De combien de batteries de rack de serveur avez-vous besoin pour la sauvegarde UPS ?

UN Batterie de rack de serveur Le plan commence par trois entrées : la charge réelle de l'onduleur en watts, le temps de sauvegarde requis et l'énergie utilisable que chaque module de batterie peut fournir via l'onduleur. Un processus de dimensionnement pratique commence par l'énergie de charge en wattheures, ajuste ce nombre en fonction des pertes de l'onduleur et de la capacité utilisable de la batterie, puis divise le résultat par l'énergie disponible à partir d'une batterie de rack de serveur.

Pour une estimation de premier passage :

Énergie de charge requise (Wh) = charge UPS (W) × temps de sauvegarde (heures)

Tenez ensuite compte des pertes de conversion et de la capacité utilisable autorisée de la batterie :

Énergie nominale requise de la batterie = énergie de charge requise ÷ efficacité du mode batterie de l'onduleur ÷ fraction de batterie utilisable

Enfin:

Quantité de batterie = énergie nominale requise de la batterie ÷ énergie nominale par module de batterie

Arrondissez toujours la quantité de batterie au module entier supérieur.

Ce calcul n'est qu'un point de départ. Le dimensionnement final doit également confirmer la plage de tension CC de l'onduleur, le courant de décharge de la batterie, les limites du BMS, la capacité du chargeur, l'espace du rack et les données d'exécution pour la configuration réelle de l'onduleur.

Commencez par la charge UPS et le temps de sauvegarde requis

Avant de dimensionner un parc de batteries de rack de serveur, définissez ce que l'onduleur doit prendre en charge et pendant combien de temps. Schneider Electric recommande d'ajouter la puissance de l'équipement à protéger et de sélectionner un onduleur avec une hauteur libre au-dessus de la charge connectée. Il note également que la durée d'exécution diminue à mesure que davantage d'équipements sont connectés.

Mesurez la charge réelle de l'onduleur

Utilisez la puissance mesurée ou surveillée autant que possible. Les plaques signalétiques des serveurs et les caractéristiques nominales des blocs d'alimentation indiquent généralement une capacité maximale plutôt qu'une demande de fonctionnement continue. Schneider Electric note également que les valeurs nominales des équipements peuvent être supérieures à la consommation électrique réelle.

Pour un rack de serveur, mesurez la charge combinée des serveurs, du stockage, des commutateurs, des routeurs, des pare-feu et des autres équipements qui doivent rester en ligne pendant une panne. Une PDU en rack avec compteur, une interface de gestion UPS ou un audit de l'alimentation du site peuvent fournir une valeur de conception plus utile que la simple ajout de valeurs nominales maximales sur la plaque signalétique.

Le résultat devrait être un chiffre en watts réaliste pour la charge protégée. Ce nombre devient la base du dimensionnement de la batterie du rack de serveur. Un parc de batteries pour rack de serveur dimensionné à partir de la charge mesurée est plus utile qu'un parc basé uniquement sur les valeurs maximales de la plaque signalétique.

Utilisez des watts, pas du VA seul

VA et watts répondent à des questions différentes.

VA, ou voltampères, représente la puissance apparente et aide à déterminer si un onduleur peut prendre en charge l'équipement connecté. Les watts représentent la puissance réelle consommée par l’équipement et constituent l’entrée la plus directe lors du calcul de l’énergie au fil du temps.

Eaton définit la relation comme :

Watts = VA × Facteur de puissance

Il note également que de nombreuses charges informatiques récentes, y compris les serveurs, ont un facteur de puissance de 0,9 ou plus. Schneider Electric recommande de conserver une marge de capacité plutôt que de dimensionner l'onduleur exactement en fonction de la charge connectée.

Pour la quantité de batterie, ne prenez donc pas un “ UPS 3 000 VA ” et supposez que le rack consomme en permanence 3 000 watts. Déterminez d’abord la charge réelle en watts, puis calculez la quantité d’énergie requise par ces watts pendant la période de sauvegarde requise.

Définir le temps d'exécution de sauvegarde requis

Le temps d'exécution doit refléter le travail que l'onduleur doit effectuer.

Certaines installations n'ont besoin que d'une autonomie de batterie suffisante pour traverser une brève panne ou effectuer un arrêt ordonné du serveur. D’autres doivent combler l’intervalle entre la panne du service public et le démarrage du générateur. Un site sans génération de secours peut nécessiter une fenêtre de batterie plus longue.

Schneider Electric définit la durée de fonctionnement de l'onduleur comme la période pendant laquelle l'onduleur peut prendre en charge sa charge connectée à partir de l'alimentation de la batterie et souligne que la durée requise dépend des besoins opérationnels et de la criticité de l'équipement protégé.

