隨著近年來通訊行業的快速發展,特別是4G、5G的來臨,國家加大了對數據中心的建設,尤其是網絡數據中心和大型云數據中心。大型數據中心意味著服務器功率的持續增大,有些大型數據中心的單機架功耗已接近5kW,少數超大型數據中心的功耗已達20kW,為此華為等通訊企業開發了800kVA以上的UPS適應大功率的需求。
　　
　　一般傳統的鉛酸蓄電池作為后備電源使用，因其大電流、恒功率放電性能差，已不適應數據中心高倍率放電，備電時間短的要求。而高功率鉛酸蓄電池以輸出功率高，占地面積小，電池成本和能耗小等特點，成為目前大型數據中心的最佳選擇方案。
　　
　　目前在數據中心相對重要的大型機房,大多采用2V高功率鉛酸蓄電池。2V高功率VRLA電池相對于12V電池容量更大,配置組數更少,但成組只數較多,一般每組配置120只或者240只,對電池的一致性要求較高。2V大容量高功率VRLA電池采用大容量設計,單體輸出的功率更大,相比于2V普通高功率VRLA電池配置組數減少,大大地提高了UPS系統的可靠性。
　　
　　一、電池產品設計
　　
　　高功率鉛酸蓄電池的主要性能是必須具有較高的短時高倍率放電特性,在高倍率放電時,通過的電流較大,電池與連接件間產生很大的壓降,加上電池本身的極化,大電流造成的活性物質利用率低等情況,會對電池高倍率性能產生較大影響,所以降低電池的內阻,減小各環節的壓降,提高活性物質利用率是設計的一個核心問題。
　　
　　高功率鉛酸蓄電池在UPS機房使用中，長時間處于浮充狀態，除了需要具備短時間大電流放電輸出能力外，還需具有一定的壽命以及壽命期間穩定的可靠性。好的壽命及穩定的可靠性，一是電池的設計決定，二是電池制造過程中良好的工藝控制。
　　
　　以下從板柵設計、極柱設計、外殼結構設計等方面進行分析,并提出2V大容量高功率鉛酸蓄電池的設計方案與思路。
　　
　　1.板柵設計
　　
　　板柵設計對電池高倍率放電的影響較為關鍵,板柵是支撐活性物質的載體和傳輸電流的導體,板柵設計的合理與否,決定了電池的性能。
　　
　　1）2V大容量高功率鉛酸蓄電池因大容量及高功率的特點,大電流放電時間較長,一般十五分鐘或者半小時左右,所以板柵需要有足夠的承載電流的面積,同時厚度不宜設計過薄,也不能太厚,太厚易導致電解液滲透速度降低從而造成
　　
　　活性物質利用率降低,設計太薄板柵易腐蝕斷裂,對電池壽命造成影響,正板柵厚度一般設計為3.0～4.0mm。
　　
　　2）2V大容量高功率鉛酸蓄電池采用中板耳設計,保證電流在極板左右兩側的均衡,降低板柵內阻,同時增加板耳厚度和板耳的寬度,減小電流密度,增加電池高倍率放電的可靠性。
　　
　　2.極柱設計
　　
　　傳統鉛酸蓄電池的正負極匯流排采用單極柱連接設計，對于大容量高功率鉛酸蓄電池來說，需要更大的極柱截面積來滿足大電流放電的要求。以GFM-1500，C10容量1500Ah為例，如圖1所示:
　　
　　電池有3個C10容量為500Ah的單體電池采用連體式匯流排設計，每個單體500Ah只需單極柱引出，即可滿足48V通信系統最大到C1放電電流需求。當設計為2V5000W時，15分鐘備電時間需求功率為5000W，按照截止電壓1.7V計算，通過的最大電流為5000W/1.7V=2941A電流，單個極柱通過的電流為2941/3=980A。單個極柱通過這么大的電流勢必會產生很大的壓降，電流通過的時間過長產生很高的溫升，嚴重還會燒損極柱，引起斷路。
　　
　　為了解決溫升及壓降問題,2V大容量高功率鉛酸蓄電池采用多極柱設計,極柱數量為2V普通VRLA電池2倍,減小大電流通過單極柱的壓降,還可起到斷路的保險作用。極柱端子采用導電性、散熱性好的銅芯材質,焊接端極柱前,采用沾錫工藝,增加銅芯和鉛之前的結合度,焊接時,選用連接面平整、光滑,流紋少,壁厚均勻的極柱端子,極柱物理缺陷越少,極柱內阻越小,越有利于大電流的傳導。
　　
　　3.結構設計
　　
　　目前市場上大容量電池有多種外形結構設計,常見的有高型和矮型結構設計,其中矮型又分內部匯流排連接的單體結構,外部極柱通過連接條并聯的2個單體結構,如圖2、圖3。
　　

　　高型電池設計的高功率VRLA電池存在明顯缺點,即電池高度過高,電解液分層明顯,滲透效率慢,活性物質利用率不高,高倍率放電性能差。所以一般將2V大容量高功率鉛酸蓄電池設計為矮型結構,不但節省了外殼材料,降低了酸液分層,而且在同等尺寸空間里,功率大幅提高。
　　
　　矮型單體結構與并聯結構相比,又以單體結構設計為宜,一是并聯結構外部連接復雜,尤其2V大容量高功率鉛酸蓄電池,極柱眾多,連接極其繁瑣,安裝以及后續維護均較為不便。二是連接條太長,電阻較大,產生的壓降及溫升較大,影響大容量電池散熱。三是連接條過多,甚至有連接條疊在一起的連接方式,容量出現連接不可靠、發熱和壓降大的問題,如圖4所示。
　　
　　把電池設計為單體結構,內部極板通過匯流排連接,沒有了并聯結構外部連排連接的接觸內阻,減小了電池的放電壓降,增加了電池的安全可靠性和大電流放電性能。
　　
　　二、結論
　　
　　2V大容量高功率鉛酸蓄電池設計需要考慮的有很多,諸如鉛膏的配方,正負極板配比數量,裝配壓縮比,電解液配方等多種方面。本文系統的介紹了采用中板耳加寬加厚,板柵厚度適中的骨架結構;多極柱及內嵌銅芯的結構,確保導電截面積,減小電流密度,利于提高高倍率放電性能;選用矮型單體電池結構設計,提高活性物質利用率,降低酸液分層,提高電池放電性能及壽命。通過以上幾個方面的研究,希望對2V大容量高功率鉛酸蓄電池的設計起到拋磚引玉的作用。
　　
　　作者簡介
　　
　　任栩杰,臥龍電氣集團浙江燈塔電源有限公司技術中心工程師,2011年開始從事閥控式鉛酸蓄電池技術研究與產品開發,具有10年以上鉛酸蓄電池行業工作經驗,負責和參與了高功率電池開發、鉛碳電池技術研究等多項科技項目。
　　
　　編輯：Harris