實(shí)現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第一部分：電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)

摘要

本文概要介紹了開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目開(kāi)放機(jī)架第3版(OCP ORV3)備用電池單元(BBU)的系統(tǒng)要求。文中強(qiáng)調(diào)了可在停電時(shí)提供電能的高效、智能BBU的重要性。此外，本文展示了模擬和數(shù)字設(shè)計(jì)解決方案、電氣和機(jī)械解決方案及其為滿足書(shū)面規(guī)范而開(kāi)發(fā)的架構(gòu)。

引言

數(shù)據(jù)中心為互聯(lián)網(wǎng)提供支持，連接世界各地的社區(qū)。Facebook、Instagram和X（前稱(chēng)Twitter）等社交媒體公司依靠數(shù)據(jù)中心來(lái)傳播和存儲(chǔ)信息，而雅虎和谷歌等搜索引擎則利用數(shù)據(jù)中心支持其主要搜索引擎和存儲(chǔ)功能。全球幾乎所有大公司和政府機(jī)構(gòu)都需要可靠的數(shù)據(jù)中心功能，以通過(guò)智能計(jì)算、存儲(chǔ)和搜索來(lái)運(yùn)營(yíng)和維護(hù)其主要業(yè)務(wù)職能。隨著用戶數(shù)量逐年增加，數(shù)據(jù)中心容量持續(xù)以驚人的速度增長(zhǎng)，以適應(yīng)需求和技術(shù)進(jìn)步。為了跟上不斷增長(zhǎng)的需求，數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)架構(gòu)也要不斷更新升級(jí)。

OCP是一個(gè)共享數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的組織，其系統(tǒng)架構(gòu)定義基于開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目開(kāi)放機(jī)架第2版(OCP ORV2)，其中背板電壓標(biāo)稱(chēng)值為12 V，系統(tǒng)功率為3 kW。另一方面，使用量的增加導(dǎo)致功率需求增加，這使得12 V系統(tǒng)的功率要求過(guò)高，進(jìn)而不利于整體系統(tǒng)性能。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在系統(tǒng)功率保持不變的情況下，背板電壓增加到48 V，從而盡量減少所需的電流和銅走線，并降低背板散發(fā)的熱量。這一變化提高了整體系統(tǒng)效率，并降低了對(duì)復(fù)雜散熱系統(tǒng)的需求。這就是新的開(kāi)放機(jī)架第3版標(biāo)準(zhǔn)(OCP ORV3)的基礎(chǔ)。

圖1.OCP ORV3電源架構(gòu)。

數(shù)據(jù)中心的可靠性是保證運(yùn)營(yíng)正常的基本條件。為系統(tǒng)增加BBU可提供系統(tǒng)冗余性。如果發(fā)生停電或限電，系統(tǒng)需要時(shí)間來(lái)察覺(jué)情況，保存重要數(shù)據(jù)，并將操作切換到另一臺(tái)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器（很可能位于不同的數(shù)據(jù)中心設(shè)施和地點(diǎn)）。這些應(yīng)對(duì)操作必須以無(wú)縫的方式完成。每個(gè)機(jī)架都使用備用電源系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的延時(shí)電源。這一需求在最新標(biāo)準(zhǔn)ORV3 BBU中被明確為：基于鋰離子電池儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)的電量，每個(gè)BBU單元需提供15 kW功率輸出，維持系統(tǒng)運(yùn)行4分鐘。

在該規(guī)范的指導(dǎo)下，ADI公司與OCP組織合作完成和制作了參考設(shè)計(jì)方案，它包括：用于通過(guò)單一電路專(zhuān)門(mén)進(jìn)行充電和放電操作的雙向電源轉(zhuǎn)換器、電池管理系統(tǒng)(BMS)器件、帶固件和GUI支持的板載設(shè)計(jì)系統(tǒng)主機(jī)微控制器以及硬件放大。

設(shè)計(jì)要求和硬件實(shí)現(xiàn)

OCP組織提供的規(guī)范（第1.3版）中概述了滿足BBU模塊標(biāo)準(zhǔn)所需達(dá)到的構(gòu)思和設(shè)計(jì)要求。BBU模塊參考設(shè)計(jì)基于ORV3 48 V提案，由帶BMS的電池包、充電/放電電路和其他功能塊組成，如圖2所示。

