實(shí)現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第四部分：BBU架的操作

作者：Christian Cruz，應(yīng)用開(kāi)發(fā)工程師

Marvin Neil Cabuenas，高級(jí)固件工程師

摘要

本文詳細(xì)介紹了ADI公司用于開(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)架的硬件和軟件。其主要功能是建立BBU模塊之間的通信，并通過(guò)為此類(lèi)應(yīng)用精心打造的圖形用戶(hù)界面(GUI)向用戶(hù)呈現(xiàn)可讀數(shù)據(jù)和信息。

引言

備用電池架是OCP ORV3架構(gòu)和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中電源管理系統(tǒng)的重要功能，對(duì)于不間斷電源(UPS)來(lái)說(shuō)尤為關(guān)鍵。這些架子經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，專(zhuān)門(mén)用于存放和管理備用電池，是確保關(guān)鍵設(shè)備在停電和電壓波動(dòng)情況下穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。

在當(dāng)今技術(shù)高度發(fā)達(dá)的時(shí)代，可靠備用電源系統(tǒng)的重要性不言而喻。數(shù)據(jù)中心、電信樞紐和服務(wù)器機(jī)房的穩(wěn)定性對(duì)公司運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，因此強(qiáng)大的備用電源系統(tǒng)必不可少。在這種背景下，備用電池架作為這些系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在各行各業(yè)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些架子是高效存放BBU的基礎(chǔ)樞紐，有助于提升關(guān)鍵電力儲(chǔ)備的可用性，其主要作用是容納和管理多達(dá)六個(gè)BBU模塊，每個(gè)模塊都精準(zhǔn)對(duì)齊以容納與電源轉(zhuǎn)換器配對(duì)的鋰離子電池。這些架子的結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)悉心設(shè)計(jì)，巧妙地將空間利用效率和可訪(fǎng)問(wèn)性融為一體，令維護(hù)工作更加便捷，更換操作也更加簡(jiǎn)單。

電池備用架的一大優(yōu)點(diǎn)在于能夠集中管理和組織BBU模塊庫(kù)存。一個(gè)規(guī)范的存放系統(tǒng)有利于對(duì)BBU模塊進(jìn)行跟蹤、標(biāo)記和維護(hù)，從而減少誤放或混淆的風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)于關(guān)鍵情況尤其重要。此外，這個(gè)集中化的存放系統(tǒng)還為電池健康監(jiān)測(cè)提供了超大便利，更加便于定期進(jìn)行檢查、測(cè)試和更換操作。

BBU架有多種尺寸和配置，可滿(mǎn)足不同行業(yè)和機(jī)構(gòu)的個(gè)性化需求。部分架子采用模塊化設(shè)計(jì)，提供了靈活性，可適應(yīng)未來(lái)電力需求的發(fā)展。同時(shí)，這些架子上裝有集成監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)提供電池狀態(tài)信息。此外，電壓水平、溫度、模塊活動(dòng)和剩余容量等詳細(xì)信息也一目了然，方便進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，并確保電池在關(guān)鍵時(shí)刻隨時(shí)可以提供電力。

BBU架概述

根據(jù)OCP對(duì)ORV3新架構(gòu)的定義，開(kāi)放機(jī)架電源架構(gòu)由集中式可擴(kuò)展電源架和BBU架組成，BBU架通過(guò)公共母線(xiàn)將電力分配給有效載荷設(shè)備（IT設(shè)備）。此規(guī)范對(duì)適合放入開(kāi)放機(jī)架的BBU架做出了定義。BBU架將包含六個(gè)BBU模塊，具有5+1冗余能力，為機(jī)架內(nèi)的所有有效載荷提供直流電源。當(dāng)交流電源斷電時(shí)，BBU架可以在指定的備用時(shí)限內(nèi)持續(xù)提供備用電源，功率最高可達(dá)電源架的最大額定值。BBU架的備用時(shí)間使機(jī)架可以在不同電源之間切換而不影響IT設(shè)備運(yùn)行，并且應(yīng)用程序可以在電源斷電前安全轉(zhuǎn)移或關(guān)閉。

