本文概述了開放式計算項目(OCP)開放式機架v3(Orv3)電池備份單元(BBU)的系統(tǒng)要求。它強調(diào)了擁有能夠在停電期間提供能量的高效率和智能的電源管理的重要性。此外,它還將展示模擬和數(shù)字設(shè)計解決方案、電氣和機械解決方案及其符合書面規(guī)格的結(jié)構(gòu)。
導(dǎo)言
數(shù)據(jù)中心為互聯(lián)網(wǎng)提供動力,連接世界各地的社區(qū)。社交媒體公司,如Facebook、IngagRAM和X(前稱推特),依靠數(shù)據(jù)中心進行信息傳播和存儲,而雅虎等搜索引擎!谷歌利用數(shù)據(jù)中心為其主要的搜索引擎和存儲功能供電。世界上幾乎所有的主要公司和政府機構(gòu)都需要可靠的數(shù)據(jù)中心功能,通過智能計算、存儲和搜索來操作和維護其主要業(yè)務(wù)功能。隨著用戶數(shù)量逐年增加,數(shù)據(jù)中心的容量繼續(xù)以驚人的速度增長,以滿足需求和技術(shù)改進。隨著這些增長需求的增加,數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)架構(gòu)也必須跟上步伐。
OCP是一個共享數(shù)據(jù)中心設(shè)計的組織,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義基于開放式計算項目開放式機架2(OCPOrv2),其中背板電壓名義上為12V,系統(tǒng)功率為3千瓦。另一方面,使用量的增加導(dǎo)致電力需求的增加,使12V系統(tǒng)的電力需求過高,從而損害了整個系統(tǒng)的性能。為了解決這個問題,背板電壓增加到48V,而系統(tǒng)功率保持不變,最大限度地減少所需電流和銅痕量,并減少背板的散熱。這一改變提高了整個系統(tǒng)的效率,減少了對復(fù)雜冷卻系統(tǒng)的需求。這是新的開放架標準3,OCP或3的基礎(chǔ)。
圖1OCP或者3電源架構(gòu)。
數(shù)據(jù)中心的可靠性是一個基本的業(yè)務(wù)需要。在系統(tǒng)中添加BBU提供了系統(tǒng)冗余。在發(fā)生斷電或停電時,系統(tǒng)需要時間注意情況,保存重要數(shù)據(jù),并將操作轉(zhuǎn)移到另一個數(shù)據(jù)中心服務(wù)器,很可能是在不同的數(shù)據(jù)中心設(shè)施和位置。這必須以無縫的方式實現(xiàn)。每個機架都使用備用電力系統(tǒng)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻塞功率。這一需求在最新的標準(Orv3bbub)中被定義為一個15千瓦的功率輸出,相當于每個bbbu機組系統(tǒng)運行4分鐘,基于鋰離子電池的功率存儲和調(diào)節(jié)。
該規(guī)范為模擬設(shè)備提供了一個指南,以完成和設(shè)計一個參考設(shè)計解決方案,該方案包括用于單電路充電和放電操作的雙向功率轉(zhuǎn)換器、電池管理系統(tǒng)設(shè)備、帶固件和圖形界面支持的車載設(shè)計系統(tǒng)主機微控制器,以及通過與OCP組織合作進行硬件放大。
設(shè)計要求和硬件實現(xiàn)
由于OCP組織提供了規(guī)范(第1.3版),它將概述概念化和設(shè)計達到BBU模塊標準所需的要求。BBB模塊參考設(shè)計是基于Orv348V的建議,包括一個電池組,包括帶bms、充電器/充電器電路和其他功能模塊,如圖2所示。
圖2OCPORV3BBB框圖。
