數(shù)據(jù)中心智能后備鋰電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐘偉龍，鄒建忠，林藝成

（科華數(shù)據(jù)股份有限公司，福建 廈門 361000）

0 引 言

隨著5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、AI、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求也日益增加，而數(shù)據(jù)中心作為新技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基石，其可靠性、安全性和能耗直接影響到業(yè)務(wù)開展的效率。當(dāng)今，在“雙碳”和“東數(shù)西算” 的政策下，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的建設(shè)呈現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展，信息設(shè)備的數(shù)量也急劇增長(zhǎng)。任何信息設(shè)備都離不開電源供電，供電質(zhì)量是保障信息系統(tǒng)安全工作的重點(diǎn)之一。因此，數(shù)據(jù)中心對(duì)供配電系統(tǒng)的可靠性要求也隨之增高，不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）作為后備電源能保障數(shù)據(jù)中心的正常供電，其中儲(chǔ)能電池技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。

長(zhǎng)久以來，UPS中的儲(chǔ)能電池一直采用鉛酸蓄電池，但是鉛酸蓄電池的生命周期短、日常維護(hù)費(fèi)用高、占地面積大、承重大等特點(diǎn)常常廣受詬病，難以滿足數(shù)據(jù)中心建設(shè)的新要求[1]。而綠色環(huán)保、節(jié)能高效、智能管控等理念逐漸引起了數(shù)據(jù)中心對(duì)儲(chǔ)能電池技術(shù)的變革。近年來，磷酸鐵鋰電池在移動(dòng)通信基站已規(guī)模化應(yīng)用，工業(yè)和信息化部公布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)志了其在通信領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心則也開始推廣應(yīng)用磷酸鐵鋰電池[2,3]。因此，各大運(yùn)營商在機(jī)房建設(shè)方面為了提高數(shù)據(jù)中心供電的可靠性，如何設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)中心后備鋰電系統(tǒng)方案成為運(yùn)營商重點(diǎn)考慮的因素之一。

1 數(shù)據(jù)中心對(duì)鋰電池的關(guān)注重點(diǎn)

數(shù)據(jù)中心對(duì)鋰電池的選擇一般關(guān)注3個(gè)方面，即安全性、智能化和可維護(hù)性。

1.1 安全性

鋰電池爆炸過往頻頻發(fā)生，因此各廠家用戶目前十分關(guān)注鋰電池的安全問題。由于數(shù)據(jù)中心的鋰電池能量密度高，一般會(huì)是鉛酸蓄電池的3倍以上，如果缺乏合理的電氣保護(hù)設(shè)計(jì)和電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS），鋰電池的安全風(fēng)險(xiǎn)會(huì)很大[4]。而鋰電池的安全很大程度上取決于“高質(zhì)的電芯生產(chǎn)和質(zhì)量管控”和“完善的BMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。

1.2 智能化

數(shù)據(jù)中心鋰電池的電芯節(jié)數(shù)多，若缺乏智能化地對(duì)電芯精準(zhǔn)控制和智能調(diào)節(jié)功率輸出策略的話，鋰電池的使用效率會(huì)大大降低且成本也不斷增加。

數(shù)據(jù)中心的運(yùn)維管理一直以來需要人工耗費(fèi)大量時(shí)間巡檢且運(yùn)維費(fèi)用高，若鋰電池能夠?qū)㈦姵貐?shù)等自動(dòng)上傳，則也能降低運(yùn)維方面的難度。

1.3 可維護(hù)性

傳統(tǒng)鉛酸蓄電池需要定期巡檢和更換，以致日常維護(hù)成本高。數(shù)據(jù)中心鋰電池需關(guān)注安裝、巡檢、更換使用等方面的便捷性。

2 磷酸鐵鋰電池技術(shù)特點(diǎn)

2.1 磷酸鐵鋰電池原理

鋰電池是一種電化學(xué)裝置，充電時(shí)將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存，放電時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能釋放。鋰電池的陽極材料為碳基，陰極為金屬氧化物，電解質(zhì)溶液為六氟磷酸鋰。磷酸鐵鋰電池是鋰電池中的一種，目前業(yè)界主流的鋰電池主要有鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。磷酸鐵鋰電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適用于通信領(lǐng)域這種需要高可靠性的后備電源[5]。

2.2 與鉛酸蓄電池的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1 磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池的技術(shù)指標(biāo)的區(qū)別

總的來說，磷酸鐵鋰電池與傳統(tǒng)的鉛酸電池相比，具有能量密度高、單體電壓高、占地面積小、屋內(nèi)架構(gòu)承重輕、使用壽命長(zhǎng)、耐高低溫環(huán)境能力強(qiáng)、大電流快速充電以及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)比鉛酸電池，磷酸鐵鋰電池在價(jià)格上存在劣勢(shì)，但能改善數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的不足之處，也更能滿足未來數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)的發(fā)展要求。隨著電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模化進(jìn)一步成熟，鋰電池的價(jià)格也將逐步降低。