圖1.OCP ORV3架構(gòu)中的BBU架配置1。

架微控制器固件

BBU應(yīng)用中使用MAX32625作為架微控制器，這是一款超低功耗Arm? Cortex?-M4微控制器，在應(yīng)用中需負(fù)責(zé)多個(gè)過(guò)程。

1. 通過(guò)Modbus?協(xié)議與主機(jī)通信
2. 通過(guò)Modbus協(xié)議與模塊通信
3. 處理模塊的定期充電
4. 系統(tǒng)控制模式

圖2.(a)模塊到架的通信示意圖，(b)架到PC的通信方框圖。

通過(guò)Modbus協(xié)議與主機(jī)通信

在圖2中，架微控制器發(fā)揮的關(guān)鍵作用是充當(dāng)專(zhuān)業(yè)Modbus服務(wù)器，通過(guò)穩(wěn)健的RS-485接口與主機(jī)建立無(wú)縫通信，主要功能是不遺余力地實(shí)時(shí)從眾多模塊收集數(shù)據(jù)。隨后將所采集的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)，用于填充動(dòng)態(tài)GUI應(yīng)用程序，從而提供更直觀的圖形展示。當(dāng)從主機(jī)接收到通信時(shí)，架微控制器充當(dāng)“門(mén)衛(wèi)”，有條不紊地驗(yàn)證每條消息的有效性和完整性。微控制器確認(rèn)消息的真實(shí)性滿(mǎn)足要求后，會(huì)利用保持寄存器中存儲(chǔ)的信息量快速地?cái)M定答案。這個(gè)精心設(shè)計(jì)的響應(yīng)包含主機(jī)所需的答案，答案以結(jié)構(gòu)化的方式呈現(xiàn)。

然而，當(dāng)傳入的消息受到異常污染時(shí)，架微控制器不會(huì)發(fā)生故障,而是會(huì)迅速承擔(dān)起有效通信者的角色，根據(jù)Modbus協(xié)議以錯(cuò)誤消息進(jìn)行響應(yīng)。此錯(cuò)誤通知會(huì)向主機(jī)發(fā)出異常警報(bào)，以便后者采取適當(dāng)?shù)募m正措施。

本質(zhì)上，架微控制器的重要性體現(xiàn)在其所扮演的多方面角色上——它既是數(shù)據(jù)管道，又是數(shù)據(jù)完整性守護(hù)者，還是響應(yīng)式信息提供者。所有這些都有助于在Modbus驅(qū)動(dòng)的交互領(lǐng)域構(gòu)建強(qiáng)大而可靠的通信框架。

通過(guò)Modbus協(xié)議與模塊通信

在圖2中，架微控制器的關(guān)鍵作用愈發(fā)明晰，它在Modbus客戶(hù)端和Modbus服務(wù)器的角色之間無(wú)縫轉(zhuǎn)換，協(xié)調(diào)復(fù)雜而高效的通信生態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)與許多BBU模塊交互時(shí)，架微控制器扮演Modbus客戶(hù)端的角色，發(fā)起并維護(hù)與每個(gè)唯一模塊的對(duì)話(huà)。這些BBU模塊充當(dāng)Modbus服務(wù)器，不斷使用最新信息更新其保持寄存器。在同步工作時(shí)，架微控制器還以循環(huán)方式遍歷BBU模塊環(huán)境，定期捕獲來(lái)自每個(gè)模塊的遙測(cè)數(shù)據(jù)。這些包含有用洞察的數(shù)據(jù)被小心地存儲(chǔ)在微控制器的存儲(chǔ)器中，以便在主機(jī)提出問(wèn)題時(shí)可以隨時(shí)做出回答。

