利用存能系统优化数据中心可靠性和可持续性

能源对数据中心至关重要且成本高昂。引入电池储能系统 (BESS) 可通过支持使用可再生能源、确保能源持续供应以及降低运营成本，来提升数据中心的可靠性和可持续性。电池极柱连接器是能够让 BESS 充分发挥其最大效益的关键元件。

BESS 电池极柱连接器需要具备以下特性：机械强度高、具备 IP67 环境防护等级，以及能够安全可靠地连接，以应对高电流和高电压。它们还应易于安装和维护，配备极性保护功能以防止连接错误，并带有锁定机构以防止意外断开。它们还必须符合 UL 标准 4128 的要求。

本文首先回顾了推动数据中心能耗持续增长的因素，以及这些因素是如何改变不间断电源系统 (UPS) 设计的。随后，探讨了在数据中心中采用模块化 BESS 的可靠性和可持续性优势，并重点分析了电池极柱连接器的性能要求，同时聚焦 UL 4128 标准要求。文章最后通过实例展示了 Weidmüller 的电池极柱连接器和电缆组件是如何为主动能源管理提供支持并为数据中心 BESS 系统的成功实施和高性能运行提供有力保障的。

随着人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 的快速发展，云数据中心的机架密度不断增加，这导致了对电力需求的显著增长。数据中心能耗占总电力消耗的比例预计将在 2024 年至 2030 年间增长三倍，从 2024 年美国总电力需求的约 3% 至 4%，上升至 2030 年的 11% 至 12%（图 1）。

图 1：2024 年至 2030 年间，美国数据中心能耗占总电力消耗的比例预计将增长三倍（垂直轴所示）。（图片来源：Weidmüller）

演变中的电源架构

电力消耗的激增正在引发数据中心电源架构的重大变革，包括对 UPS 结构的重新设计，以满足对可靠电源供应的迫切需求，提升可持续性，并有效管控突发性能源成本。

以前 UPS 主要用在主电源供电中断时，在为数据中心供电的电机发电机组在启动过程中为数据中心提供短时间供电。现在一切都已改变。

UPS 正日益被视为减少或消除电机发电机产生温室气体的主要备用电源。这要求 UPS 设计必须更加严格。可扩展性和灵活性也已成为重要特性要求。

模块化设计能够让 BESS 通过扩展规模来支持更长的运行时间和其他功能，例如集成可再生能源资源。此外，传统的阀控式铅酸蓄电池 (VRLA) 正被锂离子电池所取代。新型电池技术具有更长的使用寿命、更快的充电速度和更高的能量密度——这些都是在能源需求不断增长的数据中心中备受青睐的特性。

采用锂离子电池储能系统的模块化 UPS 与 VRLA 解决方案相比，维护更加便捷，因为后者需要更频繁地更换电池。通过电池极柱连接器添加或移除模块，也是应对数据中心电源需求变化的一种经济高效的解决方案。

电池极柱连接器在模块化 BESS 中同样至关重要，对于确保系统安全性和效率具有重要作用。这些 BESS 设计可以是数据中心内部的传统电池架。然而，它们也可以与数据中心毗邻部署在集装箱化的解决方案中，从而释放数据中心内部的宝贵空间，用于服务器、存储器、通信设备及其他支持日益增长的处理能力和连接需求的关键电子设备（图 2）。

图2：模块化 BESS 系统可采用集装箱化的解决方案（如上图所示），或通过在数据中心内部安装电池组和电源转换器机架的方式构建。（图片来源：Weidmüller）

与可再生能源的集成

数据中心面临的不仅仅是消耗的电量越来越多，而且每千瓦时 (kWhr) 的电价也在上涨，这进一步加剧了成本和可持续性方面的挑战。为了解决这些问题，可再生能源如太阳能正被集成到数据中心中。同样，采用电池极柱连接器的模块化 BESS 设计能够提供所需要的灵活性。

数据中心不断增长的能源消耗也使得人们期待数据中心运营商能够成为环境的良好守护者。除了直接降低能源成本外，数据中心运营商还可以利用峰值削减、需求响应等工具来实现次要成本效益。

BESS 可提供有价值的电网服务，例如频率调节和电压支持，从而提升电网的韧性。在校园环境中，BESS 可以作为微电网的一部分，支持孤岛运行并独立于电网运行。

BESS 可以通过在用电低谷期储存可再生能源，并在用电高峰期释放这些储能，从而改变能源消费模式。这种方式不仅能降低电网的用电负荷，还能平滑用电成本，因为电力公司通常会在高峰时段收取更高的电价。

UL 4128 BESS 连接器

UL 标准 4128 规定了 BESS 中用于连接电池单元（单元间）和电池层（层间）的连接器配接件的具体要求。该标准适用于额定电压不超过 2,000 V 且不打算进行带载连接或断开操作的电缆、电缆连接器及配套插座。

