使用儲能系統讓資料中心達到最佳化可靠性與永續性

能源是資料中心關鍵且成本高昂的要素。添加電池儲能系統 (BESS) 可支援再生能源、確保持續的能源供應並降低營運成本，因此能增進資料中心的可靠性與永續性。電池極柱連接器是促使 BESS 發揮最大效益的關鍵元件。

BESS 的電池極柱連接器需要具備強大的機械耐用性、IP67 環境等級以及安全可靠的連接，以應對大電流和高電壓。此外還要容易安裝和維護、具有極性保護以免連接錯誤，更要有閂鎖機制以免意外斷開連接。也必須符合 UL 4128 標準的要求。

本文將回顧推動資料中心能源消耗增長的因素，以及這些因素對不斷電系統 (UPS) 的設計有何改變。接著會考量在資料中心使用模組化 BESS 所帶來的可靠性與永續性優勢，並探討以 UL 4128 為重點的電池極柱連接器效能需求。最後會展示 Weidmüller 的電池極柱連接器和纜線組件如何支援主動式能源管理，以及如何促使資料中心 BESS 設備達到順利且高效能的實作。

人工智慧 (AI) 和機器學習 (ML) 的興起帶動了雲端資料中心的機架密度增加，因此電力需求也大幅提升。預計從 2024 至 2030 年，資料中心的能源消耗對整體電力消耗的佔比將達到三倍，從 2024 年占美國總電力總需求的 3 至 4％，上升至 2030 年的 11 至 12％ (圖 1)。

圖1：預計從 2024 至 2030 年，美國的資料中心能源消耗對整體電力消耗的佔比將達到三倍 (如縱軸所示)。(圖片來源：Weidmüller)

電源架構演進中

電力消耗的激增也導致資料中心電源架構出現重大變化，包括重新思考 UPS 的結構，以支援穩健的電力可用性需求、提升永續性並協助控管激增的能源成本。

在過去，UPS 的主要用途是在馬達發電機啟動期間提供短暫的電力，以便在主要的公用事業電力中斷時為資料中心供電。但情況已有所改變。

UPS 逐漸被視為主要的備用電源，以減少或消除馬達發電機所產生的溫室氣體排放。這對 UPS 的設計有更高的要求。可擴充性和靈活性已成為重要的特點。

模組化設計能讓 BESS 在尺寸上擴大，以便支援更長的運作時間及其他功能，例如整合再生能源資源。此外，傳統的閥控式鉛酸 (VRLA) 電池正逐步被鋰離子 (Li-ion) 電池所取代。新的電池技術擁有更長的壽命週期、更快的充電時間以及更高的能量密度，這對能源需求日漸增加的資料中心來說，都是極為珍貴的特性。

使用鋰離子架構 BESS 的模組化 UPS，相較於更需要頻繁更換電池的 VRLA 方案，在維護上也更容易。使用電池極柱連接器添加和移除模組，也是因應資料中心電力需求變化下符合成本效益的作法。

電池極柱連接器對於支援模組化 BESS 的安全性和效率也相當重要。這類 BESS 設計可以是資料中心內的傳統機架。儘管如此，仍可用容器化解決方案共同建構在資料中心旁，藉此釋放資料中心內寶貴的空間，以便容納伺服器、記憶體、通訊及其他關鍵電子配備，以支援日益增加的處理能力與連接需求 (圖 2)。

圖 2：模組化 BESS 設備能以容器化解決方案進行建構，如上所述，或利用資料中心內的電池與電源轉換器機架打造。(圖片來源：Weidmüller)

整合再生能源

資料中心不僅會消耗更多電力，且每千瓦時 (kWhr) 的電費成本也在上升，進一步加劇成本和永續性的挑戰。為了因應這些疑慮，像太陽能這類的再生能源正逐漸整合到資料中心中。採用電池極柱連接器的模組化 BESS 設計也同樣可提供必要的靈活性。

資料中心日益增長的能源消耗也讓人們期望資料中心營運商能夠成為良好的環境管理者。除了直接降低能源成本外，資料中心營運商還可利用消峰填谷、需量反應及其他工具來達到次要的成本優勢。

BESS 可以提供寶貴的電網服務，例如頻率調節和電壓支援，進而增強電網的韌性。在校園環境中，BESS 可以當作微電網的一部分，以支援孤島運轉並獨立於電網運作。

BESS 可以在需求較低時儲存再生能源，並在尖峰需求期間利用這些儲能，藉此改變能源消耗模式，進而減少對電網的需求並平衡成本，因為公用事業通常在尖峰時段收取較高費率。

BESS 連接器的 UL 4128 標準

UL 4128 標準針對 BESS 內用來連接電池電芯 (電芯間) 及電池層級 (層級間) 的連接器配接部分制訂要求。本標準所涵蓋的纜線、纜線連接器與配接輸入插孔，額定值最高達 2,000 V 且不適用於在負載下進行連接或斷開。

