Quante batterie per server rack sono necessarie per il backup UPS?

UN Batteria del rack del server Il piano inizia con tre input: il carico effettivo dell'UPS in watt, il tempo di backup richiesto e l'energia utilizzabile che ciascun modulo batteria può fornire tramite l'UPS. Un processo di dimensionamento pratico inizia con l'energia del carico in wattora, regola tale numero in base alle perdite dell'UPS e alla capacità utilizzabile della batteria, quindi divide il risultato per l'energia disponibile da una batteria del server rack.

Per un preventivo di primo passaggio:

Energia di carico richiesta (Wh) = carico UPS (W) × tempo di backup (ore)

Quindi tenere conto delle perdite di conversione e della capacità utilizzabile consentita della batteria:

Energia nominale della batteria richiesta = energia di carico richiesta ÷ efficienza in modalità batteria dell'UPS ÷ frazione di batteria utilizzabile

Finalmente:

Quantità di batteria = energia nominale della batteria richiesta ÷ energia nominale per modulo batteria

Arrotondare sempre la quantità di batterie al modulo intero successivo.

Questo calcolo è solo il punto di partenza. Il dimensionamento finale deve inoltre confermare l'intervallo di tensione CC dell'UPS, la corrente di scarica della batteria, i limiti del BMS, la capacità del caricabatterie, lo spazio nel rack e i dati di autonomia per la configurazione effettiva dell'UPS.

Inizia con il carico UPS e il tempo di backup richiesto

Prima di dimensionare un banco di batterie per server rack, definire cosa deve supportare l'UPS e per quanto tempo. Schneider Electric consiglia di aggiungere la potenza delle apparecchiature da proteggere e di selezionare un UPS con altezza libera superiore al carico collegato. Si nota inoltre che l'autonomia diminuisce man mano che si collegano più apparecchiature.

Misurare il carico effettivo dell'UPS

Utilizzare la potenza misurata o monitorata quando possibile. Le targhette dei server e i valori nominali dell'alimentatore indicano solitamente la capacità massima piuttosto che la domanda operativa continua. Allo stesso modo, Schneider Electric rileva che i valori nominali riportati sulla targhetta delle apparecchiature possono essere superiori all'assorbimento di potenza effettivo.

Per un server rack, misurare il carico combinato di server, storage, switch, router, firewall e altre apparecchiature che devono rimanere online durante un'interruzione. Una PDU da rack con contatore, un'interfaccia di gestione dell'UPS o un controllo dell'alimentazione del sito possono fornire un valore di progettazione più utile rispetto alla semplice aggiunta dei valori nominali massimi riportati sulla targhetta.

Il risultato dovrebbe essere un valore in watt realistico per il carico protetto. Questo numero diventa la base per il dimensionamento della batteria del server rack. Un banco di batterie per server rack dimensionato in base al carico misurato è più utile di uno basato solo sui valori massimi di targa.

Usa Watt, non solo VA

VA e watt rispondono a domande diverse.

VA, o volt-ampere, rappresenta la potenza apparente e aiuta a determinare se un UPS può supportare le apparecchiature collegate. I Watt rappresentano la potenza reale consumata dall'apparecchiatura e sono l'input più diretto nel calcolo dell'energia nel tempo.

Eaton definisce la relazione come:

Watt = VA × Fattore di potenza

Si rileva inoltre che molti carichi IT più recenti, compresi i server, hanno un fattore di potenza pari o superiore a 0,9. Schneider Electric consiglia di mantenere un margine di capacità piuttosto che dimensionare l'UPS esattamente in base al carico collegato.

Per quanto riguarda la quantità della batteria, quindi, non prendere un “UPS da 3000 VA” e presupporre che il rack consumi continuamente 3.000 watt. Determinare innanzitutto il carico effettivo in watt, quindi calcolare la quantità di energia richiesta da tali watt durante il periodo di backup richiesto.

Definire il runtime di backup richiesto

Il runtime dovrebbe riflettere il lavoro che l'UPS deve eseguire.

Alcune installazioni necessitano solo di una durata della batteria sufficiente per superare una breve interruzione o completare un arresto ordinato del server. Altri devono colmare l'intervallo tra il guasto della rete e l'avvio del generatore. Un sito senza generazione di standby potrebbe richiedere una durata della batteria più lunga.

Schneider Electric definisce l'autonomia dell'UPS come il periodo durante il quale l'UPS può supportare il carico collegato tramite l'alimentazione a batteria e sottolinea che la durata richiesta dipende dalle esigenze operative e dalla criticità delle apparecchiature protette.

