CN102842936A

CN102842936A - 分布式电池供电装置及方法

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Publication number: CN102842936A
Application number: CN2012103534567A
Authority: CN
Inventors: 慈松; 李宏佳
Original assignee: Individual
Current assignee: Cloud Storage New Energy Technology Co ltd
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-09-20
Also published as: CN102842936B

Abstract

本发明涉及电力供电领域，尤其涉及一种用于为数据中心供电的分布式电池供电装置。数据中心包括多个机架、设于每个机架上的服务器；该供电装置包括设置于每个机架上的直流供电单元和电池模块；同一机架上，所述直流供电单元分别与服务器和电池模块连接，所述服务器和电池模块之间通过通信线路进行通信，所述直流供电单元为服务器供电以及为所述电池模块提供充电电源；各个电池模块之间相互连接，各个电池模块之间通过通信线路进行通信。本发明通过将储能电池组分解，以分布式方式部署到数据中心的各个机架中，与服务器共用机架，电池模块直接为服务器供电，从而有效地提高数据中心供电系统供电效率与数据中心的空间利用率。

Description

分布式电池供电装置及方法

技术领域

本发明涉及电力供电领域，尤其涉及一种用于为数据中心供电的分布式电池供电装置及方法。

背景技术

随着信息通信技术发展与需求增长，近年来，全球数据中心数量飞速增长。目前全球数据中心总量已超过370万，其中，中型数据中心（约500平米到2000平米）和大型企业级数据中心（2000平米以上）的增长速度高于平均增长率，这些数据中心主要用于大型企业，如电信、金融等行业，还包括为中小企业用户提供服务的主机托管数据中心。

伴随着数据中心的飞速发展，供电可靠性问题、能耗问题与空间问题一直伴随着其发展。数据中心运营商亟待找到解决这些问题的有效方案。

目前数据中心中保证供电可靠性主要是依靠不间断供电电源（UPS）实现，但是，这种方式存在以下问题：

1、传统UPS由于在对数据中心服务器供电需要交流市电到直流变换，直流到交流变化两步，两次变换中存在15%左右的能量损耗；

2、UPS系统的集中式方式单独占用数据中心大量空间，造成数据中心单位空间的效益下降；

3、传统UPS采用铅酸电池储能，需要人工定期维护，故障率高、维护费用高。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种分布式电池供电装置，用于解决目前数据中心中UPS系统供电效率低、占用空间大的问题。

（二）技术方案

本发明技术方案如下：

一种分布式电池供电装置，用于为数据中心供电，所述数据中心包括多个机架管理模块以及设置于每个机架管理模块上的管理模块；所述供电装置包括设置于每个机架管理模块上的直流供电单元管理模块和电池模块；同一机架管理模块上，所述直流供电单元管理模块分别与管理模块和电池模块连接，所述管理模块和电池模块之间通过通信线路管理模块进行通信，所述直流供电单元管理模块为服务器供电以及为所述电池模块提供充电电源；各个电池模块之间相互连接，各个电池模块之间通过通信线路管理模块进行通信，每个电池模块能够为任意机架上的服务器供电。

优选的，所述电池模块包括电池管理子模块和电池组，所述电池组与直流供电单元管理模块连接，所述电池管理子模块与电池组以及本机架上的服务器之间分别通过通信线路进行通信，以根据所述管理模块用电量及所述电池组容量控制对管理模块的供电及从直流供电单元管理模块获取充电。

优选的，所述电池管理子模块包括处理单元及与其相连的通信单元、测量单元和执行单元；所述测量单元分别与电池组和管理模块连接，实时测量电池组容量与管理模块用电需求并将获取的信息发送到所述处理单元；所述处理单元根据所述处理单元发送的信息，发送控制指令到所述执行单元，所述执行单元与电池组以及直流供电单元管理模块连接，控制电池的充放电；所述通信单元和服务器连接，接收或者发送信息。

