OCPORV3智能电池备份单元的设计方案

本文概述了开放式计算项目(OCP)开放式机架v3(Orv3)电池备份单元(BBU)的系统要求。它强调了拥有能够在停电期间提供能量的高效率和智能的电源管理的重要性。此外,它还将展示模拟和数字设计解决方案、电气和机械解决方案及其符合书面规格的结构。

导言

数据中心为互联网提供动力,连接世界各地的社区。社交媒体公司,如Facebook、IngagRAM和X(前称推特),依靠数据中心进行信息传播和存储,而雅虎等搜索引擎!谷歌利用数据中心为其主要的搜索引擎和存储功能供电。世界上几乎所有的主要公司和政府机构都需要可靠的数据中心功能,通过智能计算、存储和搜索来操作和维护其主要业务功能。随着用户数量逐年增加,数据中心的容量继续以惊人的速度增长,以满足需求和技术改进。随着这些增长需求的增加,数据中心系统架构也必须跟上步伐。

OCP是一个共享数据中心设计的组织,其系统结构定义基于开放式计算项目开放式机架2(OCPOrv2),其中背板电压名义上为12V,系统功率为3千瓦。另一方面,使用量的增加导致电力需求的增加,使12V系统的电力需求过高,从而损害了整个系统的性能。为了解决这个问题,背板电压增加到48V,而系统功率保持不变,最大限度地减少所需电流和铜痕量,并减少背板的散热。这一改变提高了整个系统的效率,减少了对复杂冷却系统的需求。这是新的开放架标准3,OCP或3的基础。

图1OCP或者3电源架构。

数据中心的可靠性是一个基本的业务需要。在系统中添加BBU提供了系统冗余。在发生断电或停电时,系统需要时间注意情况,保存重要数据,并将操作转移到另一个数据中心服务器,很可能是在不同的数据中心设施和位置。这必须以无缝的方式实现。每个机架都使用备用电力系统来调节系统的阻塞功率。这一需求在最新的标准(Orv3bbub)中被定义为一个15千瓦的功率输出,相当于每个bbbu机组系统运行4分钟,基于锂离子电池的功率存储和调节。

该规范为模拟设备提供了一个指南,以完成和设计一个参考设计解决方案,该方案包括用于单电路充电和放电操作的双向功率转换器、电池管理系统设备、带固件和图形界面支持的车载设计系统主机微控制器,以及通过与OCP组织合作进行硬件放大。

设计要求和硬件实现

由于OCP组织提供了规范(第1.3版),它将概述概念化和设计达到BBU模块标准所需的要求。BBB模块参考设计是基于Orv348V的建议,包括一个电池组,包括带bms、充电器/充电器电路和其他功能模块,如图2所示。

图2OCPORV3BBB框图。

除了电路要求外,BBU模块在其使用寿命期间需要有几种主要的操作模式,这些是:

· 睡眠模式:这是当BBU模块处于运输或库存状态时,或未连接到活动母线上,这将最大限度地减少电池放电电流,以延长存储时间。在睡眠中不存在电池监测或报告,当检测到母线电压在46V以上时,BBB会醒来和退出睡眠模式,而该母线电压在100Mt;和<200Mm和PCils信号较低时。

· 待命模式:这是当BBU模块是完全充电和健康,并持续监测母线电压准备为放电事件。BBB模块在其绝大多数寿命期间都以这种模式运行。通过通信总线,在上游机架监控器上可以看到BBU模块的状态和参数。

· 放电方式:这是母线电压降至5V以下,对&t;2m,BBU模块放电方式启动。BBU模块将在2毫秒内接管母线电压,备份时间为4分钟。

· 充电模式:这是当BBU模块使其内部充电器电路充电时,当所有情况都是充电电流可以从0a到5.5a的任何地方根据以前的电池容量放电深度。它还允许上游系统通过通信总线覆盖电荷电流。应该有一个充电器超时控制方案基于计算的电荷电流。