除了電路要求外,BBU模塊在其使用壽命期間需要有幾種主要的操作模式,這些是:
· 睡眠模式:這是當BBU模塊處于運輸或庫存狀態(tài)時,或未連接到活動母線上,這將最大限度地減少電池放電電流,以延長存儲時間。在睡眠中不存在電池監(jiān)測或報告,當檢測到母線電壓在46V以上時,BBB會醒來和退出睡眠模式,而該母線電壓在100Mt;和<200Mm和PCils信號較低時。
· 待命模式:這是當BBU模塊是完全充電和健康,并持續(xù)監(jiān)測母線電壓準備為放電事件。BBB模塊在其絕大多數(shù)壽命期間都以這種模式運行。通過通信總線,在上游機架監(jiān)控器上可以看到BBU模塊的狀態(tài)和參數(shù)。
· 放電方式:這是母線電壓降至5V以下,對&t;2m,BBU模塊放電方式啟動。BBU模塊將在2毫秒內(nèi)接管母線電壓,備份時間為4分鐘。
· 充電模式:這是當BBU模塊使其內(nèi)部充電器電路充電時,當所有情況都是充電電流可以從0a到5.5a的任何地方根據(jù)以前的電池容量放電深度。它還允許上游系統(tǒng)通過通信總線覆蓋電荷電流。應(yīng)該有一個充電器超時控制方案基于計算的電荷電流。
· 健康檢查(SOH)模式:這是當BBU模塊通過電池的強制放電常規(guī)測試電池組容量時,BBU模塊應(yīng)每90天進行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器/充電器的操作。
除了BBU模塊的操作要求,OCP還規(guī)定了電池組容量、電池組類型和電池組配置的標準。這些措施如下:
· 電池包容量:BBU模塊可提供3千瓦的備用電源,不超過4分鐘,為期4年。
· 電池類型:BBU模塊應(yīng)具有鋰離子18650型電池電壓為5V至4.2V,最低電池容量為1.5阿赫,連續(xù)額定放電電流為30。
· 電池組配置:BBU模塊將有一個11S6P的電池組配置(6個電池組的平行字符串,每個串有11個電池組)。
另外,BBU模塊需要有一個用于電池充電/放電算法、保護、控制信號和通信接口的BBM。在電池組上的電池電壓保持在+1%(0.1V)以內(nèi),該電池組還負責電池組的平衡電路。
參考設(shè)計框圖(見圖3)顯示了選定的部分,并集成了指定用于某些任務(wù)的各種元素,構(gòu)建了能夠提供不間斷電源、確定模塊健康、故障和模塊通信的電路?！?LT8228 雙向同步控制器,安裝在BBU模塊內(nèi)。此設(shè)備提供電源轉(zhuǎn)換的情況下,線路電源中斷和電池充電器在非故障操作?！?LT8551 ,一個四相同步提升直流-直流相膨脹器,與LT8228同步工作,以增加放電能力交付到3千瓦每BBU模塊。除了電源轉(zhuǎn)換集成電路之外,BBU模塊還包括?MAX32690 ,超低能臂 ® 微控制器,負責整個系統(tǒng)的運行?！?LTC2971 它是一種雙通道電力系統(tǒng)管理器,用于電力路徑的精密檢測和故障檢測,同時也是一個重要的電壓下降功能。…?MAX31760 采用精密風扇轉(zhuǎn)速控制器,在充放電過程中進行系統(tǒng)冷卻.EPROM作為數(shù)據(jù)存儲器,允許用戶在BBU模塊的可用時間內(nèi)恢復(fù)任何可用數(shù)據(jù)。除了電源轉(zhuǎn)換器和客房微控制器之外,設(shè)計中還包括了一個數(shù)據(jù)庫集成電路?！?Adbms6948 一種16通道多電池監(jiān)測器,用于電池電壓電平監(jiān)測,而其固有庫侖計數(shù)器用于確定電池平衡和電池預(yù)期壽命計算的電荷狀態(tài)和SOH水平。電池健康狀況監(jiān)測程序由?MAX32625 超低功率臂微控制器。兩個微控制器都是精心選擇的,以降低總耗電量,從而延長電池在BBU睡眠模式下的使用壽命。