Écrivez l'exigence sous la forme d'une valeur spécifique, telle que :

• 15 minutes
• 30 minutes
• 1 heure
• 2 heures

La même batterie de rack de serveur fournira une durée d'exécution différente à mesure que la charge en watts prise en charge change.

Convertissez les minutes en heures avant de calculer l'énergie. Par exemple:

30 minutes = 0,5 heure

Séparer les charges critiques et non critiques

Une charge protégée plus importante augmente directement la capacité requise de la batterie du rack de serveur. Si seul un équipement sélectionné nécessite une alimentation continue, séparez ces systèmes critiques des équipements susceptibles de s'arrêter en cas de panne.

Schneider Electric recommande spécifiquement de réserver une alimentation de secours pour les équipements essentiels, car chaque charge connectée supplémentaire réduit la durée d'exécution disponible.

Pour un rack réseau ou serveur, la charge protégée peut inclure :

• Serveurs principaux
• Systèmes de stockage
• Commutateurs réseau
• Routeurs
• Pare-feu
• Équipement de communication essentiel

La liste finale doit refléter le plan de continuité et d’arrêt réel de l’organisation plutôt que chaque périphérique physiquement installé dans le rack.

Comment calculer la capacité de la batterie du rack de serveur

Une fois la charge critique et le temps de sauvegarde requis connus, convertissez ces besoins en énergie. C'est là qu'un calcul de batterie de rack de serveur devient plus utile que la seule comparaison des valeurs Ah.

Convertir la durée d'exécution en watts-heures

Commencez par l’énergie requise par la charge :

Énergie de charge (Wh) = Charge (W) × Durée d'exécution (h)

Par exemple:

Charge protégée	Durée d'exécution requise	Énergie de charge
1 000 W	30 minutes	500 Wh
2 000 W	1 heure	2 000 Wh
3 000 W	2 heures	6 000 Wh

Les calculs sont simples :

1 000 W × 0,5 h = 500 Wh

2 000 W × 1 h = 2 000 Wh

3 000 W × 2 heures = 6 000 Wh

Ces chiffres décrivent l'énergie qui doit atteindre l'équipement protégé. Il ne s’agit pas encore de la capacité nominale finale du parc de batteries.

Ajuster l'efficacité de l'UPS

Un UPS consomme de l'énergie lors de la conversion de l'alimentation CC de la batterie en alimentation CA régulée. La batterie doit donc fournir plus d’énergie que l’équipement connecté n’en reçoit finalement.

Schneider Electric définit l'efficacité de l'onduleur comme le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée et note que l'efficacité varie en fonction de la charge de fonctionnement.

À des fins de dimensionnement :

Énergie de la batterie avant ajustement de la capacité utilisable = énergie de charge ÷ efficacité du mode batterie de l'onduleur

N'appliquez pas un pourcentage d'efficacité générique à chaque UPS.

Pour la conception finale, utilisez l'efficacité du mode batterie, le tableau d'autonomie ou les données de configuration fournies pour l'onduleur spécifique. Si le fabricant fournit des données d'exécution pour la configuration exacte de l'onduleur et de la batterie externe, utilisez-les pour vérifier la quantité calculée de batterie du rack de serveur.

Tenir compte de la capacité utilisable de la batterie

L’énergie nominale de la batterie et l’énergie utilisable de la batterie ne doivent pas automatiquement être traitées comme identiques.

La quantité utilisable peut dépendre de facteurs tels que :

• Limites de décharge du BMS
• Tension d'entrée CC minimale de l'onduleur
• Profondeur de décharge approuvée
• Température de la batterie
• Courant de décharge
• Réserve de capacité requise

Le calcul peut donc s’exprimer comme suit :

Énergie nominale de la batterie requise = énergie de charge ÷ efficacité de l'onduleur ÷ fraction de batterie utilisable

Utilisez les limites de fonctionnement approuvées pour la batterie et l'onduleur spécifiques plutôt que d'appliquer un pourcentage générique à chaque installation de batterie au lithium.

Un fabricant de batteries doit être en mesure de fournir les limites électriques et les informations de décharge nécessaires pour déterminer le fonctionnement d'une batterie de rack de serveur au courant et à la durée de sauvegarde prévus.

Utilisez la formule de comptage de batterie

Une fois que l'énergie nominale requise est connue, divisez-la par l'énergie nominale d'un module de batterie du rack de serveur :

Nombre de batteries = énergie nominale requise de la batterie ÷ énergie par batterie

Arrondissez ensuite la réponse au module complet suivant.

