在一棵樹上停了下來，起火。
3.在西雅圖車主稱撞上了路中的金屬殘片，因此他離開了高速公路。車子失效后，他又聞到了燃燒的味道，車輛此時(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)的熱能釋放來考慮：
1.電池包或電池單體過充
過充一般而言確實(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、單體過充），電池過充和電解液蒸發(fā)過熱，還有就是電池剩余容量（SOC）計(jì)算錯(cuò)誤引起的過充，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充。
2 短路過流的人熱能釋放
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)體和連接器過熱、單體過熱引發(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)，與由陽極傳來的氫離子結(jié)合生成水。氧化還原反應(yīng)過程中就可以產(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，從各種分析來看，從電池系統(tǒng)著火起來的事，必定有故障發(fā)生，而且有熱量集聚引燃。
2.如果把更多公開的信息匯總在一起，再拆解對(duì)比，完善系統(tǒng)分析過程還是可以達(dá)成一些共識(shí)避免很多未來的著火事故。