除提供的部件外,該參考模塊還生成和構(gòu)造BBBU模塊(見圖4A)和BBU架(見圖5),以容納并演示符合OCPOrv3BBB模塊和貨架機械規(guī)范的參考設(shè)計。BBU架包括BBU模塊的六個插槽,因此一個BBU架可以提供最多18千瓦的備用功率。
圖3一個模擬器件OCPorv3BBU框圖。
4(a)3d------------------------------------------------------------------
機械繪制和氣流模擬是BBU模塊參考設(shè)計的兩個建筑優(yōu)點。首先,包括了能夠提供準確和吸引人的表示的可視化。機械結(jié)構(gòu)分析在早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題和潛在的變化,這有助于整個設(shè)計過程。最后但并非最不重要的是,它可以減少對實際原型的需求,這可能是耗時和昂貴的。此外,氣流模擬還可以進行性能分析,協(xié)助確定潛在的問題,并提高設(shè)計效率。它還通過協(xié)助識別熱點、優(yōu)化熱損失和提高整體系統(tǒng)的可靠性來處理熱管理。此外,還規(guī)劃了電池組空間,以便在減少風險方面提供安全和合規(guī)方面的幫助。更多信息見圖4B。
圖5一個3D繪制的阿迪BBBU架子與六個插入的BBU模塊。
數(shù)據(jù)和結(jié)果
下面介紹的測試結(jié)果包含了穩(wěn)態(tài)性能測量、功能性能波形、溫度測量和操作過渡。使用BBBU模塊參考設(shè)計測試了下列配置:
表1ORV3BBU模塊參數(shù)
卸貨業(yè)務(wù)
(提升模式)收費操作
(巴克模式)
Input voltage: 30 V to 44 VInput voltage: 49 V to 53 V
Output voltage: 47.5 V to 48 V輸出電壓:48V
產(chǎn)出負載:0A至63.2A輸出負載:0至5a
開關(guān)頻率:150千赫開關(guān)頻率:400千赫
效率和電力損失
BBU模塊參考設(shè)計演示了在ORV3BBU規(guī)范中超越效率和功率損失的能力。放電和充電的限制分別為97%和95%.在排放作業(yè)期間,測得的半負荷(31.6%a)平均效率為98.5%,而滿負荷(63.2%a)平均效率為98%。由于大得多的電感的影響,較低的MOSIFT的排水源對源電阻,以及精心選擇的開關(guān)頻率將提供高效率和減少波紋電流。此外,BBU模塊在負載為5A的充電操作中實現(xiàn)了97%的高平均效率。使用相同的電感值時,在400千赫茲的開關(guān)頻率下運行,提高了效率,最大限度地減小了電源損耗。高效率和低耗電量將延長電池壽命周期,并降低熱冷卻所需的風扇轉(zhuǎn)速。見圖6。
另一方面,控制和同步MOSIFT的傳導(dǎo)損失導(dǎo)致了BBU放電和充電操作過程中的整體電力損失。
圖6放電時的效率和功率損失,以及充電方式.
輸出電壓下降
ORV3BBBU規(guī)范的另一個要求是在放電模式操作時包含電壓下降。電壓下降是驅(qū)動系統(tǒng)負載時BBU背板電壓的故意損失.BBU背板電壓將隨測量系統(tǒng)負載電流的變化而發(fā)生實時變化。結(jié)果表明,從無負載降至滿負載的背板電壓降降在ORV3BBBU所要求的15%以上。見圖7。
圖7在放電方式下的輸出電壓下降.