Par exemple, supposons que les besoins corrigés en matière de batterie après les ajustements techniques pertinents soient de 7,0 kWh, alors que chaque batterie approuvée fournit 5,12 kWh d'énergie nominale :

7,0 kWh ÷ 5,12 kWh = 1,37

Vous ne pouvez pas installer 1,37 modules de batterie, le calcul de l'énergie nécessite donc au moins :

2 modules de batterie

Cela ne fait pas automatiquement de deux modules la configuration finale. La tension, le courant, le BMS, la charge, la communication et la compatibilité UPS doivent encore être vérifiés.

Exemples de dimensionnement de batterie de rack de serveur pour les charges UPS courantes

Les exemples ci-dessous illustrent le calcul initial de l'énergie avant l'application des pertes de l'onduleur, des limites de capacité utilisable, de la réserve vieillissante ou de la redondance spécifique au projet.

Par souci de cohérence, ils utilisent un Batterie 51,2 V 100 Ah avec 5,12 kWh d'énergie nominale comme module de référence.

Charge de 1 kW pendant 30 minutes

Une charge de 1 kW fonctionnant pendant 30 minutes nécessite :

1 kW × 0,5 heure = 0,5 kWh

Le besoin théorique en énergie de charge est donc de 0,5 kWh.

D'un point de vue énergétique uniquement, une batterie de rack de serveur de 5,12 kWh contient plus d'énergie nominale stockée que cette exigence.

La prochaine étape ne consiste pas simplement à commander une batterie. Le module proposé doit toujours être vérifié par rapport à la plage de tension de la batterie de l'onduleur, au courant de décharge autorisé, à l'énergie utilisable et à la durée de fonctionnement requise sous la charge réelle.

Cet exemple illustre également pourquoi la planification de la batterie doit commencer par les watts et l'autonomie au lieu de deviner la quantité de modules.

Charge de 2 kW pendant une heure

Pour une charge critique de 2 kW qui doit rester en ligne pendant une heure :

2 kW × 1 heure = 2 kWh

Le besoin initial en énergie de charge est de 2 kWh.

Le minimum énergétique uniquement reste un module de 5,12 kWh. Une fois les pertes de l'onduleur et les limites de fonctionnement applicables de la batterie intégrées, la capacité requise peut ensuite être vérifiée par rapport à la sortie utilisable de la configuration de batterie sélectionnée.

Cela fait pas Cela signifie que chaque UPS de 2 kW nécessite une batterie de rack de serveur. Cela signifie qu'une charge de 2 kW fonctionnant pendant une heure nécessite 2 kWh au niveau de la charge, ce qui donne aux ingénieurs un point de départ clair pour évaluer la combinaison réelle batterie-onduleur.

Charge de 3 kW pendant deux heures

Une charge de 3 kW fonctionnant pendant deux heures nécessite :

3 kW × 2 heures = 6 kWh

Une batterie de 5,12 kWh ne contient pas suffisamment d'énergie nominale pour répondre aux besoins en énergie de charge de 6 kWh.

Le minimum théorique est :

6 kWh ÷ 5,12 kWh = 1,17 modules

Rassembler:

Quantité minimale basée sur l'énergie : 2 modules

La quantité corrigée du projet peut changer après l'intégration de l'efficacité, des limites d'énergie utilisable, des exigences de réserve et de la redondance.

À ce niveau de charge, la capacité de courant de décharge devient également un critère important de dimensionnement de la batterie du rack de serveur.

Exemple de module MANLY 51,2 V 100 Ah

MANLY Battery propose des configurations LiFePO4 montées en rack 51,2 V 100 Ah pour les applications de sauvegarde stationnaires de classe 48 V.

L’énergie nominale stockée découle directement de la tension et de la capacité :

51,2 V × 100 Ah = 5 120 Wh

ou:

5,12 kWh

La gamme de stockage d'énergie orientée rack de MANLY Battery comprend une configuration MF48100 de 51,2 V 100 Ah, tandis que sa configuration montée en rack MLP48100 utilise également une puissance nominale de 51,2 V, 100 Ah et une base d'énergie nominale de 5,12 kWh.

Pour les intégrateurs de systèmes, cela fournit une valeur claire au niveau du module pour les calculs préliminaires de capacité.

En tant que fabricant de batteries, MANLY Battery peut également prendre en charge la configuration de batterie spécifique au projet. Toutefois, pour l'intégration de l'onduleur, la configuration de la batterie sélectionnée doit correspondre à la plage de fonctionnement CC de l'onduleur, aux paramètres de charge, aux exigences de courant, à l'architecture BMS, aux exigences de communication et à la conception de la protection du système.