它要求连接器必须完全插入并锁定后才能通电。即使连接器发生轻微位移，也可能导致接触面积减小、接触电阻增大，并形成热点，从而引发火灾。这种锁定功能对 BESS 安全至关重要。此外，电缆组件中连接器的拉伸载荷也不得超过规定的上限值。

这些连接器专为铜或铜合金导线设计，额定温度至少要到 +90°C。它们要专为工厂或现场组装而设计，适用于室内外环境，可进行 100 次以上的机械连接和断开操作（不带载）。

UL 4128 级连接器不适用于危险场所；因此，应在所有未使用的连接器上安装保护盖。最后，在高温环境下使用连接器时，可能需要提供起火警告。

电池极柱连接器

电池极柱连接器，尤其是符合 UL 4128 标准的连接器，专为在大功率 BESS 中提供优异性能和安全性而设计，相较于结构简单、成本较低的电缆接线端子组件，具有显著优势。

电缆接线片连接无法满足模块化 BESS 所需的灵活性。它们需要手动连接并拧紧每个螺栓上的螺母。这需要大量人力且容易出错。此外，如果螺母未拧紧到位，会导致连接电阻过高并产生热量，从而浪费能源，同时可能引发火灾隐患。

环境保护措施不足以及电缆接头连接的粗糙性可能导致长期工作中出现不可靠的情况。螺栓连接不具备触电安全保护，当存在高能量水平时，可能对安装人员造成严重安全隐患。

设计人员可以采用符合 UL 4128 标准的彩色编码电池极柱连接器，替代传统的电缆接头（图 3）。按照 UL 标准所定义（橙色表示正极，黑色表示负极），颜色编码用在电缆连接器和母线连接处，方便视觉识别并加快组装速度。

图 3：电池极柱连接器可实现快速高效的模块化 BESS 的连接，对保障安全和效率至关重要。（图片来源：Weidmüller）

除了采用颜色编码外，电池极柱连接器的两侧还通过机械键控设计确保正负极连接无误，从而在连接连接器时完全避免组装差错。使用 Weidmüller 的电池极柱连接器时，可让连接器以任意方向进行插接，从而最大限度地减少电缆组件中的机械应力。

锁定机构符合 UL 要求，即连接器在通电前必须完全插入并相互锁定。在连接器拔出之前，触头会先断开，从而避免出现意外带载断开时发生电弧放电危险。

触头采用铜合金材质并镀银，以最大限度降低接触电阻，并通过了 UL 4128 标准认证，可承受超过 100 次的机械连接与断开操作。

Weidmüller 电池连接器 (WBC) 专为应对严苛环境条件而设计，具有 IP67 防护等级，可有效防止灰尘和水气侵入。其安装侧采用了保护措施，因此触摸起来安全无虞。

UL 4128 未规定连接器主体的材料，仅规定其性能要求。WBC 采用聚酰胺 66 (PA 66) 制成，这是一种改性热塑性材料，非常适合用于电池极柱应用。PA 66 相较于普通 PA 的优势包括：防火性能更优且连续工作温度更高。PA 66 还符合铁路车辆使用的高标准要求。PA 66 的其他优点包括：

• 提高了耐火能力
• 不含卤素或磷
• 低烟低雾

WBC 系列产品支持 16 mm² 到 95 mm² 横截面积的导线，连接器侧额定电流可达 200 A。另外提供电缆组件，可显著减少 BESS 布线所需的人工（图 4）。Weidmüller 电池极柱连接器和电缆组件实例包括：

• 2905330000，公头负极连接器，120 A 额定电流，1500 V 额定电压
• 2905290000，母头负极连接器，120 A 额定电流，1500 V 额定电压
• 2905320000，公头正极连接器，200 A 额定电流，1500 V 额定电压
• 2905380000，母头正极连接器，200 A 额定电流，1500 V 额定电压
• 2938270000，长度为 324 mm（12.75 英寸）的电缆组件，120 A 额定电流，1500 V 额定电压

图4：公头和母头 WBC 以及电池极柱连接器电缆组件实例。（图片来源：Weidmüller）

结语

大型数据中心的电源架构正经历变革，这一趋势是由以下两个因素共同驱动的：满足 AI 和 ML 对计算与存储能力的日益增长的需求，需提升机架电源密度；以及为应对不断攀升的电力成本，必须优化电源管理方案。这些因素催生了基于模块化 BESS 的新型 UPS 设计，并利用电池极柱连接器实现了可扩展性和模块化。

除了确保可靠的电力供应外，模块化 BESS 设计还支持可再生能源（如太阳能）的集成，这有助于满足对更高环境友好性、可持续性和韧性的需求。支持这些需求的电池极柱连接器必须符合 UL 4128 标准，以便在存在潜在危险的高电池能量水平时确保安全、高效的连接。

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