Scrivere il requisito come valore specifico, ad esempio:

• 15 minuti
• 30 minuti
• 1 ora
• 2 ore

Lo stesso banco di batterie per server rack fornirà un'autonomia diversa al variare del carico in watt supportato.

Converti i minuti in ore prima di calcolare l'energia. Per esempio:

30 minuti = 0,5 ore

Carichi critici e non critici separati

Un carico protetto più grande aumenta direttamente la capacità richiesta della batteria del server rack. Se solo alcune apparecchiature selezionate necessitano di alimentazione continua, separare i sistemi critici dalle apparecchiature che possono spegnersi durante un'interruzione.

Schneider Electric consiglia espressamente di riservare l'alimentazione di backup alle apparecchiature essenziali poiché ogni carico aggiuntivo collegato riduce l'autonomia disponibile.

Per una rete o un server rack, il carico protetto potrebbe includere:

• Server principali
• Sistemi di stoccaggio
• Interruttori di rete
• Router
• Firewall
• Apparecchiature di comunicazione essenziali

L'elenco finale dovrebbe riflettere l'effettivo piano di continuità e di arresto dell'organizzazione piuttosto che ogni dispositivo fisicamente installato nel rack.

Come calcolare la capacità della batteria del server rack

Una volta noti il ​​carico critico e il tempo di backup richiesto, convertire tali requisiti in energia. È qui che il calcolo della batteria del server rack diventa più utile rispetto al confronto dei soli valori Ah.

Converti l'autonomia in wattora

Iniziamo con l’energia richiesta dal carico:

Energia del carico (Wh) = Carico (W) × Autonomia (h)

Per esempio:

Carico protetto	Tempo di esecuzione richiesto	Carica energia
1.000 W	30 minuti	500Wh
2.000 W	1 ora	2.000Wh
3.000 W	2 ore	6.000Wh

I calcoli sono semplici:

1.000 W × 0,5 h = 500 Wh

2.000 W × 1 ora = 2.000 Wh

3.000 W × 2 ore = 6.000 Wh

Questi numeri descrivono l'energia che deve raggiungere l'apparecchiatura protetta. Non rappresentano ancora la capacità nominale finale del banco di batterie.

Regolare per l'efficienza dell'UPS

Un UPS consuma una certa energia durante la conversione dell'alimentazione CC della batteria in alimentazione CA regolata. La batteria deve quindi fornire più energia di quanta ne riceve l'apparecchiatura collegata.

Schneider Electric definisce l'efficienza dell'UPS come il rapporto tra la potenza in uscita e la potenza in ingresso e rileva che l'efficienza varia in base al carico operativo.

Ai fini del dimensionamento:

Energia della batteria prima della regolazione della capacità utilizzabile = energia del carico ÷ efficienza della modalità batteria dell'UPS

Non applicare una percentuale di efficienza generica a ogni UPS.

Per il progetto finale, utilizzare l'efficienza della modalità batteria, il grafico dell'autonomia o i dati di configurazione forniti per l'UPS specifico. Se il produttore fornisce dati di autonomia per l'esatta configurazione dell'UPS e della batteria esterna, utilizzarli per verificare la quantità calcolata di batterie per server rack.

Tenere conto della capacità utilizzabile della batteria

L'energia nominale della batteria e l'energia utilizzabile della batteria non devono essere automaticamente trattate come identiche.

La quantità utilizzabile può dipendere da fattori quali:

• Limiti di scarico del BMS
• Tensione di ingresso CC minima dell'UPS
• Profondità di scarico approvata
• Temperatura della batteria
• Corrente di scarica
• Riserva di capacità richiesta

Il calcolo può quindi essere espresso come:

Energia nominale della batteria richiesta = energia del carico ÷ efficienza dell'UPS ÷ frazione di batteria utilizzabile

Utilizzare i limiti operativi approvati per la batteria e l'UPS specifici anziché applicare una percentuale generica a ogni installazione di batterie al litio.

Un produttore di batterie dovrebbe essere in grado di fornire i limiti elettrici e le informazioni sullo scarico necessarie per determinare le prestazioni di una batteria per server rack con la corrente e la durata di backup previste.

Utilizzare la formula per il conteggio delle batterie

Una volta nota l'energia nominale richiesta, dividerla per l'energia nominale di un modulo batteria per server rack:

Numero di batterie = energia nominale della batteria richiesta ÷ energia per batteria

Quindi arrotondare la risposta al modulo completo successivo.