优选的，所述直流供电单元管理模块包括依次连接的交直流变换器、变压器、开关、控制所述开关状态的处理器、与处理器连接的市电中断检测器，所述市电中断检测器检测市电通时，市电经所述过交直流变换器变换为直流电，由处理器控制开关从而控制所述直流电为管理模块供电或者同时为所述电池模块充电；所述市电中断检测器检测市电中断时，处理器控制开关从使电池组为管理模块供电。

优选的，所述供电装置还包括用于管理各个电池模块供电的管理模块，所述管理模块与各个电池模块之间通过通信线路进行通信。

本发明还提供了一种基于上述分布式电池供电装置的一种分布式供电方法，包括步骤：

S1：电池模块实时检测其中电池组的电池容量C_i，i∈Θ以及服务器的用电量L_i，i∈Θ，并将检测结果发送给管理模块；其中i为各个机架的编号，Θ为所有机架管理模块组成的集合；

S2：管理模块根据检测结果作如下判断，

如果C_i-L_i≥C_th，则机架i上的管理模块由本机架上的电池模块供电；其中，C_th为本机架上电池模块可放电的容量下限阈值；

如果C_i-L_i<C_th，则机架i上的管理模块由本机架上的电池模块供电量为C_i-C_th，管理模块计算所需额外供电量ΔL_i=L_i-C_i+C_th；

S3：管理模块将所有满足条件C_i-L_i<C_th的机架i记录于集合Ψ中；

S4：定义机架j，j∈(Θ-Ψ)上的电池模块除为本机架上管理模块供电外，为集合Ψ中机架上管理模块提供的电量为x_j，j∈（Θ-Ψ）；

S5：管理模块根据

x_j≥0,

控制机架j，j∈(Θ-Ψ)上的电池模块供电。

优选的，所述步骤S5具体为：

a、管理模块计算机架j，j∈(Θ-Ψ)上电池模块额外供电损失率，即

\frac{x_{j}}{C_{j} - L_{j} - C_{th}},

j∈(Θ-Ψ)；

b、管理模块定义协同优化模型，

min:

\underset{j &Element; (Θ - Ψ)}{Σ} \frac{x_{j}}{C_{j} - L_{j} - C_{th}}

s.t.

\underset{j &Element; (Θ - Ψ)}{Σ} x_{j} = \underset{i &Element; Ψ}{Σ} Δ L_{i};

x_j≥0,

&ForAll; j &Element; (Θ - Ψ)

c、管理模块求解x_j，j∈(Θ-Ψ)；

d、管理模块将所求解x_j，j∈(Θ-Ψ)反馈给各个机架j，j∈(Θ-Ψ)的电池模块；

e、电池模块根据x_j，j∈(Θ-Ψ)控制机架j，j∈(Θ-Ψ)上的电池模块供电。

优选的，所述步骤e中具体为：机架j，j∈(Θ-Ψ)上的电池模块通过电池管理子模块中的测量单元实时检测电池组中各个单体电池的容量，处理单元根据x_j与各个单体电池的容量控制电池组开关阵列，动态重组电池模块中电池组的组合方式，控制供电。

（三）有益效果

本发明通过将储能电池组分解，并以分布式方式部署到数据中心的各个机架中，与服务器共用机架，电池模块直接为服务器供电，从而有效地提高数据中心供电系统的供电效率以及数据中心的空间利用率。

附图说明

图1是本发明一种分布式电池供电装置的示意图；

图2是图1中电池模块的示意图；

图3是图1中直流供电单元的示意图；

图4是图1中管理模块分配供电的流程图；

图5是图1中管理模块协同优化各个电池模块供电方法的流程图；

图6为图2中电池组的组合方式可控开关阵列示意图。

图中，101：服务器；102：直流供电单元；103：电池模块；104：机架；105：管理模块；106：直流母线；107：通信线路；108：可控开关。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。

