Quantas baterias de rack de servidor você precisa para backup do UPS?

UM Bateria de rack de servidor O plano começa com três entradas: a carga real do UPS em watts, o tempo de backup necessário e a energia utilizável que cada módulo de bateria pode fornecer através do UPS. Um processo prático de dimensionamento começa com a energia da carga em watts-hora, ajusta esse número para perdas do UPS e capacidade útil da bateria e, em seguida, divide o resultado pela energia disponível de uma bateria de rack de servidor.

Para uma estimativa de primeira passagem:

Energia de carga necessária (Wh) = carga do UPS (W) × tempo de backup (horas)

Em seguida, leve em consideração as perdas de conversão e a capacidade utilizável permitida da bateria:

Energia nominal necessária da bateria = energia de carga necessária ÷ eficiência do modo de bateria do UPS ÷ fração utilizável da bateria

Finalmente:

Quantidade de bateria = energia nominal necessária da bateria ÷ energia nominal por módulo de bateria

Sempre arredonde a quantidade de bateria para o próximo módulo inteiro.

Este cálculo é apenas o ponto de partida. O dimensionamento final também deve confirmar a faixa de tensão CC do UPS, a corrente de descarga da bateria, os limites do BMS, a capacidade do carregador, o espaço no rack e os dados de tempo de execução para a configuração real do UPS.

Comece com carga do UPS e tempo de backup necessário

Antes de dimensionar um banco de baterias para rack de servidor, defina o que o UPS deve suportar e por quanto tempo. A Schneider Electric recomenda adicionar a potência do equipamento a ser protegido e selecionar um UPS com altura livre acima da carga conectada. Ele também observa que o tempo de execução diminui à medida que mais equipamentos são conectados.

Meça a carga real do UPS

Use energia medida ou monitorada sempre que possível. As placas de identificação do servidor e as classificações da fonte de alimentação geralmente indicam capacidade máxima em vez de demanda operacional contínua. A Schneider Electric também observa que as classificações da placa de identificação do equipamento podem ser superiores ao consumo real de energia.

Para um rack de servidor, meça a carga combinada dos servidores, armazenamento, switches, roteadores, firewalls e outros equipamentos que devem permanecer online durante uma interrupção. Uma PDU de rack medida, uma interface de gerenciamento de UPS ou uma auditoria de energia no local podem fornecer um valor de projeto mais útil do que simplesmente adicionar classificações máximas na placa de identificação.

O resultado deve ser um valor realista de watts para a carga protegida. Esse número se torna a base para o dimensionamento da bateria do rack do servidor. Um banco de baterias para rack de servidor dimensionado a partir da carga medida é mais útil do que aquele baseado apenas nos valores máximos da placa de identificação.

Use Watts, não VA sozinho

VA e watts respondem a perguntas diferentes.

VA, ou volt-amperes, representa a potência aparente e ajuda a determinar se um UPS pode suportar o equipamento conectado. Watts representam a potência real que o equipamento consome e são a entrada mais direta no cálculo da energia ao longo do tempo.

Eaton define o relacionamento como:

Watts = VA × Fator de potência

Também observa que muitas cargas de TI mais recentes, incluindo servidores, têm um fator de potência de 0,9 ou superior. A Schneider Electric recomenda manter a margem de capacidade em vez de dimensionar o UPS exatamente de acordo com a carga conectada.

Para a quantidade de bateria, portanto, não use um “UPS de 3.000 VA” e presuma que o rack consome continuamente 3.000 watts. Determine primeiro a carga real de watts e depois calcule quanta energia esses watts requerem durante o período de backup necessário.

Definir o tempo de execução de backup necessário

O tempo de execução deve refletir o trabalho que o UPS deve realizar.

Algumas instalações só precisam de tempo de bateria suficiente para passar por uma breve interrupção ou concluir um desligamento ordenado do servidor. Outros precisam preencher o intervalo entre a falha da rede elétrica e a inicialização do gerador. Um site sem geração de espera pode exigir uma janela de bateria mais longa.

A Schneider Electric define o tempo de funcionamento do UPS como o período durante o qual o UPS pode suportar a sua carga ligada a partir da energia da bateria e enfatiza que a duração necessária depende das necessidades operacionais e da criticidade do equipamento protegido.

