Để đảm bảo UPS luôn vận hành tốt, ngoài việc sử dụng UPS có chất lượng cao, lắp đặt và vận hành chính xác thì dùng pin đúng cách cũng là một yếu tố rất quan trọng.
Hệ thống UPS ngày càng giữ vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhất là trong các trung tâm dữ liệu (TTDL). Để đảm bảo hệ thống luôn hoạt động tốt, ngoài việc lựa chọn UPS chất lượng cao, lắp đặt và vận hành hiệu quả, thì dùng pin đúng cách cũng là yếu tố quan trọng.
Các loại pin khác nhau sẽ có tuổi thọ và hiệu suất khác nhau. Pin chì axit có tuổi thọ từ 5 – 10 năm, nhưng thực tế, pin sẽ phải thay thế sau 2 – 5 năm vì tuổi thọ giảm do những tác động có hại trong quá trình hoạt động.
Bài viết này giới thiệu khái quát về các loại pin thông dụng hiện nay, những tác động ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin và cách bảo vệ pin để tránh các sự cố đáng tiếc cho TTDL.
Lựa chọn pin cho hệ thống UPS
Trong thập kỷ qua, các loại pin sử dụng cho UPS không thay đổi nhiều. Pin chì axit ướt (flooded lead acid) và pin chì axit khô (valve regulated lead acid) là hai loại phổ biến nhất. Ngoài ra, pin Ni-Cd (Nickel-Cadmium) cũng được sử dụng trong những dòng UPS cao cấp để đảm bảo độ tin cậy cao cho những ứng dụng quan trọng.
Pin chì axit khô được dùng phổ biến nhất trong hệ thống UPS hiện nay nhờ ưu điểm nhỏ gọn và an toàn hơn pin chì axit ướt. Tuy nhiên, pin chì axit khô có thời gian sạc pin lâu hơn và tuổi thọ ngắn, sau 3 – 5 năm đã phải thay pin, trong khi pin chì axit ướt có thể đạt tuổi thọ đến 25 năm nếu được bảo trì tốt.
Pin chì axit ướt vẫn được sử dụng nhiều trong các TTDL lớn nhờ khả năng hoạt động ổn định trong thời gian dài. Tuy nhiên, nhược điểm của loại pin này là chiếm thể tích lớn, cần giám sát và bảo trì thường xuyên, lưu ý đảm bảo an toàn khi vận hành.
Pin Ni-Cd có nhiều ưu điểm: Tuổi thọ cao, chịu được dòng điện phóng nạp cao, vận hành ít sinh nhiệt… phù hợp để sử dụng cho các ứng dụng quan trọng, nơi yêu cầu vận hành thiết bị liên tục là ưu tiên hàng đầu. Dù vậy, pin Ni-Cd có giá thành cao hơn nhiều các loại pin khác, và vấn đề tái chế sau khi dùng cũng khiến pin Ni-Cd không được sử dụng rộng rãi trên thị trường.
Yếu tố chính tác động đến tuổi thọ pin trong hệ thống UPS
Tuổi thọ pin sẽ giảm dần theo thời gian, tuy nhiên nếu sử dụng không đúng cách, quá trình này càng diễn ra nhanh hơn. Những yếu tố chính khiến pin giảm tuổi thọ:
Pin phóng nạp nhiều lần
Khi điện lưới không ổn định (sụt áp tức thời) hoặc công suất thiết bị tăng đột ngột, điện áp trên DC bus (nguồn DC đầu vào cho bộ inverter) sẽ giảm, khiến pin phóng điện. Dù chỉ trong thời gian ngắn, hiện tượng này cũng được xem là một chu kỳ phóng nạp của pin. Khi pin phóng điện, điện cực dương (PbO2) và điện cực âm (Pb) chuyển hóa thành PbSO4. Sau khi pin được nạp lại điện, hai điện cực sẽ tự động chuyển hóa về hợp chất như ban đầu. Trên phương diện hóa học, các điện cực của pin được bảo toàn, nhưng cấu trúc điện cực sẽ thay đổi dần sau mỗi lần phóng nạp, làm giảm tuổi thọ của pin.