圖2.OCP ORV3 BBU框圖。

除了電路要求外，BBU模塊在其使用壽命期間還需要有幾種主要工作模式，具體如下：

• 休眠模式：BBU模塊處于運(yùn)輸或庫(kù)存狀態(tài)，或者未連接到有源母線。此時(shí)電池放電電流最小，以延長(zhǎng)儲(chǔ)存時(shí)間。BBU監(jiān)控或報(bào)告功能在休眠模式下不可用。當(dāng)檢測(cè)到母線電壓高于46 V且持續(xù)時(shí)間大于100 ms而小于200 ms，并且PSKILL信號(hào)為低電平時(shí)，BBU將喚醒并退出休眠模式。
• 待機(jī)模式：BBU模塊已充滿電且運(yùn)行正常，并持續(xù)監(jiān)控母線電壓，以便為放電事件做好準(zhǔn)備。BBU模塊在其使用壽命的大部分時(shí)間都以這種模式運(yùn)行。BBU模塊的狀態(tài)和參數(shù)通過(guò)通信總線顯示在上游機(jī)架監(jiān)視器上。
• 放電模式：當(dāng)母線電壓降至48.5 V以下且持續(xù)時(shí)間大于2 ms時(shí)，BBU模塊放電模式就會(huì)激活。BBU模塊預(yù)計(jì)將在2 ms內(nèi)接管母線電壓，備用時(shí)間為4分鐘。
• 充電模式：當(dāng)所有條件都滿足時(shí)，BBU模塊使能其內(nèi)部充電器電路，為其電池包充電。根據(jù)電池容量的上次放電深度，充電電流可以為0 A至5.5 A之間的任意值。它還允許上游系統(tǒng)通過(guò)通信總線超控充電電流。應(yīng)該有一個(gè)基于計(jì)算的充電電流的充電器超時(shí)控制方案。
• 運(yùn)行狀態(tài)檢查(SOH)模式：BBU模塊通過(guò)對(duì)電池包進(jìn)行強(qiáng)制放電來(lái)例行測(cè)試電池包容量。BBU模塊應(yīng)每90天執(zhí)行一次SOH測(cè)試，以確定電池的EOL狀態(tài)。
• 系統(tǒng)控制模式：BBU應(yīng)允許上游系統(tǒng)通過(guò)通信總線控制充電/放電操作。

除了BBU模塊運(yùn)行要求外，OCP還規(guī)定了電池包容量、電芯類(lèi)型和電池包配置的標(biāo)準(zhǔn)。具體說(shuō)明如下：

• 電池包容量：BBU模塊可以在4年時(shí)間里提供不超過(guò)4分鐘的3 kW備用電源。
• 電芯類(lèi)型：BBU模塊應(yīng)為鋰離子18650型，電芯電壓為3.5 V至4.2 V，電池容量至少為1.5 AH，連續(xù)額定放電電流為30 A。
• 電池包配置：BBU模塊的電池包配置為11S6P（6個(gè)串聯(lián)組合并聯(lián)在一起，每個(gè)串聯(lián)組合由11個(gè)電芯串聯(lián)而成）

此外，BBU模塊需要有BMS來(lái)提供電池充電/放電算法、保護(hù)、控制信號(hào)和通信接口。BMS還負(fù)責(zé)建立電芯平衡電路，使電池包中的電芯電壓保持在±1% (0.1 V)容差以?xún)?nèi)。

參考設(shè)計(jì)框圖（見(jiàn)圖3）顯示了選定的器件，以及為完成某些任務(wù)而集成的各種元件，它們構(gòu)成的電路能夠提供不間斷電源、判斷模塊運(yùn)行狀況和故障并執(zhí)行模塊通信。LT8228是一款雙向同步控制器，位于BBU模塊內(nèi)。該器件在線路電源中斷的情況下提供電源轉(zhuǎn)換，并在非故障運(yùn)行期間提供電池充電功能。LT8551是一款4相同步升壓DC-DC相位擴(kuò)展器，與LT8228協(xié)同工作，將放電功率輸送能力提高至每個(gè)BBU模塊3 kW。除了電源轉(zhuǎn)換IC外，BBU模塊還包含MAX32690，它是一款超低功耗Arm?微控制器，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。LTC2971是一款2通道電源系統(tǒng)管理器，用于實(shí)現(xiàn)電源路徑的精密感知和故障檢測(cè)，以及關(guān)鍵的電壓下降功能。MAX31760是一款精密風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制器，用于在充電和放電操作期間執(zhí)行系統(tǒng)散熱功能。EEPROM用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，允許用戶在BBU模塊可用期間恢復(fù)任何有用數(shù)據(jù)。除了電源轉(zhuǎn)換器和負(fù)責(zé)一般管理任務(wù)的微控制器之外，設(shè)計(jì)中還包含BMS IC。ADBMS6948是一款16通道多電芯電池監(jiān)控器，用于監(jiān)測(cè)電池電壓水平，而其固有的庫(kù)侖計(jì)數(shù)器用于確定充電狀態(tài)(SOC)和SOH水平，以進(jìn)行電池平衡和電池預(yù)期壽命計(jì)算。電池運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控程序由超低功耗Arm微控制器MAX32625完成。兩款微控制器均經(jīng)過(guò)精心挑選，以降低總功耗，從而延長(zhǎng)BBU休眠工作模式期間的電池壽命。