2.3 磷酸鐵鋰電池存在的應(yīng)用問題

鋰電池作為UPS的儲(chǔ)能部分，在當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的使用中存在以下問題。

（1）配置單一。鋰電池電芯規(guī)格少，容易造成電池組容量超配的問題，同時(shí)無法滿足客戶靈活的備電時(shí)間要求和降本的需求。

（2）安全風(fēng)險(xiǎn)。鋰電池存在兩方面安全風(fēng)險(xiǎn)。一方面如果電池未能有效與UPS交流側(cè)隔離，電池一旦發(fā)生漏液就會(huì)造成電池對(duì)地絕緣失效，從而引發(fā)電池直流對(duì)地短路的風(fēng)險(xiǎn)，甚至?xí)斐蒛PS失效，出現(xiàn)高壓倒灌到電池的現(xiàn)象，產(chǎn)生電池過壓風(fēng)險(xiǎn)。另一方面鋰電池的電池組串聯(lián)數(shù)過多，極易造成系統(tǒng)安全問題。若是電池組發(fā)生單一故障，極易引發(fā)連鎖反應(yīng)，擴(kuò)大故障范圍。

（3）健康監(jiān)測(cè)。鋰電池組的單體數(shù)量多，鋰電池單體健康監(jiān)測(cè)顆粒度不夠，無法提前預(yù)警或及時(shí)對(duì)鋰電池進(jìn)行有效保護(hù)。

3 智能后備鋰電系統(tǒng)解決方案

針對(duì)鋰電池存在的應(yīng)用問題，先介紹了所提出的智能后備鋰電系統(tǒng)的架構(gòu)，然后從鋰電池的安全設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)和極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)這3方面對(duì)該技術(shù)方案進(jìn)行分析。

3.1 智能后備鋰電系統(tǒng)架構(gòu)介紹

鋰電系統(tǒng)搭配UPS主機(jī)，作為數(shù)據(jù)中心的后備電源。鋰電系統(tǒng)框圖如圖1所示，由多個(gè)鋰電池模塊和保護(hù)單元組成。該系統(tǒng)具有鋰電模塊并聯(lián)工作和多柜并聯(lián)的功能。

圖1 鋰電系統(tǒng)框圖

鋰電池模塊是由多節(jié)鋰電池單體和一套隔離型雙 向 直 流（Direct Current/Direct Current，DC/DC） 控制系統(tǒng)組成。該模塊具有兩路直流電壓輸出能力，輸出可以并聯(lián)或者串聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)鋰電系統(tǒng)多種電壓輸出模式，滿足不同UPS的直流供電需求。

保護(hù)單元由斷路器、消防部件組成，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜的安全、保護(hù)功能。

3.2 鋰電池的安全設(shè)計(jì)

該鋰電系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)內(nèi)容包括電源系統(tǒng)的隔離設(shè)計(jì)、低電壓設(shè)計(jì)和系統(tǒng)安全與消防和多級(jí)BMS管理。

3.2.1 電源系統(tǒng)的隔離設(shè)計(jì)

鋰電池模塊內(nèi)置隔離型DC/DC控制系統(tǒng)，多個(gè)鋰電模塊自主并聯(lián)。該方案具有以下作用：杜絕由電芯漏液引發(fā)直流短路拉弧的風(fēng)險(xiǎn)；模塊可獨(dú)立進(jìn)行在線電芯絕緣檢測(cè)，使得模塊能提前對(duì)短路風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，及時(shí)保護(hù)模塊安全，且能精準(zhǔn)定位故障模塊；大大降低由于電氣失效造成過電壓的風(fēng)險(xiǎn)；在模塊發(fā)生故障后自動(dòng)與系統(tǒng)隔離。故障點(diǎn)限制在單個(gè)鋰電池模塊，減少影響范圍，降低系統(tǒng)斷電風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 低電壓設(shè)計(jì)

每個(gè)鋰電池模塊內(nèi)置隔離型DC/DC控制系統(tǒng)，在關(guān)機(jī)時(shí)該模塊可控制端口零電壓輸出，杜絕帶電操作的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，每個(gè)鋰電池模塊采用多節(jié)電芯組合，降低系統(tǒng)的電芯串聯(lián)個(gè)數(shù)，提升電芯的利用率。

3.2.3 系統(tǒng)安全與消防

鋰電池模塊內(nèi)置電芯級(jí)消防滅火藥劑，該藥劑能直接作用在電芯上，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效的控制能力，達(dá)到電芯失效不擴(kuò)散的效果。

在UPS充電失控模式下，隔離型DC/DC控制系統(tǒng)能有效斷開充電母線，達(dá)到鋰電系統(tǒng)失效時(shí)只冒煙不起火的安全目標(biāo)。

