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實現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第一部分:電氣和機械設(shè)計

發(fā)布時間:2024-04-09 責任編輯:lina

【導(dǎo)讀】本文概要介紹了開放計算項目開放機架第3版(OCP ORV3)備用電池單元(BBU)的系統(tǒng)要求。文中強調(diào)了可在停電時提供電能的高效、智能BBU的重要性。此外,本文展示了模擬和數(shù)字設(shè)計解決方案、電氣和機械解決方案及其為滿足書面規(guī)范而開發(fā)的架構(gòu)。


摘要


本文概要介紹了開放計算項目開放機架第3版(OCP ORV3)備用電池單元(BBU)的系統(tǒng)要求。文中強調(diào)了可在停電時提供電能的高效、智能BBU的重要性。此外,本文展示了模擬和數(shù)字設(shè)計解決方案、電氣和機械解決方案及其為滿足書面規(guī)范而開發(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Twitter)等社交媒體公司依靠數(shù)據(jù)中心來傳播和存儲信息,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功能。全球幾乎所有大公司和政府機構(gòu)都需要可靠的數(shù)據(jù)中心功能,以通過智能計算、存儲和搜索來運營和維護其主要業(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,以適應(yīng)需求和技術(shù)進步。為了跟上不斷增長的需求,數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)架構(gòu)也要不斷更新升級。


OCP是一個共享數(shù)據(jù)中心設(shè)計的組織,其系統(tǒng)架構(gòu)定義基于開放計算項目開放機架第2版(OCP ORV2),其中背板電壓標稱值為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)的功率要求過高,進而不利于整體系統(tǒng)性能。為了解決這個問題,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,并降低了對復(fù)雜散熱系統(tǒng)的需求。這就是新的開放機架第3版標準(OCP ORV3)的基礎(chǔ)。


實現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第一部分:電氣和機械設(shè)計

圖1.OCP ORV3電源架構(gòu)。


數(shù)據(jù)中心的可靠性是保證運營正常的基本條件。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)需要時間來察覺情況,保存重要數(shù)據(jù),并將操作切換到另一臺數(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)。這些應(yīng)對操作必須以無縫的方式完成。每個機架都使用備用電源系統(tǒng)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的延時電源。這一需求在最新標準ORV3 BBU中被明確為:基于鋰離子電池儲存和調(diào)節(jié)的電量,每個BBU單元需提供15 kW功率輸出,維持系統(tǒng)運行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)計方案,它包括:用于通過單一電路專門進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)計系統(tǒng)主機微控制器以及硬件放大。


設(shè)計要求和硬件實現(xiàn)


OCP組織提供的規(guī)范(第1.3版)中概述了滿足BBU模塊標準所需達到的構(gòu)思和設(shè)計要求。BBU模塊參考設(shè)計基于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。


實現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第一部分:電氣和機械設(shè)計

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模塊處于運輸或庫存狀態(tài),或者未連接到有源母線。此時電池放電電流最小,以延長儲存時間。BBU監(jiān)控或報告功能在休眠模式下不可用。當檢測到母線電壓高于46 V且持續(xù)時間大于100 ms而小于200 ms,并且PSKILL信號為低電平時,BBU將喚醒并退出休眠模式。

?待機模式:BBU模塊已充滿電且運行正常,并持續(xù)監(jiān)控母線電壓,以便為放電事件做好準備。BBU模塊在其使用壽命的大部分時間都以這種模式運行。BBU模塊的狀態(tài)和參數(shù)通過通信總線顯示在上游機架監(jiān)視器上。

?放電模式:當母線電壓降至48.5 V以下且持續(xù)時間大于2 ms時,BBU模塊放電模式就會激活。BBU模塊預(yù)計將在2 ms內(nèi)接管母線電壓,備用時間為4分鐘。

?充電模式:當所有條件都滿足時,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)通過通信總線超控充電電流。應(yīng)該有一個基于計算的充電電流的充電器超時控制方案。

?運行狀態(tài)檢查(SOH)模式:BBU模塊通過對電池包進行強制放電來例行測試電池包容量。BBU模塊應(yīng)每90天執(zhí)行一次SOH測試,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)通過通信總線控制充電/放電操作。

除了BBU模塊運行要求外,OCP還規(guī)定了電池包容量、電芯類型和電池包配置的標準。具體說明如下:

?電池包容量:BBU模塊可以在4年時間里提供不超過4分鐘的3 kW備用電源。

?電芯類型: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個串聯(lián)組合并聯(lián)在一起,每個串聯(lián)組合由11個電芯串聯(lián)而成)


此外,BBU模塊需要有BMS來提供電池充電/放電算法、保護、控制信號和通信接口。BMS還負責建立電芯平衡電路,使電池包中的電芯電壓保持在±1% (0.1 V)容差以內(nèi)。


參考設(shè)計框圖(見圖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相位擴展器,與LT8228協(xié)同工作,將放電功率輸送能力提高至每個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,負責整個系統(tǒng)的運行。LTC2971是一款2通道電源系統(tǒng)管理器,用于實現(xiàn)電源路徑的精密感知和故障檢測,以及關(guān)鍵的電壓下降功能。MAX31760是一款精密風扇轉(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)換器和負責一般管理任務(wù)的微控制器之外,設(shè)計中還包含BMS IC。ADBMS6948是一款16通道多電芯電池監(jiān)控器,用于監(jiān)測電池電壓水平,而其固有的庫侖計數(shù)器用于確定充電狀態(tài)(SOC)和SOH水平,以進行電池平衡和電池預(yù)期壽命計算。電池運行狀態(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)過精心挑選,以降低總功耗,從而延長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(見圖4a)和BBU層板(見圖5),以容納和展示符合OCP ORV3 BBU模塊和層板機械規(guī)范的參考設(shè)計。BBU層板包括6個BBU模塊插槽,因此單個BBU層板可根據(jù)需要提供高達18 kW的備用電源。


