Batterier er uden tvivl de dyreste enkeltkomponenter i et UPS-anlæg (Uninterrupted Power Supply), og derfor gælder det om at give batterierne de bedst mulige betingelser for et langt funktionsliv. Det har FSP i høj grad fokus på i deres yderst skalérbare UPS-løsninger
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 11 – 2024 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Christian Girbo-Sørensen, RepComp ApS
Der er ingen tvivl om, at den eksplosivt voksende datainfrastruktur har brug for en pålidelig strømforsyning, hvilket absolut ikke harmonerer med de decentrale og grønne energiløsninger. Alene i kraft af sol og vinds uforudsigelighed og – endnu – dårlige kobling til energiforbrugernes faktiske behov i real-time opstår der et misforhold, som kan føre til brownouts på netforsyningen. I værste fald kan der ligefrem opstå så store dyk i energiforsyningen, at der optræder deciderede blackouts, og selv om mange datacentre og/eller virksomhedsservere har algoritmer, som kan foretage en kontrolleret lukning af dataservere og -lagre på få millisekunder, så er der en latent risiko for, at et blackout kan føre til tab af data. For cloudservere og datacentre er data måske ”kundens produkter”, så et tab af data vil være utilgiveligt og måske endda uerstatteligt.
Der er tydeligvis brug for løsninger, som kan holde forsyningen oppe i så tilpas lang tid, at et spændingsudfald ikke forårsager en utilsigtet shut-down af de tilsluttede computere – eller at de i det mindste vil kunne udføre en kontrolleret lukning, så data bliver allokeret til stabile memories og bevaret dér, indtil strømforsyning og computere igen er oppe. Det er med andre ord UPS-løsninger, og disse uafbrudte strømforsyninger med batteri-backup giver den energireserve, der er nødvendig for at sikre en stabil drift af data- eller cloudservere.
Taiwan-virksomheden FSP er blandt verdens største producenter af strømforsyninger, hvilket selvfølgelig også inkluderer UPS-løsninger. Taiwan er en meget stor producent af netværksservere til datacenter- og cloud-formål, og der er selvfølgelig en vis kommunikation ”over hegnet” mellem de højteknologiske nabovirksomheder på Taiwan, så computerproducenternes behov bliver selvfølgelig videregivet til de lokale virksomheder, som fremstiller de strømforsyninger, der skal holde computerne forsynet. Dette økosystem medfører naturligvis, at mange integrerede datacenterløsninger som udgangspunkt er forsynet med strømforsyninger fra FSP, men andre computerleverandører og systemintegratorer kan med fordel bruge FSP’s løsninger. Gennem årelang og højteknologisk videnudveksling har FSP oparbejdet en detaljeret viden om de eksakte krav til en maksimal oppetid for computersystemerne, og det medvirker desuden til den effektivitet og lange levetid, som tæller positivt på datacentrenes bundlinjer.
Længst levetid for batterierne
Ifølge et whitepaper fra FSP, der i Danmark er repræsenteret af RepComp, så har forsyningsproducenten opdelt enkeltkomponenterne i de typiske UPS-løsninger for at undersøge, hvordan man opnår den længste levetid af enkeltkomponenterne i UPS’en og dermed også den højeste effektivitet og mest prisoptimale UPS-løsning. Det overrasker nok ikke, at de enkeltkomponenter, som er mest udsat for miljøforhold og ældning, er batterierne i UPS. Kort fortalt består den typiske UPS af en AC/DC-konvertering med PFC-optimering og spændingsstabilisering af DC-spændingen, der holder batterierne oppe. I det tilfælde, at batterierne er fuldt opladede, sendes DC-spændingen videre til en DC/AC-inverter, som genererer de 115VAC eller 230VAC (typisk), som er output for UPS.
I valget af UPS er der også en række faktorer, man skal tage med i betragtning. Det primære spørgsmål er: Hvor længe har man brug for at holde applikationen ”i live” i tilfælde af et udfald i netspændingen? I den vurdering indgår også spørgsmålet om, hvorvidt man bare skal have en energireserve til lukning af serverne og bevarelse af de volatile data eller om applikationen er så funktionskritisk, at den skal kunne holdes kørende i længere tid, så serverne forbliver i aktiv tilstand, hvilket kan være op mod en times brug eller endda mere.
Men effektiviteten af strømforsyning og konvertere/invertere spiller også ind. Jo mere effektiv en UPS er, desto mindre tabsvarme genererer den, og jo mindre bliver også bidraget til den samlede varmeudvikling i serverrummet. Det er i høj grad værd at tænke over, for der er en direkte sammenhæng mellem batteriers levetid og de termiske forhold, batterierne arbejder under.