轉(zhuǎn)換波形
檢測開關(guān)波形為性能評估、故障分析、效率優(yōu)化、EMI降低和安全考慮提供了寶貴的信息。它使工程師能夠識別和解決問題,優(yōu)化系統(tǒng)性能,并確保數(shù)據(jù)中心BBU模塊的可靠和高效運行。
BBBU模塊的開關(guān)操作在放電模式操作中至關(guān)重要,將30V至44V電池組電壓轉(zhuǎn)換為48V背板電壓。這是通過使用同步功率MOSFET實現(xiàn)的,它精確地由LT8228脈沖寬度調(diào)制信號調(diào)節(jié),并伴隨LT8551,重復(fù)LT8228的作用。每一個相的開關(guān)頻率和電流共享對其運行都很重要,這導(dǎo)致了電壓的增加。圖8顯示了主變換器及其多相擴展器在全負荷情況下的開關(guān)波形。在充電模式下,雙向轉(zhuǎn)換器在單相操作,將49V至53V的背板電壓降至44V為電池組充電。它的工作方式是快速切換同步功率MOSFET和沖擊電感電流。雙向變換器在5a負載下的開關(guān)波形如圖9所示.
圖8在44V輸入和63.2A輸出負載下運行的放電方式下,主控制器和擴展器開關(guān)波形。
圖9在53伏輸入和5a輸出負載下運行時,一個主控制器波形.
熱性能
熱性能和效率必須仔細平衡。雖然必須有一個能夠經(jīng)受高溫并繼續(xù)工作而不過熱的BBU模塊,但也必須有一個能夠以最佳效率運行的BBU模塊,將盡可能多的輸入功率轉(zhuǎn)換為輸出功率。在圖10中,理事會測量到的最低溫度在放電模式下只有40℃至60℃,在滿負荷下運行約4分鐘。在充電模式下,同步MOSIFT的溫度小于50℃。一個合適的空氣冷卻系統(tǒng)可以降低部件的發(fā)射溫度,防止熱失控。在電池堆中適當設(shè)計電池到電池的間隙,并為空氣流動進行適當?shù)脑O(shè)計,以提供足夠的熱冷卻。見圖11。
業(yè)務(wù)過渡
BBBU模塊的過渡操作對于確保在電力中斷或變化期間不間斷供電至關(guān)重要。這個程序包括將電池組的能量無懈可擊地轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)中心的背板,確保重要的系統(tǒng)和設(shè)備保持4分鐘的運行。BBB模塊不斷監(jiān)測背板母線電壓。當母線電壓降至48.5V的BBU模塊激活水平2M時,母線模塊的背板電壓必須上升,使母線在2M內(nèi)獲得充分的功率。在整個過渡過程中,母線電壓決不能降至46伏以下.在檢測到母線電壓大于48.5伏的200多毫秒后,BBU模塊停止了放電方式的工作。見圖12。
圖10板的熱性能在全負荷下運行,在放電和充電運行模式
圖11電池堆棧間隙設(shè)計.
圖12從穩(wěn)定運行過渡到有電源中斷。
總結(jié)
數(shù)據(jù)中心正在轉(zhuǎn)向48V系統(tǒng),以節(jié)省能源.48V服務(wù)器機架在功率和散熱、尺寸和成本方面比12V服務(wù)器機架更有效,因為電流、銅損耗和電源母線尺寸較低。一個前端無管制、高效率的階段之后的電壓調(diào)節(jié)器調(diào)整適當?shù)呢撦d最適合數(shù)據(jù)中心服務(wù)器微處理器和存儲器。這種思維水平,以及OCP的最新創(chuàng)新,為更高效的配電和智能電池備份單元設(shè)計鋪平了道路,以支持連續(xù)和完美的操作。
選擇和實現(xiàn)適合BBU模塊和貨架的適當設(shè)備簡化了整體設(shè)計,延長了電池壽命周期,減少了長的工程開發(fā)周期,并最大限度地減少了工程和生產(chǎn)成本。此外,提供機械模擬縮短原型步驟,提供可用于改進熱冷卻和管理的數(shù)據(jù),并加強設(shè)計保證。最后,提供一個適當?shù)暮途脑O(shè)計的固件算法和序列,確保平穩(wěn)和輕松的BBU操作。
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