实现不间断能源的智能备用电池第一部分：电气和机械设计

择要

本文概要先容了开放计较项目开放机架第3版(OCP ORV3)备用单位(BBU)的体系请求。文中强调了可在停电时供应电能的高效、智能BBU的重要性。另外，本文展示了模仿和数字设想解决计划、电气和机器解决计划及其为餍足书面标准而开辟的架构。

弁言

为互联网供应支撑，连贯天下各地的社区。Facebook、Instagram和X（前称Twitter）等交际媒体公司依托数据中央来传布和存储信息，而雅虎和google等搜刮引擎则应用数据中央支撑其主要搜刮引擎和存储性能。环球简直所有大公司和当局机构都需求靠得住的数据中央性能，以经由过程智能计较、存储和搜刮来运营和保护其主要营业本能机能。跟着用户数目逐年增添，数据中央容量继续以惊人的速率增进，以顺应需乞降手艺前进。为了跟上不息增进的需要，数据中央的体系架构也要不息更新进级。

OCP是一个同享数据中央设想的构造，其体系架构界说基于开放计较项目开放机架第2版(OCP ORV2)，此中背板电压标称值为12 V，体系功率为3 kW。另外一方面，使用量的增添致使功率需要增添，这使得12 V体系的功率请求太高，进而无益于团体体系功能。为了解决这个题目，在体系功率坚持稳定的情况下，背板电压增加到48 V，从而尽可能缩小所需的电流和铜走线，并下降背板分发的热量。这一变迁提高了团体体系服从，并降低了对庞杂散热体系的需要。这便是新的开放机架第3版规范(OCP ORV3)的根底。

图1.OCP ORV3电源架构。

数据中央的可靠性是保障运营失常的基础前提。为体系增添BBU可提供体系冗余性。假如产生停电或限电，体系需求时候来发觉情形，保管首要数据，并将操纵切换到另一台数据中央服务器（极可能位于分歧的数据中央办法和地址）。这些应答操纵必需以无缝的体式格局实现。每一个机架都应用备用电源体系来调理体系的延时电源。这一需要在最新规范ORV3 BBU中被明确为：基于锂离子电池贮存和调理的电量，每一个BBU单位需供应15 kW功率输入，维持体系运转4分钟。

在该标准的指导下，ADI公司与OCP构造分工实现和制作了参考设想计划，它包孕：用于经由过程繁多电路特地举行充电和放电操纵的双向电源转换器、电池治理体系(BMS)器件、带固件和GUI支撑的板载设想体系主机微控制器以及硬件缩小。

设想要乞降硬件完成

OCP构造供应的标准（第1.3版）中概述了餍足BBU模块规范所需达到的构想和设想请求。BBU模块参考设想基于ORV3 48 V提案，由带BMS的电池包、充电/放电电路和其余功能块构成，如图2所示。

图2.OCP ORV3 BBU框图。

除了电路请求外，BBU模块在其应用寿命时期还需要有几种首要事情模式，详细以下：

休眠模式：BBU模块处于运输或库存状况，或许未连接到有源母线。此时电池放电电流最小，以延伸贮存时候。BBU监控或呈报功能在休眠模式下不可用。当检测到母线电压高于46 V且继续时候大于100 ms而小于200 ms，而且PSKILL信号为低电平时，BBU将叫醒并退出休眠模式。

待机模式：BBU模块已充满电且运转失常，并继续监控母线电压，以便为放电事情做好预备。BBU模块在其应用寿命的大部分时候都以这类模式运转。BBU模块的状况和参数经由过程通讯总线表现在下游机架监视器上。

放电模式：当母线电压降至48.5 V如下且继续时候大于2 ms时，BBU模块放电模式就会激活。BBU模块预计将在2 ms内接管母线电压，备用时候为4分钟。

充电模式：当所有前提都餍足时，BBU模块使能其外部充电器电路，为其电池包充电。依据电池容量的前次放电深度，充电电流可认为0 A至5.5 A之间的肆意值。它还同意下游体系经由过程通讯总线超控充电电流。应该有一个基于计较的充电电流的充电器超时操纵计划。