Ad esempio, supponiamo che il requisito corretto della batteria dopo le relative modifiche tecniche sia 7,0 kWh, mentre ciascuna batteria approvata fornisce 5,12 kWh di energia nominale:

7,0 kWh ÷ 5,12 kWh = 1,37

Non è possibile installare moduli batteria da 1,37, quindi il calcolo dell'energia richiede almeno:

2 moduli batteria

Ciò non rende automaticamente due moduli la configurazione finale. È ancora necessario verificare la compatibilità di tensione, corrente, BMS, ricarica, comunicazione e UPS.

Esempi di dimensionamento delle batterie dei rack per server per i carichi UPS comuni

Gli esempi seguenti illustrano il calcolo energetico iniziale prima dell'applicazione delle perdite dell'UPS, dei limiti di capacità utilizzabile, della riserva di invecchiamento o della ridondanza specifica del progetto.

Per coerenza, usano a Batteria da 51,2 V 100 Ah con 5,12 kWh di energia nominale come modulo di riferimento.

Carico 1 kW per 30 minuti

Un carico da 1 kW in funzione per 30 minuti richiede:

1 kW × 0,5 ore = 0,5 kWh

Il fabbisogno teorico di energia del carico è quindi di 0,5 kWh.

Dal punto di vista della sola energia, una batteria per server rack da 5,12 kWh contiene più energia immagazzinata nominale rispetto a questo requisito.

Il passo successivo non è semplicemente ordinare una batteria. Il modulo proposto deve essere comunque controllato rispetto all'intervallo di tensione della batteria dell'UPS, alla corrente di scarica consentita, all'energia utilizzabile e all'autonomia richiesta sotto il carico effettivo.

Questo esempio illustra anche perché la pianificazione della batteria dovrebbe iniziare con i watt e l'autonomia invece di indovinare la quantità di moduli.

Carico di 2 kW per un'ora

Per un carico critico da 2 kW che deve rimanere online per un'ora:

2 kW × 1 ora = 2 kWh

Il fabbisogno energetico di carico iniziale è di 2 kWh.

Il minimo energetico rimane un modulo da 5,12 kWh. Dopo aver incorporato le perdite dell'UPS e i limiti operativi applicabili della batteria, è possibile verificare la capacità richiesta rispetto all'uscita utilizzabile della configurazione della batteria selezionata.

Questo sì non significa che ogni UPS da 2 kW richiede una batteria per server rack. Ciò significa che un carico da 2 kW in funzione per un’ora richiede 2 kWh al carico, offrendo agli ingegneri un chiaro punto di partenza per valutare l’effettiva combinazione batteria-UPS.

Carico di 3 kW per due ore

Un carico da 3 kW in funzione per due ore richiede:

3 kW × 2 ore = 6 kWh

Una batteria da 5,12 kWh non contiene energia nominale sufficiente per soddisfare un fabbisogno energetico di carico di 6 kWh.

Il minimo teorico è:

6 kWh ÷ 5,12 kWh = 1,17 moduli

Arrotondare:

Quantità minima energetica: 2 moduli

La quantità corretta del progetto può cambiare dopo aver incorporato efficienza, limiti di energia utilizzabile, requisiti di riserva e ridondanza.

A questo livello di carico, anche la capacità di corrente di scarica diventa un importante criterio di dimensionamento della batteria del server rack.

Esempio di modulo MANLY 51,2 V 100 Ah

La batteria MANLY offre configurazioni LiFePO4 montate su rack da 51,2 V 100 Ah per applicazioni di backup stazionarie di classe 48 V.

L'energia nominale immagazzinata deriva direttamente dalla tensione e dalla capacità:

51,2 V × 100 Ah = 5.120 Wh

O:

5,12 kWh

La gamma di accumulo di energia orientata a rack di MANLY Battery include una configurazione MF48100 da 51,2 V 100 Ah, mentre la configurazione montata su rack MLP48100 utilizza anche una potenza nominale di 51,2 V, 100 Ah e una base di energia nominale di 5,12 kWh.

Per gli integratori di sistemi, ciò fornisce un chiaro valore a livello di modulo per i calcoli preliminari della capacità.

In qualità di produttore di batterie, MANLY Battery può anche supportare la configurazione della batteria specifica per il progetto. Per l'integrazione dell'UPS, tuttavia, la configurazione della batteria selezionata deve corrispondere all'intervallo operativo DC dell'UPS, ai parametri di ricarica, ai requisiti di corrente, all'architettura BMS, ai requisiti di comunicazione e alla progettazione della protezione del sistema.