Escreva o requisito como um valor específico, como:

• 15 minutos
• 30 minutos
• 1 hora
• 2 horas

O mesmo banco de baterias de rack de servidor fornecerá tempos de execução diferentes conforme a carga de watts suportada muda.

Converta minutos em horas antes de calcular a energia. Por exemplo:

30 minutos = 0,5 hora

Cargas críticas e não críticas separadas

Uma carga protegida maior aumenta diretamente a capacidade necessária da bateria do rack do servidor. Se apenas os equipamentos selecionados precisarem de energia contínua, separe esses sistemas críticos dos equipamentos que podem desligar durante uma interrupção.

A Schneider Electric recomenda especificamente reservar energia de reserva para equipamentos essenciais porque cada carga adicional ligada reduz o tempo de funcionamento disponível.

Para uma rede ou rack de servidor, a carga protegida pode incluir:

• Servidores principais
• Sistemas de armazenamento
• Comutadores de rede
• Roteadores
• Firewalls
• Equipamentos essenciais de comunicação

A lista final deve refletir o plano real de continuidade e desligamento da organização, e não todos os dispositivos instalados fisicamente no rack.

Como calcular a capacidade da bateria do rack do servidor

Depois que a carga crítica e o tempo de backup necessário forem conhecidos, converta esses requisitos em energia. É aqui que o cálculo da bateria do rack do servidor se torna mais útil do que comparar apenas as classificações de Ah.

Converta o tempo de execução em watts-hora

Comece com a energia exigida pela carga:

Energia de carga (Wh) = Carga (W) × Tempo de execução (h)

Por exemplo:

Carga Protegida	Tempo de execução necessário	Carregar energia
1.000W	30 minutos	500Wh
2.000W	1 hora	2.000Wh
3.000W	2 horas	6.000Wh

Os cálculos são simples:

1.000 W × 0,5 h = 500 Wh

2.000 W × 1h = 2.000 Wh

3.000 W × 2h = 6.000 Wh

Esses números descrevem a energia que deve atingir o equipamento protegido. Ainda não são a capacidade nominal final do banco de baterias.

Ajuste para eficiência do UPS

Um UPS consome alguma energia enquanto converte a energia CC da bateria em energia CA regulada. A bateria, portanto, tem que fornecer mais energia do que o equipamento conectado recebe.

A Schneider Electric define a eficiência do UPS como a relação entre a potência de saída e a potência de entrada e observa que a eficiência varia com a carga operacional.

Para fins de dimensionamento:

Energia da bateria antes do ajuste da capacidade utilizável = energia de carga ÷ eficiência do modo de bateria do UPS

Não aplique uma porcentagem genérica de eficiência a cada UPS.

Para o projeto final, use a eficiência do modo bateria, o gráfico de tempo de execução ou os dados de configuração fornecidos para o no-break específico. Se o fabricante fornecer dados de tempo de execução para a configuração exata do no-break e da bateria externa, use-os para verificar a quantidade calculada de baterias do rack do servidor.

Considere a capacidade utilizável da bateria

A energia nominal da bateria e a energia utilizável da bateria não devem ser automaticamente tratadas como idênticas.

A quantidade utilizável pode depender de fatores como:

• Limites de descarga BMS
• Tensão mínima de entrada DC do UPS
• Profundidade de descarga aprovada
• Temperatura da bateria
• Corrente de descarga
• Reserva de capacidade necessária

O cálculo pode, portanto, ser expresso como:

Energia nominal necessária da bateria = energia de carga ÷ eficiência do UPS ÷ fração utilizável da bateria

Use os limites operacionais aprovados para a bateria e o UPS específicos em vez de aplicar uma porcentagem genérica a cada instalação de bateria de lítio.

Um fabricante de bateria deve ser capaz de fornecer os limites elétricos e as informações de descarga necessárias para determinar o desempenho de uma bateria de rack de servidor na corrente pretendida e na duração de backup.

Use a fórmula de contagem de bateria

Uma vez conhecida a energia nominal necessária, divida-a pela energia nominal de um módulo de bateria para rack de servidor:

Número de baterias = energia nominal necessária da bateria ÷ energia por bateria

Em seguida, arredonde a resposta para o próximo módulo completo.