运转状况查抄(SOH)模式：BBU模块经由过程对电池包举行逼迫放电来例行测试电池包容量。BBU模块应每90天施行一次SOH测试，以肯定电池的EOL状况。

体系操纵模式：BBU应同意下游体系经由过程通讯总线操纵充电/放电操纵。

除了BBU模块运转请求外，OCP还划定了电池包容量、电芯范例和电池包设置的规范。详细解释以下：

电池包容量：BBU模块能够在4年时间里供应不跨越4分钟的3 kW备用电源。

电芯范例：BBU模块应为锂离子18650型，电芯电压为3.5 V至4.2 V，电池容量至多为1.5 AH，继续额外放电电流为30 A。

电池包设置：BBU模块的电池包设置为11S6P（6个串连组合并联在一起，每一个串连组合由11个电芯串连而成）

另外，BBU模块需求有BMS来供应电池充电/放电算法、维护、操纵旌旗灯号和通讯接口。BMS还担任创建电芯均衡电路，使电池包中的电芯电压保持在±1% (0.1 V)容差之内。

参考设想框图（见图3）表现了选定的器件，以及为实现某些使命而集成的种种元件，它们组成的电路可以或许供应不间断电源、判别模块运转状态和毛病并施行模块通讯。LT8228是一款双向同步控制器，位于BBU模块内。该器件在路线电源中缀的情况下供应电源转换，并在非毛病运转时期供应电池充电性能。LT8551是一款4相同步升压DC-DC相位扩展器，与LT8228协同事情，将放电功率运送才能进步至每一个BBU模块3 kW。除了电源转换IC外，BBU模块还包括MAX32690，它是一款超低功耗Arm®微控制器，担任全部体系的运转。LTC2971是一款2通道电源体系管理器，用于完成电源门路的周详感知和毛病检测，以及关头的电压降低性能。MAX31760是一款周详电扇转速控制器，用于在充电和放电操纵时期施行体系散热性能。EEPROM用作数据存储设置装备摆设，同意用户在BBU模块可用时期复原任何实用数据。除了电源转换器和担任普通治理使命的微控制器以外，设想中还包括BMS IC。ADBMS6948是一款16通道多电芯电池监控器，用于监测电池电压程度，而其固有的库仑计数器用于肯定充电状况(SOC)和SOH程度，以举行电池均衡和电池预期寿命计较。电池运转状况监控步伐由超低功耗Arm微控制器MAX32625实现。两款微控制器均经由经心挑拣，以下降总功耗，从而延伸BBU休眠事情模式时期的电池寿命。

除了所供应的器件以外，该参考模块还供应和构建了BBU模块（见图4a）和BBU层板（见图5），以包容和展示吻合OCP ORV3 BBU模块和层板机器标准的参考设想。BBU层板包孕6个BBU模块插槽，是以单个BBU层板可根据需求供应高达18 kW的备用电源。

图3.ADI OCP ORV3 BBU框图。

图4.(a) ADI BBU模块的3D衬着机器概览，(b) 气流仿真机器衬着和气流仿真是BBU模块参考设想在架构上的两个上风起首支撑可视化，可提供正确且有吸引力暗示方式机器布局阐发及早发明设想题目潜伏变迁，这有助于全部设想进程最初异样首要能够缩小对耗时低廉实践原型需要此外，气流仿真能够供应功能阐发赞助辨认潜伏题目进步设想服从。它还担任治理可以或许帮忙辨认热门，优化丧失加强团体体系可靠性另外，它还可以或许依据平安和合请求计划电池包空间，从而下降危险。更多信息请参见图4b。