· 健康检查(SOH)模式:这是当BBU模块通过电池的强制放电常规测试电池组容量时,BBU模块应每90天进行SOH测试,以确定电池的EOL状态。

· 系统控制模式:BBU应允许上游系统通过通信总线控制充电器/充电器的操作。

除了BBU模块的操作要求,OCP还规定了电池组容量、电池组类型和电池组配置的标准。这些措施如下:

· 电池包容量:BBU模块可提供3千瓦的备用电源,不超过4分钟,为期4年。

· 电池类型:BBU模块应具有锂离子18650型电池电压为5V至4.2V,最低电池容量为1.5阿赫,连续额定放电电流为30。

· 电池组配置:BBU模块将有一个11S6P的电池组配置(6个电池组的平行字符串,每个串有11个电池组)。

另外,BBU模块需要有一个用于电池充电/放电算法、保护、控制信号和通信接口的BBM。在电池组上的电池电压保持在+1%(0.1V)以内,该电池组还负责电池组的平衡电路。

参考设计框图(见图3)显示了选定的部分,并集成了指定用于某些任务的各种元素,构建了能够提供不间断电源、确定模块健康、故障和模块通信的电路。… LT8228 双向同步控制器,安装在BBU模块内。此设备提供电源转换的情况下,线路电源中断和电池充电器在非故障操作。… LT8551 ,一个四相同步提升直流-直流相膨胀器,与LT8228同步工作,以增加放电能力交付到3千瓦每BBU模块。除了电源转换集成电路之外,BBU模块还包括 MAX32690 ,超低能臂 ® 微控制器,负责整个系统的运行。… LTC2971 它是一种双通道电力系统管理器,用于电力路径的精密检测和故障检测,同时也是一个重要的电压下降功能。… MAX31760 采用精密风扇转速控制器,在充放电过程中进行系统冷却.EPROM作为数据存储器,允许用户在BBU模块的可用时间内恢复任何可用数据。除了电源转换器和客房微控制器之外,设计中还包括了一个数据库集成电路。… Adbms6948 一种16通道多电池监测器,用于电池电压电平监测,而其固有库仑计数器用于确定电池平衡和电池预期寿命计算的电荷状态和SOH水平。电池健康状况监测程序由 MAX32625 超低功率臂微控制器。两个微控制器都是精心选择的,以降低总耗电量,从而延长电池在BBU睡眠模式下的使用寿命。

除提供的部件外,该参考模块还生成和构造BBBU模块(见图4A)和BBU架(见图5),以容纳并演示符合OCPOrv3BBB模块和货架机械规范的参考设计。BBU架包括BBU模块的六个插槽,因此一个BBU架可以提供最多18千瓦的备用功率。

图3一个模拟器件OCPorv3BBU框图。

4(a)3d------------------------------------------------------------------

机械绘制和气流模拟是BBU模块参考设计的两个建筑优点。首先,包括了能够提供准确和吸引人的表示的可视化。机械结构分析在早期发现设计问题和潜在的变化,这有助于整个设计过程。最后但并非最不重要的是,它可以减少对实际原型的需求,这可能是耗时和昂贵的。此外,气流模拟还可以进行性能分析,协助确定潜在的问题,并提高设计效率。它还通过协助识别热点、优化热损失和提高整体系统的可靠性来处理热管理。此外,还规划了电池组空间,以便在减少风险方面提供安全和合规方面的帮助。更多信息见图4B。

图5一个3D绘制的阿迪BBBU架子与六个插入的BBU模块。

数据和结果

下面介绍的测试结果包含了稳态性能测量、功能性能波形、温度测量和操作过渡。使用BBBU模块参考设计测试了下列配置:

表1ORV3BBU模块参数

卸货业务

(提升模式)收费操作

(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输出电压:48V

产出负载:0A至63.2A输出负载:0至5a

开关频率:150千赫开关频率:400千赫

效率和电力损失

BBU模块参考设计演示了在ORV3BBU规范中超越效率和功率损失的能力。放电和充电的限制分别为97%和95%.在排放作业期间,测得的半负荷(31.6%a)平均效率为98.5%,而满负荷(63.2%a)平均效率为98%。由于大得多的电感的影响,较低的MOSIFT的排水源对源电阻,以及精心选择的开关频率将提供高效率和减少波纹电流。此外,BBU模块在负载为5A的充电操作中实现了97%的高平均效率。使用相同的电感值时,在400千赫兹的开关频率下运行,提高了效率,最大限度地减小了电源损耗。高效率和低耗电量将延长电池寿命周期,并降低热冷却所需的风扇转速。见图6。

另一方面,控制和同步MOSIFT的传导损失导致了BBU放电和充电操作过程中的整体电力损失。

图6放电时的效率和功率损失,以及充电方式.