Por exemplo, suponha que o requisito corrigido da bateria após os ajustes de engenharia relevantes seja de 7,0 kWh, enquanto cada bateria aprovada fornece 5,12 kWh de energia nominal:

7,0 kWh ÷ 5,12 kWh = 1,37

Você não pode instalar módulos de bateria 1.37, então o cálculo de energia requer pelo menos:

2 módulos de bateria

Isso não torna automaticamente dois módulos a configuração final. Tensão, corrente, BMS, carregamento, comunicação e compatibilidade do UPS ainda precisam ser verificados.

Exemplos de dimensionamento de bateria de rack de servidor para cargas UPS comuns

Os exemplos abaixo ilustram o cálculo inicial de energia antes da aplicação de perdas no UPS, limites de capacidade utilizável, reserva de envelhecimento ou redundância específica do projeto.

Para consistência, eles usam um Bateria 51,2V 100Ah com 5,12 kWh de energia nominal como módulo de referência.

Carga de 1 kW por 30 minutos

Uma carga de 1 kW operando durante 30 minutos requer:

1 kW × 0,5 hora = 0,5 kWh

O requisito teórico de energia de carga é, portanto, de 0,5 kWh.

Do ponto de vista apenas de energia, uma bateria de rack de servidor de 5,12 kWh contém mais energia nominal armazenada do que este requisito.

O próximo passo não é simplesmente encomendar uma bateria. O módulo proposto ainda deve ser verificado em relação à faixa de tensão da bateria do UPS, à corrente de descarga permitida, à energia utilizável e ao tempo de execução necessário sob a carga real.

Este exemplo também ilustra por que o planejamento da bateria deve começar com watts e tempo de execução em vez de adivinhar a quantidade de módulos.

Carga de 2 kW por uma hora

Para uma carga crítica de 2 kW que deve permanecer on-line durante uma hora:

2 kW × 1 hora = 2 kWh

O requisito inicial de energia de carga é de 2 kWh.

O mínimo apenas de energia continua sendo um módulo de 5,12 kWh. Depois que as perdas do UPS e os limites operacionais aplicáveis ​​da bateria forem incorporados, a capacidade necessária poderá então ser verificada em relação à saída utilizável da configuração de bateria selecionada.

Isso faz não significa que cada UPS de 2 kW requer uma bateria de rack de servidor. Isso significa que uma carga de 2 kW funcionando durante uma hora requer 2 kWh na carga, dando aos engenheiros um ponto de partida claro para avaliar a combinação real de bateria e UPS.

Carga de 3 kW por duas horas

Uma carga de 3 kW operando durante duas horas requer:

3 kW × 2 horas = 6 kWh

Uma bateria de 5,12 kWh não contém energia nominal suficiente para atender a um requisito de energia de carga de 6 kWh.

O mínimo teórico é:

6 kWh ÷ 5,12 kWh = 1,17 módulos

Resumindo:

Quantidade mínima baseada em energia: 2 módulos

A quantidade corrigida do projeto pode mudar após a incorporação da eficiência, dos limites de energia utilizável, dos requisitos de reserva e da redundância.

Nesse nível de carga, a capacidade de corrente de descarga também se torna um importante critério de dimensionamento da bateria do rack do servidor.

Exemplo de módulo MANLY 51,2V 100Ah

A bateria MANLY oferece configurações LiFePO4 montadas em rack de 51,2 V 100 Ah para aplicações de backup estacionárias de classe de 48 V.

A energia nominal armazenada segue diretamente da tensão e da capacidade:

51,2V × 100Ah = 5.120Wh

ou:

5,12 kWh

A faixa de armazenamento de energia orientada para rack da bateria MANLY inclui uma configuração MF48100 de 51,2 V 100 Ah, enquanto sua configuração montada em rack MLP48100 também usa uma classificação de 51,2 V, 100 Ah e 5,12 kWh de energia nominal.

Para integradores de sistemas, isso fornece um valor claro em nível de módulo para cálculos preliminares de capacidade.

Como fabricante de baterias, a MANLY Battery também pode oferecer suporte a configurações de baterias específicas do projeto. Para a integração do UPS, entretanto, a configuração de bateria selecionada deve corresponder à faixa operacional CC do UPS, aos parâmetros de carga, aos requisitos de corrente, à arquitetura do BMS, aos requisitos de comunicação e ao projeto de proteção do sistema.