Par exemple, en utilisant 5,12 kWh comme énergie nominale du module :

Chargement UPS	Durée d'exécution	Énergie de charge	Minimum d'énergie uniquement
1 kW	30 minutes	0,5 kWh	1 module
2 kW	1 heure	2,0 kWh	1 module
3 kW	2 heures	6,0 kWh	2 modules

Il s'agit de décomptes d'énergie préliminaires et non de configurations finales de l'onduleur.

Pourquoi le nombre final de batterie peut changer

L'arithmétique fournit une quantité de départ. Le parc de batteries de rack de serveur installé peut nécessiter un nombre différent de modules une fois que les limites électriques, les conditions environnementales, la croissance future de la charge et les exigences de résilience sont incluses.

Efficacité UPS et tension CC

Deux contrôles viennent en premier : efficacité de conversion et compatibilité de tension.

Les pertes de conversion UPS augmentent l’énergie tirée de la batterie par rapport à l’énergie fournie à l’équipement protégé.

La tension est tout aussi importante. Un UPS fonctionne sur une plage de tension de batterie externe définie. Une description nominale de “ classe 48 V ” à elle seule n'établit pas la compatibilité électrique entre un onduleur et une batterie.

Vérifier:

• Tension maximale de la batterie
• Tension CC nominale
• Tension de fonctionnement minimale
• Coupure basse tension UPS
• Tension de charge
• Configuration série ou parallèle autorisée

La fenêtre de tension de fonctionnement de la batterie doit rester dans la plage approuvée pour l'onduleur tout au long du cycle de décharge.

Vieillissement et température de la batterie

La capacité de la batterie n’est pas une valeur fixe à vie.

L'autonomie disponible peut être influencée par la température de fonctionnement, l'âge de la batterie, l'état de charge, le taux de décharge et l'historique d'entretien. Les environnements de salle de serveurs identifient également l'état de la batterie et l'environnement d'exploitation comme facteurs qui influencent la durée de fonctionnement disponible de l'onduleur.

Au lieu d’appliquer un pourcentage de vieillissement universel arbitraire, utilisez les données de performances applicables du fabricant de la batterie et la réserve de capacité requise par le projet.

Pour les infrastructures critiques, des tests périodiques d'exécution ou de capacité peuvent également déterminer si le parc de batteries du rack de serveur continue de répondre aux exigences de sauvegarde prévues à mesure que le système vieillit.

Limites de courant du BMS

La capacité énergétique ne représente que la moitié de la taille de la batterie UPS. La batterie doit également fournir suffisamment de puissance et de courant.

Un calcul DC de premier ordre utile est :

Courant de la batterie ≈ Puissance de charge ÷ Tension de la batterie

Par exemple, en ignorant les pertes de conversion pour le calcul initial :

3 000 W ÷ 51,2 V ≈ 58,6 A

Le courant réel de la batterie changera en fonction de la tension de la batterie et des conditions de fonctionnement de l'onduleur.

La batterie du rack de serveur sélectionnée doit rester dans le courant de décharge continu approuvé des cellules, du BMS, des connecteurs, des dispositifs de protection et des interconnexions de la batterie.

Par exemple, la spécification 51,2 V 100 Ah MLP48100A de MANLY Battery identifie un courant de décharge continu maximum de 100 A.

C'est pourquoi deux batteries ayant la même puissance en kWh ne doivent pas automatiquement être considérées comme équivalentes pour un onduleur donné. Le courant de décharge requis doit également se situer dans l’enveloppe de fonctionnement approuvée.

Capacité N+1 et croissance de la charge

Le dimensionnement de la batterie devra peut-être également tenir compte de la résilience et de l’expansion future.

Si la conception de continuité de l’installation prévoit une redondance N+1, la réserve requise doit être intégrée avant que la quantité finale de modules ne soit approuvée. L'architecture exacte dépend de la manière dont la redondance est mise en œuvre sur l'onduleur, les chaînes de batteries, les chemins d'alimentation et l'infrastructure associée.

La charge future compte également.

Des serveurs supplémentaires, du stockage, des équipements réseau ou du matériel à plus haute densité peuvent augmenter la charge en watts protégée pendant la durée de vie de l'installation. Schneider Electric recommande de conserver la marge de capacité de l'onduleur et de prendre en compte la croissance future des équipements lors du dimensionnement du système.

Un plan de croissance réaliste est plus utile que l’ajout arbitraire d’une capacité de batterie sans référence aux changements d’équipement attendus.