除了所提供的器件之外，該參考模塊還提供和構(gòu)建了BBU模塊（見(jiàn)圖4a）和BBU層板（見(jiàn)圖5），以容納和展示符合OCP ORV3 BBU模塊和層板機(jī)械規(guī)范的參考設(shè)計(jì)。BBU層板包括6個(gè)BBU模塊插槽，因此單個(gè)BBU層板可根據(jù)需要提供高達(dá)18 kW的備用電源。

圖3.ADI OCP ORV3 BBU框圖。

圖4.(a) ADI BBU模塊的3D渲染機(jī)械概覽，(b) 氣流仿真。

機(jī)械渲染和氣流仿真是BBU模塊參考設(shè)計(jì)在架構(gòu)上的兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，它支持可視化，可提供準(zhǔn)確且有吸引力的表示形式。機(jī)械結(jié)構(gòu)分析可盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題和潛在變化，這有助于整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。最后但同樣重要的是，它可以減少對(duì)耗時(shí)又昂貴的實(shí)際原型的需求。另外，氣流仿真可以提供性能分析，幫助識(shí)別潛在問(wèn)題并提高設(shè)計(jì)效率。

它還負(fù)責(zé)熱管理，能夠協(xié)助識(shí)別熱點(diǎn)，優(yōu)化熱損失，并增強(qiáng)整體系統(tǒng)可靠性。此外，它還能夠根據(jù)安全和合規(guī)的要求規(guī)劃電池包空間，從而降低風(fēng)險(xiǎn)。更多信息請(qǐng)參見(jiàn)圖4b。

圖5.已插入六個(gè)BBU模塊的ADI BBU層板的3D渲染。

數(shù)據(jù)與結(jié)果

下面給出的測(cè)試結(jié)果包括穩(wěn)態(tài)性能測(cè)量、功能性能波形、溫度測(cè)量和工作模式轉(zhuǎn)換。使用BBU模塊參考設(shè)計(jì)測(cè)試了以下配置：

表1.ORV3 BBU模塊參數(shù)

性能數(shù)據(jù)

效率與功率損耗

BBU模塊參考設(shè)計(jì)證明了它能夠在滿足ORV3 BBU規(guī)范的約束條件下，實(shí)現(xiàn)更高的效率和更低的功率損耗。放電和充電限制分別設(shè)置為97%和95%。在放電操作期間，測(cè)得的半負(fù)載(31.6A)平均效率為98.5%，而滿負(fù)載(63.2A)平均效率為98%。受更大電感的影響，較低的MOSFET漏源導(dǎo)通電阻和精心選擇的開(kāi)關(guān)頻率將有助于提高效率和降低紋波電流。此外，BBU模塊在5 A負(fù)載的充電操作期間實(shí)現(xiàn)了97%的高平均效率。在使用相同電感值的情況下以400 kHz開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行時(shí)，效率得到提高，功率損耗也充分降低。高效率和較低功率損耗將有助于延長(zhǎng)電池壽命周期，并降低散熱所需的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。參見(jiàn)圖6。

另一方面，控制和同步MOSFET的傳導(dǎo)損耗會(huì)影響B(tài)BU放電和充電操作期間的整體功率損耗。

圖6.放電和充電工作模式期間各自的效率和功率損耗。

輸出壓降

ORV3 BBU規(guī)范的另一個(gè)要求是在放電工作模式期間考慮壓降。電壓下降是指在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載時(shí)有意降低BBU背板電壓的現(xiàn)象。BBU背板電壓將根據(jù)LTC2971在線DAC測(cè)得的系統(tǒng)負(fù)載電流而實(shí)時(shí)改變。因此，從空載到滿載的背板壓降保持在ORV3 BBU要求的±1%限值以下。參見(jiàn)圖7。

圖7.放電工作模式期間的輸出壓降。

開(kāi)關(guān)波形

檢查開(kāi)關(guān)波形可為性能評(píng)估、故障分析、效率優(yōu)化、降低EMI和安全考量提供有價(jià)值的信息。它讓工程師能夠發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，優(yōu)化系統(tǒng)性能，確保數(shù)據(jù)中心BBU模塊可靠、高效運(yùn)行。