Ad esempio, utilizzando 5,12 kWh come energia nominale del modulo:

Carico dell'UPS	Durata	Carica energia	Minimo solo energetico
1 kW	30 minuti	0,5 kWh	1 modulo
2kW	1 ora	2,0 kWh	1 modulo
3kW	2 ore	6,0 kWh	2 moduli

Si tratta di conteggi energetici preliminari, non di configurazioni UPS finali.

Perché il conteggio finale della batteria può cambiare

L'aritmetica fornisce una quantità iniziale. Il banco di batterie per server rack installato potrebbe richiedere un numero diverso di moduli una volta inclusi i limiti elettrici, le condizioni ambientali, la futura crescita del carico e i requisiti di resilienza.

Efficienza dell'UPS e tensione CC

Innanzitutto vengono effettuati due controlli: efficienza di conversione e compatibilità di tensione.

Le perdite di conversione dell'UPS aumentano l'energia prelevata dalla batteria rispetto all'energia fornita all'apparecchiatura protetta.

La tensione è altrettanto importante. Un UPS funziona su un intervallo di tensione della batteria esterna definito. Una descrizione nominale di “classe 48 V” da sola non stabilisce la compatibilità elettrica tra un UPS e una batteria.

Controllo:

• Voltaggio massimo della batteria
• Tensione CC nominale
• Tensione operativa minima
• Interruzione di bassa tensione dell'UPS
• Tensione di carica
• Configurazione in serie o parallelo consentita

La finestra di tensione operativa della batteria deve rimanere entro l'intervallo approvato per l'UPS durante tutto il ciclo di scarica.

Invecchiamento e temperatura della batteria

La capacità della batteria non è un valore di durata fisso.

L'autonomia disponibile può essere influenzata dalla temperatura operativa, dall'età della batteria, dallo stato di carica, dalla velocità di scarica e dallo storico della manutenzione. Server Room Environments identifica inoltre le condizioni della batteria e l'ambiente operativo come fattori che influenzano l'autonomia dell'UPS disponibile.

Invece di applicare una percentuale di invecchiamento universale arbitraria, utilizzare i dati prestazionali applicabili del produttore della batteria e la riserva di capacità richiesta dal progetto.

Per le infrastrutture critiche, i test periodici sull'autonomia o sulla capacità possono anche stabilire se il banco di batterie per server rack continua a soddisfare i requisiti di backup previsti con l'invecchiamento del sistema.

Limiti di corrente BMS

La capacità energetica è solo la metà del dimensionamento della batteria dell’UPS. La batteria deve anche fornire energia e corrente sufficienti.

Un utile calcolo DC del primo ordine è:

Corrente della batteria ≈ Potenza del carico ÷ Tensione della batteria

Ad esempio, ignorando le perdite di conversione per il calcolo iniziale:

3.000 W ÷ 51,2 V ≈ 58,6 A

La corrente effettiva della batteria cambierà in base alla tensione della batteria e alle condizioni operative dell'UPS.

La batteria del server rack selezionata deve rimanere entro la corrente di scarica continua approvata di celle, BMS, connettori, dispositivi di protezione e interconnessioni della batteria.

Ad esempio, la specifica MLP48100A da 51,2 V 100 Ah della batteria MANLY identifica una corrente di scarica continua massima di 100 A.

Questo è il motivo per cui due batterie con la stessa potenza kWh non dovrebbero essere automaticamente trattate come equivalenti per un dato UPS. Anche la corrente di scarica richiesta deve rientrare nel campo operativo approvato.

Capacità N+1 e crescita del carico

Potrebbe anche essere necessario dimensionare la batteria per tener conto della resilienza e dell’espansione futura.

Se il progetto di continuità dell’impianto richiede una ridondanza N+1, la riserva richiesta dovrebbe essere incorporata prima che venga approvata la quantità finale del modulo. L'architettura esatta dipende da come viene implementata la ridondanza nell'UPS, nelle stringhe di batterie, nei percorsi di alimentazione e nell'infrastruttura associata.

Anche il carico futuro conta.

Server aggiuntivi, dispositivi di archiviazione, apparecchiature di rete o hardware a densità più elevata possono aumentare il carico in watt protetto per tutta la durata dell'installazione. Schneider Electric consiglia di mantenere un margine di capacità dell'UPS e di considerare la crescita futura delle apparecchiature durante il dimensionamento del sistema.

Un piano di crescita realistico è più utile che aggiungere una quantità arbitraria di capacità della batteria senza riferimento ai cambiamenti previsti delle apparecchiature.

Come convalidare il banco batterie prima dell'installazione

Il calcolo della batteria del server rack viene completato solo dopo che la banca proposta funziona dal punto di vista elettrico, meccanico e operativo con l'UPS. Considera la convalida della batteria del server rack come parte del processo di dimensionamento, non come un ripensamento separato.