依照規定，連接器必須完全插入且聯鎖固定後才能通電。即使連接器有些微移動，也可能減少接觸面積、增加接觸電阻而產生熱點，有可能會導致起火。此鎖定功能對於 BESS 的安全非常重要。此外，纜線組件中的連接器，其所承受的拉力不得超過規定的上限。

這些連接器的設計需搭配銅或銅合金導線使用，且額定溫度至少達 +90°C。預計用於工廠或現場組裝，並可在室內或戶外使用，可承受超過 100 次的機械連接與斷開操作 (無負載)。

UL 4128 等級的連接器不適用於危險場所；因此，任何未使用的連接器應安裝防護蓋帽。最後，若在高環境溫度條件下使用連接器，可能需要張貼燙傷警告。

電池極柱連接器

相較於簡易且廉價的纜線接片接線組件，電池極柱連接器，特別是符合 UL 4128 要求的連接器，可在高功率 BESS 中提供更優異的效能與安全性。

纜線接片的連接無法提供模組化 BESS 所需的靈活性。其需要人工連接並轉緊每個接片的螺帽。這耗費太多勞力且容易出錯。此外，如果螺帽未正確鎖緊，會導致高阻抗連接，不僅會發熱、浪費能源，並造成潛在的火災危險。

若缺乏環境防護及纜線接片連接的堅固性，可能會導致長期運作不可靠。接片連接不具備防觸電安全性，若有高能量位準，可能會對安裝人員造成嚴重的安全危害。

與其使用纜線接片，設計人員可以改用符合 UL 4128 的顏色編碼電池極柱連接器 (圖 3)。顏色編碼，如 UL 標準規定 (正極為橙色，負極為黑色)，會用在纜線連接器與匯流排連接上，以便視覺識別並加快組裝速度。

圖 3：電池極柱連接器可在模組化 BESS 中達到迅速有效的連接，對於支援安全性與效率來說相當重要。(圖片來源：Weidmüller)

除了使用顏色編碼外，電池極柱連接器的兩側在機械結構上也設有正負極的專用鍵位，以免連接器配接時有組裝錯誤的可能性。Weidmüller 的電池極柱連接器鍵位設計能讓連接器以任意方向插入，因此能將纜線組件的機械應力降至最低。

鎖定機構符合 UL 要求，因此連接器完全插入且聯鎖後才會通電。觸點分離後，連接器才可拔除，如此一來，若在負載下意外斷開，就可避免發生危險的電弧故障。

觸點由鍍銀銅合金製成，可將接觸阻抗降至最低，並且符合 UL 4128 標準，額定值可承受超過 100 次機械連接與斷開操作。

Weidmüller 電池連接器 (WBC) 可耐受嚴苛的環境條件，並具備 IP67 侵入防護等級，可避免灰塵和水份侵入。由於安裝面受到保護，因此可安全觸摸。

UL 4128 並未規定連接器主體的材質，僅規範其效能要求。WBC 使用聚酰胺 66 (PA 66) 製成，這是一種改性熱塑性塑料，非常適合用於電池極柱應用。PA 66 相較於一般 PA 的優點包括防火效能提升，並具有較高的連續工作溫度。PA 66 亦符合鐵路車輛用途的嚴格要求。PA 66 的其他優點包括：

• 防火效能提升
• 不含鹵素或磷
• 低煙霧和氣體

WBC 系列可連接的導線截面積介於 16 mm² 至 95 mm²，連接器側的額定值高達 200 A。也有提供纜線組件，可大幅減少 BESS 接線所需的人力 (圖 4)。Weidmüller 的電池極座連接器及纜線組件範例包括：

• 2905330000：公端負極連接器、額定值 120 A、1,500 V
• 2905290000：母端負極連接器、額定值 120 A、1,500 V
• 2905320000：公端正極連接器、額定值 200 A、1,500 V
• 2905380000：母端正極連接器、額定值 200 A、1,500 V
• 2938270000：長 324 mm (12.75 in) 纜線組件、額定值 120 A、1,500 V

圖4：公端與母端 WBC 以及電池極柱連接器纜線組件的範例。(圖片來源：Weidmüller)

結論

大型資料中心電力架構的變化是由多種因素推動，包括為了滿足 AI 和 ML 的運算與儲存需求而不斷提升的機架功率密度，以及控管不斷上升的電力成本。以模組化 BESS 的新型 UPS 設計因此而生，可利用電池極柱連接器來達到可擴充性和模組化。

除了可確保可靠的電力供應外，模組化 BESS 的設計還能整合太陽能等再生能源，因此能因應對更高環境敏感度、永續性及韌性的期望。支援這些需求的電池極柱連接器必須符合 UL 4128 的要求，以確保在危險的高電池能量位準下也可達到安全有效的連接。

推薦閱讀：

1. 微電網與 DER 如何在工業及商業設施中發揮最大的永續性與韌性
2. 如何運用智慧配電達到最高的網路可用性
3. 如何連接商業儲能系統中各個區塊
4. 如何在企業資料中心設備忠實作高效能模組化連接
5. 以尖端科技因應 AI 伺服器的能源需求