不過(guò)，架微控制器的用途不僅限于BBU系統(tǒng)內(nèi)的客戶(hù)端-服務(wù)器交互，還可以轉(zhuǎn)換為Modbus服務(wù)器，根據(jù)請(qǐng)求將收集的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)，在主機(jī)和眾多BBU模塊之間架起重要橋梁。與此同時(shí)，它繼續(xù)發(fā)揮Modbus客戶(hù)端的作用，管理與BBU模塊的交互，并確保信息是最新且準(zhǔn)確的。

本質(zhì)上，架微控制器具備多功能性和適應(yīng)性，能夠靈活地充當(dāng)客戶(hù)端和服務(wù)器，促進(jìn)主機(jī)與BBU模塊之間的交互。這種相互聯(lián)系表明它有能力維持穩(wěn)固的通信結(jié)構(gòu)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率和可靠性。

處理模塊的定期充電

根據(jù)OCP要求，BBU模塊必須定期充電，因?yàn)殡姵匕诖龣C(jī)時(shí)會(huì)漏電。BBU模塊每10天只能充電一次，因此架微控制器必須監(jiān)控和管理哪些BBU模塊需要充電。架微控制器通過(guò)Modbus協(xié)議命令來(lái)確定哪些BBU模塊需要定期充電，然后啟動(dòng)相應(yīng)的定期充電操作。OCP確立的標(biāo)準(zhǔn)決定了系統(tǒng)架構(gòu)中BBU模塊的基本需求。這些模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，必須定期充電，因?yàn)殡姵匕诖龣C(jī)期間會(huì)發(fā)生電流泄漏。換句話(huà)說(shuō)，定期充電是保持最佳性能和運(yùn)行可靠性的必要操作。

系統(tǒng)控制模式

最后，OCP建議添加用戶(hù)控制項(xiàng)來(lái)覆蓋BBU模塊操作。通過(guò)Modbus，用戶(hù)可以調(diào)整單個(gè)BBU的運(yùn)行狀況，以確定其是否需要充電或放電。

BBU架圖形用戶(hù)界面(GUI)

圖3.BBU模塊。

BBU模塊GUI分為若干部分，負(fù)責(zé)向用戶(hù)提供重要信息，下面將詳細(xì)介紹具體部分和功能。參見(jiàn)圖3。

1. 模塊運(yùn)行狀態(tài)指示燈
2. 模塊內(nèi)部溫度讀數(shù)
3. 模塊故障指示表
4. 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速指示（單位：rpm）
5. 電源轉(zhuǎn)換器指標(biāo)信息
6. 電芯信息（電壓和溫度）

模塊運(yùn)行狀態(tài)指示燈

GUI上至少有4個(gè)LED指示燈：

• 藍(lán)色LED表示BBU模塊處于充電工作模式
• 第一個(gè)琥珀色LED表示BBU模塊處于放電模式，并為數(shù)據(jù)中心的背板提供備用電源
• 第二個(gè)琥珀色LED表示BBU模塊處于壽命末期(EOL)，需要更換
• 紅色LED指示BBU模塊發(fā)生故障

模塊內(nèi)部溫度讀數(shù)

除了BBU運(yùn)行狀態(tài)外，模塊的內(nèi)部溫度也會(huì)顯示在GUI中。電池堆和電源板內(nèi)至少放置了九個(gè)溫度傳感器。LTC2991向主MCU提供數(shù)字溫度讀數(shù)；而ADBMS6948提供電池堆的模擬溫度讀數(shù)。

模塊故障指示表

GUI的故障表描述了模塊運(yùn)行期間觸發(fā)的不同類(lèi)型故障。模塊故障如下：

• 過(guò)壓保護(hù)(OVP)
• 過(guò)流保護(hù)(OCP)
• 過(guò)溫保護(hù)(OTP)
• 過(guò)放電保護(hù)/過(guò)充電保護(hù)
• 風(fēng)扇關(guān)停

電源轉(zhuǎn)換器指標(biāo)