Der er igen to faktorer, der er koncentreret om batterierne: Dels er der kapaciteten, der er afgørende for, hvor længe en applikation kan holdes aktiv, dels er der den funktionelle levetid – altså hvor længe batteriet kan fungere i UPS’en, før en udskiftning er nødvendig. Men her dukker så også en række variable forhold op, for der er en vis sammenhæng mellem levetid og kapacitet. Ældning af batterikemien som følge af cykliske afladninger og temperaturer reducerer kapaciteten, og på et tidspunkt når batteriet til en nedre grænse, hvor man ikke længere har kapacitet nok til at overholde applikationens specifikationer for aktiv drift under spændingsudfald.
Det er så nogle af disse forhold, der betyder, at man i visse tilfælde kan vælge et batteri med en vis overkapacitet i forhold til applikationens behov – simpelthen fordi ældningen ikke trækker kapaciteten under den nedre grænse, men også fordi en vis overstørrelse kan give en højere effektivitet og en køligere drift, hvilket igen forlænger batteriets levetid.
FSP leverer UPS-løsninger, der spænder lige fra de enkle ECO- og NANO-serier i 400W- til 800W-klassen, og som egner sig fint til stand-alone servere i små virksomheder, op til Mplus- og XMOD-serierne, der indeholder UPS-løsninger på op til både 300kVA og 500kVA – men trods det med en power factor på 1 (optimal sinusform på forsyningen) og en effektivitet, der ligger over 99 procent. FSP’s UPS’er kan enten køre til momentan indkobling i tilfælde af netudfald eller som in-line forsyninger samt med mulighed for filtre, der også fjerner spikes og udjævner potentielle brownouts.
Tommelfingerregler til længst muligt liv for batteriet
Uanset type af UPS er der nogle ganske enkle regler, som går igen på tværs af effektklasserne. Indledningsvis bør man sikre sig optimale termiske forhold for batterierne i UPS’en. Batterier lever længst ved omgivelsestemperaturer mellem 20 og 25 grader celsius og helst en høj grad af stabilitet. De fleste af FSP’s UPS’er og batterier er fremstillet til montage i de 19”-racks, som servere i datacentre som oftest også placeres i, og med muligheden for at isolere teknikken fra omgivelserne med låger og bagbeklædninger og en styret ventilation er der rigtig god mulighed for at kontrollere de termiske forhold omkring både servere og UPS’er – og dermed også batterierne.
Kemien er også afgørende for valget af batteri, og i hvilken ladetilstand batteriet skal holdes. Men uanset batterikemien kan ingen batterier, blysyre, litium-baserede eller NiMH tåle længerevarende fuldstændige afladninger. Oftest er opladning til batteriets fulde kapacitet af betydning for holdbarheden af batteriet, om end visse kemier fungerer bedst ved en ladningstilstand en smule under den maksimale kapacitet. Aflader man derimod sine batterier i en længere periode eller hyppigt, så bliver levetiden kraftigt reduceret, og man kan decideret ødelægge batterierne.
Over- og underopladning af batterierne påvirker også levetiden negativt, ligesom kemien dikterer det antal af cykliske op- og afladninger, batteriet kan holde til. Det kan være mellem 500 og 2000 ladecyklusser, men holder man batteriet afkoblet, indtil det skal bruges med en daglig ”top-up”, så bliver levetiden også længere. En yderligere tommelfingerregel siger, at man må regne med, at batteriets maksimale kapacitet er faldet til rundt regnet halvdelen efter fem år, hvorefter batteriet med fordel kan udskiftes. Realistisk kan man forlænge brugstiden for batterierne, men efter fem år må man regne med et ret betydeligt fald i maksimalkapaciteten.
Valget af nominel kapacitet kan derfor med fordel sættes lidt højere – og måske gerne til det dobbelte – af det indledningsvis nødvendige. Det kan forhindre de utidige udskiftninger af batterier, og man kan føle sig sikker på, at batteriet – og UPS’en – vil holde en server- eller cloud-applikation oppe under et længere spændingsudfald på forsyningsnettet. Uanset om man har brug for små eller store kapaciteter af batterierne i UPS’en, kan man være sikker på, at FSP kan levere en løsning, der er optimeret til applikationen, så det kan svare sig at diskutere behovet med FSP eller RepComp, før man investerer i en UPS. Det giver stabilitet og pålidelighed – og på sigt også den prisbilligste løsning.
Billedtekster:
1: FSP’s UPS-løsninger starter ved de enkle ECO- og NANO-serier i 400W- til 800W-klassen. De egner sig fint som stand-alone servere i små virksomheder, hvor de kan beskytte mod kortvarige spændingsudfald.
2: Store server- eller cloudapplikationer kan kræve effekter fra UPS’en op i MVA-klassen. Det kan man opnå med FSP’s Mplus- eller XMOD-serier, som leverer op til 300- eller 500kVA – og hvor man kan parallelkoble op til fire UPS’er. Da batteriernes levetid har en naturlig grænse, bør man tænke over den nødvendige kapacitet efter et par år eller tre i sit design af den maksimale effekt x tid.