實現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第一部分:電氣和機械設(shè)計

圖3.ADI OCP ORV3 BBU框圖。


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圖4.(a) ADI BBU模塊的3D渲染機械概覽,(b) 氣流仿真。


機械渲染和氣流仿真是BBU模塊參考設(shè)計在架構(gòu)上的兩個優(yōu)勢。首先,它支持可視化,可提供準確且有吸引力的表示形式。機械結(jié)構(gòu)分析可盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題和潛在變化,這有助于整個設(shè)計過程。最后但同樣重要的是,它可以減少對耗時又昂貴的實際原型的需求。另外,氣流仿真可以提供性能分析,幫助識別潛在問題并提高設(shè)計效率。它還負責熱管理,能夠協(xié)助識別熱點,優(yōu)化熱損失,并增強整體系統(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,從而降低風險。更多信息請參見圖4b。


實現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第一部分:電氣和機械設(shè)計

圖5.已插入六個BBU模塊的ADI BBU層板的3D渲染。


數(shù)據(jù)與結(jié)果

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


表1.ORV3 BBU模塊參數(shù)


放電操作(升壓模式)

充電操作(降壓模式)

輸入電壓:30 V至44 V

輸入電壓:49 V至53 V

輸出電壓:47.5 V至48 V

輸出電壓:48 V

輸出負載:0 A至63.2 A

輸出負載:0 A至5 A

開關(guān)頻率:150 kHz

開關(guān)頻率:400 kHz


性能數(shù)據(jù)

效率與功率損耗


BBU模塊參考設(shè)計證明了它能夠在滿足ORV3 BBU規(guī)范的約束條件下,實現(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,測得的半負載(31.6A)平均效率為98.5%,而滿負載(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負載的充電操作期間實現(xiàn)了97%的高平均效率。在使用相同電感值的情況下以400 kHz開關(guān)頻率運行時,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電池壽命周期,并降低散熱所需的風扇轉(zhuǎn)速。參見圖6。


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


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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)動系統(tǒng)負載時有意降低BBU背板電壓的現(xiàn)象。BBU背板電壓將根據(jù)LTC2971在線DAC測得的系統(tǒng)負載電流而實時改變。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。參見圖7。


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圖7.放電工作模式期間的輸出壓降。


開關(guān)波形


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


BBU模塊的開關(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。這是通過同步功率MOSFET實現(xiàn)的,它由LT8228脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號準確調(diào)節(jié),配套的LT8551重復(fù)LT8228的操作。每相的開關(guān)頻率和均流導(dǎo)致電壓升高,是影響其運行的重要因素。主轉(zhuǎn)換器及其多相擴展器在滿載時的開關(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負載下的開關(guān)波形如圖9所示。


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圖8.以44 V輸入和63.2 A輸出負載運行時,放電工作模式期間主控制器和擴展器的開關(guān)波形。


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圖9.以53 V輸入和5 A輸出負載運行時,充電模式期間主控制器的波形。


熱性能


必須仔細平衡熱性能和效率。BBU模塊必須能夠承受高溫并持續(xù)工作,而不會過熱,同時也要以理想效率運行,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(滿負載運行約4分鐘)期間測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。為避免電池堆過熱,需要設(shè)計合理的電芯間距和適當?shù)臍饬鳌⒁妶D11。


工作模式轉(zhuǎn)換


BBU模塊的工作模式轉(zhuǎn)換對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)備保持正常運行4分鐘。BBU模塊持續(xù)監(jiān)測背板母線電壓。當母線電壓在2 ms內(nèi)下降至BBU模塊激活電平(48.5 V)時,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。在整個轉(zhuǎn)換過程中,母線電壓不得降至46 V以下。BBU模塊檢測到母線電壓超過48.5 V并持續(xù)200 ms以上后,退出放電工作模式。參見圖12。


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圖10.放電和充電工作模式下各自滿載運行時電路板的熱性能。


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圖11.電池堆間隙設(shè)計。


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圖12.從穩(wěn)定狀態(tài)過渡到電源中斷狀態(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)器機架在功耗、散熱、尺寸及成本方面比12 V服務(wù)器機架更具效益。前端無調(diào)節(jié)的高效率電路級,后面接一個根據(jù)適當負載調(diào)整的穩(wěn)壓器,這樣的設(shè)計非常適合數(shù)據(jù)中心服務(wù)器微處理器和存儲器。這種高水平的思考,加上OCP的最新創(chuàng)新,為實現(xiàn)更高效的配電和智能備用電池單元設(shè)計奠定了基礎(chǔ),從而可以支持連續(xù)和無縫的操作。


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


本系列的第二部分將針對面向BBU一般管理任務(wù)的專門設(shè)計,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)測有用信息,以及如何使用這些信息來構(gòu)建和執(zhí)行正確的工作流例程。


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