GUI是一項(xiàng)重要資源，可在模塊運(yùn)行時(shí)，為電池堆和背板提供重要運(yùn)行指標(biāo)。這些指標(biāo)范圍很廣，涵蓋了輸入、輸出電壓以及電流等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。模塊運(yùn)行和GUI之間的這種動(dòng)態(tài)交互讓用戶(hù)得以完整實(shí)時(shí)地了解系統(tǒng)性能和能源動(dòng)態(tài)。

電芯信息

GUI會(huì)顯示電池堆電芯電壓和溫度水平。這些數(shù)據(jù)對(duì)于確定電池堆的健康狀態(tài)(SOH)和充電狀態(tài)(SOC)至關(guān)重要。

圖4.BBU模塊摘要GUI。

BBU模塊GUI中有一個(gè)包含簡(jiǎn)單摘要和用戶(hù)控制功能的窗口。這個(gè)特定選項(xiàng)卡可以監(jiān)控所有六個(gè)BBU模塊，同時(shí)支持對(duì)特定BBU進(jìn)行單獨(dú)控制，包括執(zhí)行運(yùn)行決策。圖4直觀的呈現(xiàn)了相關(guān)內(nèi)容。

• 地址選擇器
• 架系統(tǒng)控制
• 架系統(tǒng)參數(shù)
• 架故障和均流

地址選擇器

用戶(hù)可以通過(guò)策略性地準(zhǔn)確選擇BBU槽地址來(lái)順利訪(fǎng)問(wèn)指定的BBU模塊。這種策略分配并不是隨機(jī)的；這是為了防止Modbus通信沖突而采取的預(yù)防措施，通過(guò)預(yù)定義一組BBU架槽地址來(lái)實(shí)現(xiàn)。

架系統(tǒng)控制

賦予用戶(hù)修改BBU操作的權(quán)限，讓用戶(hù)可以指令特定BBU模塊在運(yùn)行期間充電或放電。選擇強(qiáng)制放電模式會(huì)導(dǎo)致升壓電壓從48 V升高到51 V，從而有利于背板供電，同時(shí)讓數(shù)據(jù)中心內(nèi)的電源單元(PSU)保持運(yùn)行而不受干擾。這種細(xì)微的控制可確保BBU功能與大型基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)縫運(yùn)行之間保持出色平衡。

架故障和均流

摘要表中會(huì)顯示在六個(gè)BBU模塊上檢測(cè)到的任何故障并通知用戶(hù)，可以迅速定位BBU架中任何故障。此外，在BBU模塊并行或冗余操作期間，均流總線(xiàn)指示器顯示當(dāng)背板負(fù)載為最大值時(shí)，總線(xiàn)電壓為7 V，當(dāng)峰值負(fù)載操作有效時(shí)，總線(xiàn)電壓為10.5 V。

總結(jié)

BBU架是實(shí)現(xiàn)可靠電源管理系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。這些架子牢牢地相互連接，為備用電池系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境，是高效管理的核心樞紐。這樣就能實(shí)現(xiàn)無(wú)縫運(yùn)行，保持關(guān)鍵系統(tǒng)不間斷，避免受到斷電和電壓波動(dòng)影響。BBU架為數(shù)據(jù)中心、電信網(wǎng)絡(luò)和任何需要UPS的環(huán)境提供重要保護(hù)，其主要使命是確保運(yùn)營(yíng)的連續(xù)性，提高可靠性，并保持電源基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)健運(yùn)行。本系列的下一篇文章將介紹如何為BBU輔助電路選擇合適的組件，其中的標(biāo)準(zhǔn)和建議將有助于為關(guān)鍵設(shè)備選擇恰當(dāng)?shù)墓╇娖骷?，并減少設(shè)計(jì)不規(guī)范問(wèn)題。

參考資料

David Sun。“1.1版開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目開(kāi)放機(jī)架V3 BBU架”。開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目，2022年9月。