实施例1

如图1所示的一种分布式电池供电装置，用于为数据中心供电，数据中心包括多个机架104、设置于每个机架104上的服务器101；分布式电池供电装置包括设置于每个机架101上的直流供电单元102和电池模块103，直流供电单元102分别与服务器101和电池模块103通过直流母线106连接，当市电供电正常时，直流供电单元102将交流市电转换为直流电向服务器供电，并为电池模块103充电；当市电中断时，各个机架中电池模块103将自主判断掉电并向服务器101供电；各个电池模块103之间及与服务器101通过通信线路107进行通信，任意一个电池模块103能够向任意机架上的服务器101直流供电。

如图2所示的电池模块103：电池模块103包括电池管理子模块和电池组，电池组优选地为锂电池组，锂电池组相对于传统的铅酸电池组电压平台高，能量密度高，使用寿命长，需要的维护少。电池组与直流供电单元102连接，电池管理子模块与电池组以及本机架（104）上的服务器（101）之间分别通过通信线路（107）进行通信，以根据服务器101用电量及电池组容量控制对服务器101的供电及从直流供电单元102获取充电。电池组的电池数量、电池容量根据服务器101用电需求确定。

如图2中所示的电池管理子模块包括：处理单元及与处理单元相连的通信单元、测量单元和执行单元；测量单元分别与电池组和服务器101连接，实时测量电池组容量与服务器101用电需求并将测量结果发送到处理单元；处理单元根据测量结果发送控制指令到执行单元，执行单元与电池组以及直流供电单元连接，通过控制电池的组合方式，调整电池组的输出电量，控制电池组的充放电；通信单元通过通信线路和服务器101连接，接收或者发送信息，通信方式可以为CAN总线、RS485或者以太网。

如图3所示的直流供电单元102结合如图4所示的供电选择方法流程：第一直流供电单元接口与处理器连接，第二直流供电单元接口连接开关K2，市电通过交直流变换器（AC/DC）以及变压器与选择开关K1连接，开关K1与开关K2状态由处理器控制。市电中断检测器将市电通与断信号发送给处理器，处理器控制选择开关K1的闭合与打开及开关K2的三种状态，即与连接触点1、连接触点2以及空置。K1与K2组合实现以下功能：K1闭合且K2空置时，服务器101由市电供电；K1闭合且K2与触点1连通时，服务器101由市电供电且电池模块103充电；当K1打开且K2与触点1连通，服务器由电池模块103供电。

上述供电装置还包括用于管理各个电池模块103供电的管理模块105，管理模块105与各个电池模块103之间通过通信线路107进行通信。

如图4所示的供电选择方法流程，具体包括：

步骤1：当市电供电正常时，市电中断检测器将市电“通”信号发送给处理器，且电池模块103中处理单元根据测量单元测量的电池容量，发出控制信号给直流供电单元102，如果电池容量未满，则处理器控制K1闭合且K2与触点1连通，即直流供电单元102将交流市电转换为直流电向服务器101供电，并向电池模块103充电；如果电池容量已满，则处理器控制K1闭合且K2空置，服务器101由市电供电。

步骤2：当市电中断时，市电中断检测器将市电“断”信号发送给处理器，处理器控制开关K1打开且开关K2与触点1连通，服务器101由电池模块103供电，同时，在管理模块的协同优化下，任意一个电池模块103能够向任意机架104上的服务器101直流供电。

实施例2

如图5所示的根据上述分布式供电装置的分布式供电方法，包括步骤：

S1：电池模块测量单元实时测量电池容量C_i,

与供电负载L_i,

其中，i为各个机架的编号，Θ为数据中心中机架集合，并将所得信息发送给管理模块105。

S2：管理模块105根据检测结果作如下判断，

如果C_i-L_i≥C_th，则机架i上的服务器101由本机架上的电池模块103供电；其中，C_th为本机架上电池模块103可放电的容量下限阈值；

如果C_i-L_i<C_th，则机架i上的服务器101由本机架上的电池模块103供电量为C_i-C_th，管理模块105计算所需额外供电量ΔL_i=L_i-C_i+C_th；