Nhiệt độ pin cao
Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ pin. Pin vận hành tốt nhất và đạt tuổi thọ cao ở nhiệt độ 25 oC. Khi nhiệt độ tăng cao, tốc độ ăn mòn trên điện cực dương của pin cũng tăng nhanh theo cấp số nhân. Thực nghiệm cho thấy, nếu nhiệt độ tăng thêm khoảng 15 oF (tương đương 8,3 oC), tuổi thọ của pin có thể giảm đến 50%.
Hiện tượng xả sâu và nạp quá giới hạn pin do sử dụng UPS không có bộ điều khiển.
Hiện tượng xả sâu có thể gây hư hỏng hoàn toàn hoặc giảm đáng kể tuổi thọ pin. Thông thường, điện áp an toàn cho pin khi phóng điện sẽ cao hơn 10,5V.
Hiện tượng nạp quá giới hạn pin thường xảy ra khi sử dụng bộ sạc không có điều khiển. Pin đã nạp đầy nhưng bộ sạc vẫn cung cấp điện áp và dòng điện ở mức cao, làm điện phân dung dịch nước. Quá trình này không chỉ làm giảm tuổi thọ pin mà còn đe dọa đến an toàn hệ thống TTDL khi sinh ra H2, đây là khí gây cháy.
Kéo dài tuổi thọ pin
Sử dụng UPS có khoảng điện áp và tần số ngõ vào lớn: Điều này đồng nghĩa năng lượng cung cấp cho thiết bị được duy trì ổn định hơn, giúp pin giảm áp lực phải phóng điện nhiều lần để bù công suất cung cấp cho thiết bị.
Sử dụng bộ sạc thông minh: Ngoài việc đảm bảo pin được sạc đầy và nhanh, sử dụng bộ sạc thông minh còn giúp bảo vệ pin trước những tác động của nhiệt độ, thao tác sai và tránh hiện tượng phóng điện liên tục. Điển hình như công nghệ FBM (Flexible Battery Management) với thiết kế tiên tiến, sử dụng linh kiện SCR (Silicon Controlled Rectifier) giúp bảo vệ pin khỏi gợn sóng điện áp trên DC bus do tải tăng giảm liên tục khi vận hành. Tính năng điều khiển điện áp sạc theo nhiệt độ sẽ kéo dài tuổi thọ pin so với các phương pháp thông thường.
Đảm bảo làm mát và bảo trì định kỳ: Hệ thống pin cần được bảo quản trong môi trường khô ráo, nhiệt độ tốt nhất là 25 oC. Với pin chì axit ướt và pin Ni-Cd, ta cần bảo trì lượng nước theo định kỳ để tránh điện cực pin bị kết tủa.
phòng Tránh sự cố do hư hỏng pin
Dù đã bảo vệ đầy đủ và đúng cách, pin vẫn có xác suất hư hỏng do lỗi khi sản xuất. Điều này có thể gây sự cố nghiêm trọng cho TTDL nếu hệ thống UPS chỉ sử dụng một chuỗi pin duy nhất. Phân tích trạng thái hư hỏng của pin sẽ giúp ta hiểu rõ vấn đề này.
Pin có hai trạng thái hư hỏng:
• Ngắn mạch: Điện áp của chuỗi pin bị giảm nhưng vẫn cung cấp được năng lượng, không gây mất điện ngay lập tức cho thiết bị.
• Hở mạch: Pin chì axit khô bị hư hỏng thường ở trạng thái hở mạch, khi đó, chuỗi pin sẽ có điện áp bằng 0. Khi gặp sự cố mất điện, những thiết bị quan trọng sẽ không được bảo vệ.
Do không thể biết trước pin sẽ hư hỏng ở trạng thái nào, nên chỉ sử dụng một chuỗi pin cho hệ thống UPS cũng giống như đang đánh cược vào sự may rủi. Người dùng nên sử dụng thêm một chuỗi pin dự phòng để đấu nối song song, tuy tốn kém hơn nhưng giúp giảm dòng phóng điện và nhờ đó kéo dài tuổi thọ pin, tăng thời gian lưu điện và giảm rủi ro cho hệ thống UPS khi sự cố hở mạch xảy ra.