Verificare la compatibilità della tensione dell'UPS

Confrontare l'intervallo di tensione operativa completo della batteria con le specifiche della batteria esterna dell'UPS.

Confermare:

• Voltaggio nominale della batteria
• Tensione di carica massima
• Tensione operativa minima
• Interruzione di bassa tensione dell'UPS
• Impostazioni del caricabatterie
• Architettura in serie o parallela
• Comunicazione batteria richiesta

Non dare per scontato che due prodotti siano elettricamente compatibili semplicemente perché entrambi sono descritti come sistemi “48V”.

Gli intervalli operativi completi devono corrispondere.

Verificare la corrente di scarica continua

Calcolare la corrente CC prevista al carico massimo protetto e confrontarla con i valori consentiti di:

• Batteria
• BMS
• Connettori
• Cavi di interconnessione
• Sbarre
• Dispositivi di protezione

Dovrebbero essere verificati anche i requisiti transitori specificati dal produttore dell'UPS.

Un banco di batterie può contenere kWh sufficienti per l'autonomia desiderata pur richiedendo ulteriori verifiche tecniche se la richiesta di corrente dell'inverter non rientra nei limiti operativi approvati della batteria.

Confermare lo spazio nel rack e il cablaggio

La quantità della batteria ha anche una conseguenza fisica.

Verificare che lo spazio nell'armadio sia sufficiente per:

• Moduli batteria
• Hardware di interconnessione
• Dispositivi di protezione
• Instradamento dei cavi
• Ventilazione
• Accesso al servizio

La lunghezza del cavo, le dimensioni dei conduttori, i requisiti di terminazione e i dispositivi di protezione devono seguire i requisiti approvati di installazione dell'UPS e della batteria.

Per un banco di batterie per server rack multimodulo, utilizzare l'architettura di interconnessione specificata dal produttore della batteria in modo che le attuali procedure di distribuzione, protezione e assistenza rimangano prevedibili.

Prova il runtime sotto carico reale

Il tempo di esecuzione calcolato deve essere verificato dopo l'installazione.

Un test di funzionamento controllato con un carico rappresentativo fornisce una prova diretta del comportamento dell'intero sistema UPS e batteria. Allo stesso modo Server Room Environments consiglia di simulare un'interruzione di corrente e di misurare il tempo di funzionamento effettivo come verifica pratica di un'installazione.

Registrare le condizioni chiave del test, tra cui:

• Stato di carica iniziale
• Carico watt protetto
• Temperatura della batteria
• Durata
• Voltaggio della batteria più basso osservato
• Allarmi UPS o BMS
• Punto di arresto

Questi registri forniscono un'utile base di riferimento per la messa in servizio per futuri controlli di manutenzione e capacità.

Pianifica il tempo di ricarica dopo le interruzioni

La pianificazione dell'autonomia non dovrebbe interrompersi quando la batteria raggiunge il punto di scarica.

Dopo un'interruzione, il sistema deve ripristinare l'energia utilizzata. Un banco di batterie per server rack più grande pone quindi maggiori esigenze sul sistema di ricarica.

Verificare l'UPS:

• Uscita del caricatore
• Capacità della batteria esterna supportata
• Tensione di carica
• Ricarica il profilo
• Specifica del tempo di ricarica
• Requisiti di comunicazione della batteria al litio, ove applicabile

L'autonomia prolungata della batteria e la capacità di ricarica della batteria devono essere considerate insieme. Allo stesso modo, il materiale di riferimento sulla progettazione degli UPS con autonomia estesa sottolinea che banchi di batterie più lunghi richiedono un'adeguata capacità di ricarica dopo la scarica.

Per l’approvvigionamento e la progettazione del sistema, il processo può essere ridotto a una sequenza pratica:

1. Misurare il carico critico effettivo in watt.
2. Definire il tempo di funzionamento dell'UPS richiesto.
3. Calcolare i wattora richiesti dal carico.
4. Correggere per i limiti operativi approvati dell'UPS e della batteria.
5. Dividere per l'energia utilizzabile disponibile da ciascun modulo batteria.
6. Arrotondare la quantità di batterie del server rack.
7. Verifica tensione, corrente, BMS, ricarica, integrazione nel rack e autonomia.

Questo processo trasforma una stima approssimativa della capacità della batteria in un banco di batterie per server rack dimensionato in base al carico effettivo dell'UPS piuttosto che a una relazione presunta tra VA, Ah e autonomia.

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