输出电压下降

ORV3BBBU规范的另一个要求是在放电模式操作时包含电压下降。电压下降是驱动系统负载时BBU背板电压的故意损失.BBU背板电压将随测量系统负载电流的变化而发生实时变化。结果表明,从无负载降至满负载的背板电压降降在ORV3BBBU所要求的15%以上。见图7。

图7在放电方式下的输出电压下降.

转换波形

检测开关波形为性能评估、故障分析、效率优化、EMI降低和安全考虑提供了宝贵的信息。它使工程师能够识别和解决问题,优化系统性能,并确保数据中心BBU模块的可靠和高效运行。

BBBU模块的开关操作在放电模式操作中至关重要,将30V至44V电池组电压转换为48V背板电压。这是通过使用同步功率MOSFET实现的,它精确地由LT8228脉冲宽度调制信号调节,并伴随LT8551,重复LT8228的作用。每一个相的开关频率和电流共享对其运行都很重要,这导致了电压的增加。图8显示了主变换器及其多相扩展器在全负荷情况下的开关波形。在充电模式下,双向转换器在单相操作,将49V至53V的背板电压降至44V为电池组充电。它的工作方式是快速切换同步功率MOSFET和冲击电感电流。双向变换器在5a负载下的开关波形如图9所示.

图8在44V输入和63.2A输出负载下运行的放电方式下,主控制器和扩展器开关波形。

图9在53伏输入和5a输出负载下运行时,一个主控制器波形.

热性能

热性能和效率必须仔细平衡。虽然必须有一个能够经受高温并继续工作而不过热的BBU模块,但也必须有一个能够以最佳效率运行的BBU模块,将尽可能多的输入功率转换为输出功率。在图10中,理事会测量到的最低温度在放电模式下只有40℃至60℃,在满负荷下运行约4分钟。在充电模式下,同步MOSIFT的温度小于50℃。一个合适的空气冷却系统可以降低部件的发射温度,防止热失控。在电池堆中适当设计电池到电池的间隙,并为空气流动进行适当的设计,以提供足够的热冷却。见图11。

业务过渡

BBBU模块的过渡操作对于确保在电力中断或变化期间不间断供电至关重要。这个程序包括将电池组的能量无懈可击地转移到数据中心的背板,确保重要的系统和设备保持4分钟的运行。BBB模块不断监测背板母线电压。当母线电压降至48.5V的BBU模块激活水平2M时,母线模块的背板电压必须上升,使母线在2M内获得充分的功率。在整个过渡过程中,母线电压决不能降至46伏以下.在检测到母线电压大于48.5伏的200多毫秒后,BBU模块停止了放电方式的工作。见图12。

图10板的热性能在全负荷下运行,在放电和充电运行模式

图11电池堆栈间隙设计.

图12从稳定运行过渡到有电源中断。

总结

数据中心正在转向48V系统,以节省能源.48V服务器机架在功率和散热、尺寸和成本方面比12V服务器机架更有效,因为电流、铜损耗和电源母线尺寸较低。一个前端无管制、高效率的阶段之后的电压调节器调整适当的负载最适合数据中心服务器微处理器和存储器。这种思维水平,以及OCP的最新创新,为更高效的配电和智能电池备份单元设计铺平了道路,以支持连续和完美的操作。

选择和实现适合BBU模块和货架的适当设备简化了整体设计,延长了电池寿命周期,减少了长的工程开发周期,并最大限度地减少了工程和生产成本。此外,提供机械模拟缩短原型步骤,提供可用于改进热冷却和管理的数据,并加强设计保证。最后,提供一个适当的和精心设计的固件算法和序列,确保平稳和轻松的BBU操作。