Por exemplo, usando 5,12 kWh como energia nominal do módulo:

Carga UPS	Tempo de execução	Carregar energia	Mínimo apenas de energia
1 kW	30 minutos	0,5 kWh	1 módulo
2 kW	1 hora	2,0 kWh	1 módulo
3 kW	2 horas	6,0 kWh	2 módulos

Estas são contagens preliminares de energia e não configurações finais do UPS.

Por que a contagem final da bateria pode mudar

A aritmética fornece uma quantidade inicial. O banco de baterias do rack de servidor instalado pode exigir um número diferente de módulos, uma vez que os limites elétricos, as condições ambientais, o crescimento futuro da carga e os requisitos de resiliência sejam incluídos.

Eficiência do UPS e tensão CC

Duas verificações vêm primeiro: eficiência de conversão e compatibilidade de tensão.

As perdas de conversão do UPS aumentam a energia retirada da bateria em relação à energia fornecida ao equipamento protegido.

A tensão é igualmente importante. Um no-break opera em uma faixa definida de tensão de bateria externa. Uma descrição nominal de “classe 48 V” por si só não estabelece compatibilidade elétrica entre um UPS e uma bateria.

Verificar:

• Tensão máxima da bateria
• Tensão CC nominal
• Tensão operacional mínima
• Corte de baixa tensão do UPS
• Tensão de carregamento
• Configuração em série ou paralela permitida

A janela de tensão operacional da bateria deve permanecer dentro da faixa aprovada para o UPS durante todo o ciclo de descarga.

Envelhecimento e temperatura da bateria

A capacidade da bateria não é um valor fixo de vida útil.

O tempo de execução disponível pode ser influenciado pela temperatura operacional, idade da bateria, estado de carga, taxa de descarga e histórico de serviço. Ambientes de Sala de Servidores também identificam a condição da bateria e o ambiente operacional como fatores que influenciam o tempo de execução disponível do UPS.

Em vez de aplicar uma percentagem de envelhecimento universal arbitrária, utilize os dados de desempenho aplicáveis ​​do fabricante da bateria e a reserva de capacidade exigida pelo projeto.

Para infraestrutura crítica, testes periódicos de tempo de execução ou capacidade também podem estabelecer se o banco de baterias do rack do servidor continua a atender aos requisitos de backup pretendidos à medida que o sistema envelhece.

Limites de Corrente BMS

A capacidade de energia representa apenas metade do tamanho da bateria do UPS. A bateria também deve fornecer energia e corrente suficientes.

Um cálculo DC de primeira ordem útil é:

Corrente da bateria ≈ Potência de carga ÷ Tensão da bateria

Por exemplo, ignorando as perdas de conversão para o cálculo inicial:

3.000 W ÷ 51,2 V ≈ 58,6 A

A corrente real da bateria mudará de acordo com a tensão da bateria e as condições de operação do UPS.

A bateria do rack de servidor selecionada deve permanecer dentro da corrente de descarga contínua aprovada das células, BMS, conectores, dispositivos de proteção e interconexões da bateria.

Por exemplo, a especificação MLP48100A de 51,2 V 100 Ah da bateria MANLY identifica uma corrente máxima de descarga contínua de 100 A.

É por isso que duas baterias com a mesma classificação em kWh não devem ser automaticamente tratadas como equivalentes para um determinado UPS. A corrente de descarga necessária também deve estar dentro do envelope operacional aprovado.

Capacidade N+1 e crescimento de carga

O dimensionamento da bateria também pode precisar acomodar a resiliência e a expansão futura.

Se o projeto de continuidade da instalação exigir redundância N+1, a reserva necessária deverá ser incorporada antes da aprovação da quantidade final de módulos. A arquitetura exata depende de como a redundância é implementada no UPS, nas cadeias de baterias, nos caminhos de energia e na infraestrutura associada.

A carga futura também é importante.

Servidores adicionais, armazenamento, equipamentos de rede ou hardware de maior densidade podem aumentar a carga de watts protegidos ao longo da vida útil da instalação. A Schneider Electric recomenda manter a capacidade do UPS e considerar o crescimento futuro dos equipamentos durante o dimensionamento do sistema.

Um plano de crescimento realista é mais útil do que adicionar uma quantidade arbitrária de capacidade de bateria sem referência às mudanças esperadas no equipamento.