3.2.4 多級(jí)BMS管理

3級(jí)BMS控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。3級(jí)BMS控制系統(tǒng)由鋰電池模塊（Power Battery Management Unit，PBMU），電池組管理單元（Slave Battery Management Unit，SBMU）、電池系統(tǒng)管理單元（Master Battery Management Unit，MBMU）和保護(hù)單元組成。該控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)鋰電池的全方位監(jiān)測(cè)與控制。鋰電系統(tǒng)管理單元從宏觀數(shù)據(jù)上進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提早預(yù)警。

圖2 3級(jí)BMS控制示意圖

鋰電池模塊管理單元直接對(duì)溫度管理、電壓管理、短路防護(hù)和絕緣防護(hù)進(jìn)行安全管理，并上報(bào)電池組管理單元。

電池組管理單元收集機(jī)柜內(nèi)所有鋰電池模塊的管理數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障預(yù)警、記錄存儲(chǔ)，并將管理數(shù)據(jù)上報(bào)給電池系統(tǒng)管理單元。同時(shí)，它也接收電池系統(tǒng)管理單元的指令，對(duì)鋰電池模塊進(jìn)行智能化管理。

電池系統(tǒng)管理單元收集各個(gè)電池組管理單元模塊的所有管理數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的故障預(yù)警，記錄存儲(chǔ)，以及電池健康度預(yù)測(cè)。

3.3 鋰電池的智能設(shè)計(jì)

該鋰電系統(tǒng)的智能設(shè)計(jì)內(nèi)容包括智能均衡、分組核容和健康診斷。

3.3.1 智能均衡

鋰電池模塊并聯(lián)工作，通過電池系統(tǒng)管理單元和電池組管理單元的協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)以下功能。電芯的一致性從系統(tǒng)級(jí)別縮小到模塊級(jí)別，和模塊級(jí)別的智能功率調(diào)配方式實(shí)現(xiàn)新舊電池混用的功能。智能功率調(diào)配是電池組中不同容量的電池能夠根據(jù)自身剩余容量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出的功率，電芯一致性指一組鋰電池的容量、電壓等重要特征參數(shù)的趨同性。控制DC/DC控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)模塊電池剩余容量（State Of Charge，SOC）放電均衡，最大限度延長(zhǎng)UPS后備時(shí)間。多個(gè)不同SOC的模塊同時(shí)開始放電，經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)模塊共同停止工作。

3.3.2 分組核容

分組核容是指電池系統(tǒng)管理單元可對(duì)任意鋰電池模塊充、放電控制且對(duì)所有鋰電池模塊劃分為多組，并按組精準(zhǔn)測(cè)試電池容量，其中一組正常測(cè)試時(shí)，其他組則實(shí)時(shí)待機(jī)，避免UPS斷電的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.3 健康診斷

3級(jí)BMS控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控管理，以大數(shù)據(jù)健康診斷的方式提前預(yù)警電池故障狀態(tài)。

3.4 鋰電池的極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)

該鋰電系統(tǒng)的極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括模塊安裝和運(yùn)維管理。

3.4.1 模塊安裝

鋰電系統(tǒng)采用模塊并聯(lián)工作模式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的靈活配置，滿足客戶不同備電時(shí)間的需求。鋰電系統(tǒng)的模塊端口零電壓的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)安裝過程無觸電風(fēng)險(xiǎn)，保障人身安全。

鋰電系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)可以根據(jù)業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)發(fā)展的需要，在線分期擴(kuò)容，確保業(yè)務(wù)不中斷，提升資金利用率。該設(shè)計(jì)支持模塊級(jí)或機(jī)柜級(jí)擴(kuò)容，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)分鐘級(jí)的安裝，縮短工期，減少人力投入。

3.4.2 運(yùn)維管理

鋰電系統(tǒng)采用模塊化技術(shù)和電芯級(jí)的管理方式來運(yùn)維管理，無需再對(duì)整柜的電芯進(jìn)行配組，只需管理鋰電池模塊內(nèi)所有電芯的一致性，友好地支持新舊電池的混用，降低分期擴(kuò)容難度。模塊熱拔插的設(shè)計(jì)使得鋰電系統(tǒng)在維護(hù)過程中不會(huì)斷電，更是能在分鐘級(jí)內(nèi)更換故障模塊，降低電池更換風(fēng)險(xiǎn)。智能健康管理技術(shù)能夠生成鋰電系統(tǒng)電池健康報(bào)告，運(yùn)維人員不再需要手動(dòng)地對(duì)鋰電池進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)。

4 結(jié) 論

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的安全性、智能化和可維護(hù)性至關(guān)重要。與鉛酸電池相比，磷酸鐵鋰電池具有高能量密度、使用壽命長(zhǎng)、占地面積小、工作溫度范圍更寬等優(yōu)勢(shì)，因此鋰電池特別適用于數(shù)據(jù)中心機(jī)房的建設(shè)。隨著電池技術(shù)的發(fā)展和綠色環(huán)保理念逐漸深入，本文所提出的智能后備鋰電系統(tǒng)解決方案會(huì)成為未來數(shù)據(jù)中心后備電源解決方案的重要選擇之一。