BBU模塊的開(kāi)關(guān)操作在放電工作模式期間至關(guān)重要，它將30 V至44 V電池包電壓轉(zhuǎn)換為48 V背板電壓。這是通過(guò)同步功率MOSFET實(shí)現(xiàn)的，它由LT8228脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，配套的LT8551重復(fù)LT8228的操作。每相的開(kāi)關(guān)頻率和均流導(dǎo)致電壓升高，是影響其運(yùn)行的重要因素。主轉(zhuǎn)換器及其多相擴(kuò)展器在滿載時(shí)的開(kāi)關(guān)波形如圖8所示。在充電工作模式中，雙向轉(zhuǎn)換器以單相操作，將49 V至53 V背板電壓降低至44 V，為電池包充電。它的工作原理是快速切換同步功率MOSFET并使電感電流斜坡上升。雙向轉(zhuǎn)換器在5 A負(fù)載下的開(kāi)關(guān)波形如圖9所示。

圖8.以44 V輸入和63.2 A輸出負(fù)載運(yùn)行時(shí)，放電工作模式期間主控制器和擴(kuò)展器的開(kāi)關(guān)波形。

圖9.以53 V輸入和5 A輸出負(fù)載運(yùn)行時(shí)，充電模式期間主控制器的波形。

熱性能

必須仔細(xì)平衡熱性能和效率。BBU模塊必須能夠承受高溫并持續(xù)工作，而不會(huì)過(guò)熱，同時(shí)也要以理想效率運(yùn)行，能夠?qū)⒈M可能多的輸入功率轉(zhuǎn)化為輸出功率。在圖10中，在放電工作模式（滿負(fù)載運(yùn)行約4分鐘）期間測(cè)得的電路板最差溫度僅為40°C至60°C。在充電模式下，同步MOSFET的溫度低于50°C。合理構(gòu)建的空氣散熱系統(tǒng)可降低元器件的發(fā)熱量，防止熱失控。為避免電池堆過(guò)熱，需要設(shè)計(jì)合理的電芯間距和適當(dāng)?shù)臍饬鳌⒁?jiàn)圖11。

工作模式轉(zhuǎn)換

BBU模塊的工作模式轉(zhuǎn)換對(duì)于確保電源中斷或變化期間的不間斷供電至關(guān)重要。此過(guò)程包括將電池包能量順利傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心的背板，確保重要系統(tǒng)和設(shè)備保持正常運(yùn)行4分鐘。BBU模塊持續(xù)監(jiān)測(cè)背板母線電壓。當(dāng)母線電壓在2 ms內(nèi)下降至BBU模塊激活電平(48.5 V)時(shí)，BBU模塊背板電壓必須斜坡上升，以在2 ms內(nèi)為母線提供全部功率。在整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，母線電壓不得降至46 V以下。BBU模塊檢測(cè)到母線電壓超過(guò)48.5 V并持續(xù)200 ms以上后，退出放電工作模式。參見(jiàn)圖12。

圖10.放電和充電工作模式下各自滿載運(yùn)行時(shí)電路板的熱性能。

圖11.電池堆間隙設(shè)計(jì)。

圖12.從穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡到電源中斷狀態(tài)。

總結(jié)

為了節(jié)省能源，數(shù)據(jù)中心正在轉(zhuǎn)向采用48 V系統(tǒng)。由于電流、銅損和電源母線尺寸更小，48 V服務(wù)器機(jī)架在功耗、散熱、尺寸及成本方面比12 V服務(wù)器機(jī)架更具效益。前端無(wú)調(diào)節(jié)的高效率電路級(jí)，后面接一個(gè)根據(jù)適當(dāng)負(fù)載調(diào)整的穩(wěn)壓器，這樣的設(shè)計(jì)非常適合數(shù)據(jù)中心服務(wù)器微處理器和存儲(chǔ)器。這種高水平的思考，加上OCP的最新創(chuàng)新，為實(shí)現(xiàn)更高效的配電和智能備用電池單元設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，從而可以支持連續(xù)和無(wú)縫的操作。

為BBU模塊和層板選擇并實(shí)現(xiàn)合適的器件可以簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)電池使用壽命，縮短漫長(zhǎng)的工程開(kāi)發(fā)周期，并有效降低工程和生產(chǎn)成本。此外，提供機(jī)械仿真可以簡(jiǎn)化原型制作步驟，獲得可用于改進(jìn)散熱和熱管理的數(shù)據(jù)，并增強(qiáng)設(shè)計(jì)可靠性。最后，提供適當(dāng)且精心設(shè)計(jì)的固件算法和序列可確保BBU輕松順利地運(yùn)行。

本系列的第二部分將針對(duì)面向BBU一般管理任務(wù)的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，介紹BBU模塊的各種主要微控制器功能和操作。此外，第二部分將更深入地概述如何監(jiān)測(cè)有用信息，以及如何使用這些信息來(lái)構(gòu)建和執(zhí)行正確的工作流例程。