Como validar o banco de baterias antes da instalação

O cálculo da bateria do rack do servidor é concluído somente depois que o banco proposto funciona elétrica, mecanicamente e operacionalmente com o no-break. Trate a validação da bateria do rack do servidor como parte do processo de dimensionamento, e não como uma reflexão tardia separada.

Verifique a compatibilidade de tensão do UPS

Compare a faixa completa de tensão operacional da bateria com a especificação da bateria externa do UPS.

Confirmar:

• Tensão nominal da bateria
• Tensão máxima de carga
• Tensão operacional mínima
• Corte de baixa tensão do UPS
• Configurações do carregador
• Arquitetura em série ou paralela
• Comunicação de bateria necessária

Não presuma que dois produtos são eletricamente compatíveis simplesmente porque ambos são descritos como sistemas “48V”.

As faixas operacionais completas devem corresponder.

Verifique a corrente de descarga contínua

Calcule a corrente CC esperada na carga máxima protegida e compare-a com as classificações permitidas de:

• Bateria
• BMS
• Conectores
• Cabos de interconexão
• Barramentos
• Dispositivos de proteção

Os requisitos transitórios especificados pelo fabricante do UPS também devem ser verificados.

Um banco de baterias pode conter kWh suficiente para o tempo de execução desejado, embora ainda exija verificações adicionais de engenharia se a demanda de corrente do inversor estiver fora dos limites operacionais aprovados da bateria.

Confirme o espaço e o cabeamento do rack

A quantidade da bateria também tem uma consequência física.

Confirme espaço suficiente no gabinete para:

• Módulos de bateria
• Hardware de interconexão
• Dispositivos de proteção
• Roteamento de cabos
• Ventilação
• Acesso ao serviço

O comprimento do cabo, o dimensionamento do condutor, os requisitos de terminação e os dispositivos de proteção devem seguir os requisitos aprovados de instalação do UPS e da bateria.

Para um banco de baterias de rack de servidor com vários módulos, use a arquitetura de interconexão especificada pelo fabricante da bateria para que os procedimentos de distribuição, proteção e serviço de corrente permaneçam previsíveis.

Tempo de execução de teste sob carga real

O tempo de execução calculado deve ser verificado após a instalação.

Um teste de tempo de execução controlado sob uma carga representativa fornece evidências diretas de como o no-break completo e o sistema de bateria se comportam. A Server Room Environments também recomenda simular uma queda de energia e medir o tempo de execução real como verificação prática de uma instalação.

Registre as principais condições de teste, incluindo:

• Estado inicial de carga
• Carga de watts protegida
• Temperatura da bateria
• Tempo de execução
• Tensão de bateria mais baixa observada
• Alarmes UPS ou BMS
• Ponto de desligamento

Esses registros fornecem uma base de comissionamento útil para futuras verificações de manutenção e capacidade.

Planeje o tempo de recarga após interrupções

O planejamento do tempo de execução não deve parar quando a bateria atingir o ponto final de descarga.

Após uma interrupção, o sistema deve restaurar a energia que foi utilizada. Um banco de baterias maior para rack de servidor, portanto, exige mais do sistema de carregamento.

Verifique o no-break:

• Saída do carregador
• Capacidade de bateria externa suportada
• Tensão de carregamento
• Perfil de recarga
• Especificação do tempo de recarga
• Requisitos de comunicação da bateria de lítio, quando aplicável

O tempo de execução prolongado da bateria e a capacidade de recarga da bateria precisam ser considerados em conjunto. O material de referência sobre o design de UPS com autonomia prolongada também enfatiza que bancos de baterias mais longos requerem capacidade de carga adequada após a descarga.

Para aquisição e projeto de sistema, o processo pode ser reduzido a uma sequência prática:

1. Meça a carga crítica real em watts.
2. Defina o tempo de execução do UPS necessário.
3. Calcule watt-hora exigido pela carga.
4. Correto para os limites operacionais aprovados do UPS e da bateria.
5. Divida pela energia utilizável disponível em cada módulo de bateria.
6. Arredonde a quantidade de bateria do rack do servidor para cima.
7. Verifique tensão, corrente, BMS, carregamento, integração de rack e tempo de execução.

Esse processo transforma uma estimativa aproximada da capacidade da bateria em um banco de baterias de rack de servidor dimensionado de acordo com a carga real do UPS, em vez de uma relação presumida entre VA, Ah e tempo de execução.

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