图5.拔出六个BBU模块的ADI BBU层板的3D衬着。

数据效果

表1.ORV3 BBU模块参数

BBU模块参考设想证明了可以或许餍足ORV3 BBU标准束缚条件下完成更高服从和更低的功率消耗。放电和充电限定分手配置为97%和95%。在放电操纵时期，测得的半负载(31.6A均匀服从为98.5%，而满负载(63.2A均匀服从为98%。受更大电感的影响，较低的MOSFET漏源导通电阻经心抉择的开关频次将有助于进步服从下降纹波电流另外，BBU模块在5 A负载的充电操纵时期完成了97均匀服从应用沟通电感值的情况下以400 kHz开关频次运行时服从失掉进步，功率消耗充沛下降。高效率和较低功率消耗将有助于延伸电池寿命周期下降散热所需电扇转速。参见图另外一方面操纵和同步MOSFET的传导消耗会影响BBU放电和充电操纵时期团体功率消耗。

图6.放电和充电事情模式时期各自服从和功率消耗。

ORV3 BBU标准的另一个要求是在放电事情模式时期思量压降。电压降低是指在驱动体系负载故意下降BBU背板电压征象。BBU背板电压依据LTC2971在线DAC测得体系负载电流及时转变是以，从空载到满载的背板压降保持在ORV3 BBU请求的±1%限值如下。参见图7。

图7.放电事情模式时期输入压降。

开关波形

BBU模块的开关操纵在放电事情模式时期相当首要，它将30 V至44 V电池包电压转换为48 V背板电压。这是经由过程同步功率MOSFET完成的，它由LT8228脉冲宽度调制(PWM旌旗灯号正确调理，配套的LT8551重复LT8228操纵。每相的开关频次致使电压降低，是影响运转首要要素。主转换器及其多相扩展器在满载时的开关波形如图8所示。在充电事情模式中，双向转换器以单相操纵，将49 V至53 V背板电压下降至44 V，为电池包充电事情道理倏地切换同步功率MOSFET并使电感电流斜坡回升。双向转换器在5 A负载下的开关波形如图9所示。

图8.以44输出和63.2输入负载运行时，放电事情模式时期主控制器和扩展器的开关波形。

图9.以53输出输入负载运行时，充电模式时期主控制器的波形。

BBU模块事情模式转换关于确保电源中缀变迁时期的不间断供电相当首要进程包孕将电池包能量顺遂传输到数据中央的背板，确保首要体系设置装备摆设坚持失常运转4分钟。BBU模块继续监测背板母线电压。当母线电压在2 ms内下降至BBU模块激活电平(48.5 V)时，BBU模块背板电压必需斜坡回升，以在2 ms内为母线供应全数功率全部转换过程当中，母线电压不得降至46如下。BBU模块检测到母线电压跨越48.5继续200 ms以上后，退出放电事情模式。参见图12。

图10.放电和充电事情模式下各自满载运行时电路板功能。

图11.电池堆间隙设想。

图12.稳固状况过渡到电源中缀状况。

总结

为了节减动力，数据中央正在转向接纳48体系因为电流、铜损和电源母线尺寸更小，48 V服务器机架在功耗、散热、尺寸本钱方面比12 V服务器机架更具效益。前端调理的高效率电路背面接一个依据适量负载调解的稳压器如许设想异常适宜服务器微处理器和存储器这类高水平思索加之OCP的最新立异完成更高效的配电和智能备用电池单位设想奠基根底，从而能够支撑继续和无缝操纵。

为BBU模块抉择完成适宜的器件能够简化团体设想延伸应用寿命收缩冗长的工程开辟周期无效下降工程出产本钱另外供应机器仿真能够简化原型制造步调取得可用于改良散热和治理的数据加强设想可靠性最初供应适量经心设想的固件算法和序列可确保BBU轻松顺遂运转。

本系列的第二部份将针对面向BBU普通治理使命特地设想先容BBU模块种种首要微控制器性能操纵另外，第二部份深刻地概述若何监测实用信息，以及若何应用这些信息来构建和施行精确的工作流例程。