Comment valider le groupe de batteries avant l'installation

Un calcul de batterie de rack de serveur n'est terminé qu'une fois que la banque proposée fonctionne électriquement, mécaniquement et opérationnellement avec l'onduleur. Considérez la validation de la batterie du rack de serveur comme faisant partie du processus de dimensionnement, et non comme une réflexion distincte après coup.

Vérifier la compatibilité de la tension UPS

Comparez la plage de tension de fonctionnement complète de la batterie avec les spécifications de la batterie externe de l'onduleur.

Confirmer:

• Tension nominale de la batterie
• Tension de charge maximale
• Tension de fonctionnement minimale
• Coupure basse tension UPS
• Paramètres du chargeur
• Architecture série ou parallèle
• Communication de batterie requise

Ne présumez pas que deux produits sont électriquement compatibles simplement parce que les deux sont décrits comme des systèmes “ 48 V ”.

Les plages de fonctionnement complètes doivent correspondre.

Vérifier le courant de décharge continu

Calculez le courant CC attendu à la charge protégée maximale et comparez-le avec les valeurs nominales autorisées des :

• Batterie
• BMS
• Connecteurs
• Câbles d'interconnexion
• Jeux de barres
• Dispositifs de protection

Les exigences transitoires spécifiées par le fabricant de l'onduleur doivent également être vérifiées.

Un parc de batteries peut contenir suffisamment de kWh pour l’autonomie souhaitée tout en nécessitant une vérification technique plus approfondie si la demande de courant de l’onduleur tombe en dehors des limites de fonctionnement approuvées de la batterie.

Confirmer l'espace rack et le câblage

La quantité de batterie a également une conséquence physique.

Confirmez qu'il y a suffisamment d'espace dans l'armoire pour :

• Modules de batterie
• Matériel d'interconnexion
• Dispositifs de protection
• Acheminement des câbles
• Ventilation
• Accès aux services

La longueur du câble, la taille des conducteurs, les exigences de terminaison et les dispositifs de protection doivent respecter les exigences approuvées d'installation de l'onduleur et de la batterie.

Pour un parc de batteries pour rack de serveur multimodules, utilisez l'architecture d'interconnexion spécifiée par le fabricant de la batterie afin que les procédures de distribution, de protection et de service actuelles restent prévisibles.

Tester l'exécution sous charge réelle

Le temps d'exécution calculé doit être vérifié après l'installation.

Un test d'autonomie contrôlé sous une charge représentative fournit une preuve directe du comportement de l'ensemble du système UPS et de la batterie. Server Room Environments recommande également de simuler une panne de courant et de mesurer la durée d'exécution réelle comme vérification pratique d'une installation.

Enregistrez les conditions de test clés, notamment :

• État de charge de départ
• Charge en watts protégée
• Température de la batterie
• Durée d'exécution
• Tension de batterie la plus basse observée
• Alarmes UPS ou BMS
• Point d'arrêt

Ces enregistrements fournissent une base de mise en service utile pour les futurs contrôles de maintenance et de capacité.

Planifier le temps de recharge après les pannes

La planification de l'autonomie ne doit pas s'arrêter lorsque la batterie atteint son point final de décharge.

Après une panne, le système doit restituer l’énergie utilisée. Un parc de batteries pour rack de serveur plus grand impose donc des exigences plus élevées au système de charge.

Vérifiez l'onduleur :

• Sortie du chargeur
• Capacité de la batterie externe prise en charge
• Tension de charge
• Profil de recharge
• Spécification du temps de recharge
• Exigences de communication de la batterie au lithium, le cas échéant

L’autonomie prolongée de la batterie et la capacité de recharge de la batterie doivent être prises en compte ensemble. Les documents de référence sur la conception des onduleurs à autonomie prolongée soulignent également que les parcs de batteries plus longs nécessitent une capacité de charge adéquate après décharge.

Pour l’approvisionnement et la conception du système, le processus peut être réduit à une séquence pratique :

1. Mesurez la charge critique réelle en watts.
2. Définissez le temps d'exécution UPS requis.
3. Calculez les wattheures requis par la charge.
4. Corrigez les limites de fonctionnement approuvées de l'onduleur et de la batterie.
5. Divisez par l’énergie utilisable disponible de chaque module de batterie.
6. Arrondissez la quantité de batterie du rack de serveur.
7. Vérifiez la tension, le courant, le BMS, la charge, l'intégration du rack et la durée d'exécution.

Ce processus transforme une estimation approximative de la capacité de la batterie en un parc de batteries pour rack de serveur dimensionné autour de la charge réelle de l'onduleur plutôt qu'en une relation supposée entre VA, Ah et l'autonomie.

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