S3：管理模块105将所有满足条件C_i-L_i<C_th的机架i记录于集合Ψ中；

S4：定义机架j，j∈(Θ-Ψ)上的电池模块103除为本机架上服务器101供电外，为集合Ψ中机架上服务器101提供的电量为x_j，j∈(Θ-Ψ)；

S5：管理模块105根据

x_j≥0,

控制机架j，j∈(Θ-Ψ)上的电池模块103供电。通过对电池容量和供电负载的实时管理，对各个电池模块103的供电进行分配，从而有效地提高数据中心供电系统的可靠性和供电效率。

进一步的，上述步骤S5具体为：

\frac{x_{j}}{C_{j} - L_{j} - C_{th}},

j∈Θ-Ψ；

b、管理模块105定义协同优化模型，

min:

\underset{j &Element; (Θ - Ψ)}{Σ} \frac{x_{j}}{C_{j} - L_{j} - C_{th}}

s.t.

\underset{j &Element; (Θ - Ψ)}{Σ} x_{j} = \underset{i &Element; Ψ}{Σ} Δ L_{i};

x_j≥0,

&ForAll; j &Element; (Θ - Ψ)

c、管理模块105采用动态规划方法求解x_j，j∈(Θ-Ψ)。

d、管理模块105将所求解x_j，j∈(Θ-Ψ)反馈给各个机架j，j∈(Θ-Ψ)的电池模块103；

e、管理模块105根据x_j，j∈(Θ-Ψ)，通过实时调节电池组的组合方式或者通过电流调节电路控制机架j，j∈(Θ-Ψ)上的电池模块103的供电。通过建立协同优化模型，对分布式供电方法做了进一步的优化，减少了能耗，提高了电能利用率。

所述步骤e中具体为：机架j，j∈(Θ-Ψ)上的电池模块103通过电池管理子模块中的测量单元实时检测电池组中如图6所示的各个单体电池如电池#1、电池#2等的容量，处理单元根据x_j与各个单体电池的容量控制图6中所示的电池组开关阵列中的可控开关108的开、合组合，动态重组电池模块103中电池组的组合方式，控制供电。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims

1.一种分布式电池供电装置，用于为数据中心供电，所述数据中心包括多个机架（104）以及设置于每个机架（104）上的服务器（101）；其特征在于：所述供电装置包括设置于每个机架（104）上的直流供电单元（102）和电池模块（103）；同一机架（104）上，所述直流供电单元（102）分别与服务器（101）和电池模块（103）连接，所述服务器（101）和电池模块（103）之间通过通信线路（107）进行通信，所述直流供电单元（102）为服务器（101）供电以及为所述电池模块（103）提供充电电源；各个电池模块（103）之间相互连接，各个电池模块（103）之间通过通信线路（107）进行通信，每个电池模块（103）能够为任意机架（104）上的服务器（101）供电。

2.根据权利要求1所述的分布式供电装置，其特征在于：所述电池模块（103）包括电池管理子模块和电池组，所述电池组与直流供电单元（102）连接，所述电池管理子模块与电池组以及本机架（104）上的服务器（101）之间分别通过通信线路（107）进行通信，以根据所述服务器（101）用电量及所述电池组的容量控制对服务器（101）的供电及从直流供电单元（102）获取充电。

3.根据权利要求2所述的分布式供电装置，其特征在于：所述电池管理子模块包括处理单元及与所述处理单元相连的通信单元、测量单元和执行单元；所述测量单元分别与电池组和服务器（101）连接，实时测量电池组容量与服务器（101）用电需求并将测量结果发送到所述处理单元；所述处理单元根据所述测量结果，发送控制指令到所述执行单元，所述执行单元与电池组以及直流供电单元（102）连接，控制电池组的充放电；所述通信单元和服务器（101）连接，接收或者发送信息。

4.根据权利要求3所述的分布式供电装置，其特征在于：所述直流供电单元（102）包括依次连接的交直流变换器、变压器、开关、控制所述开关状态的处理器、与处理器连接的市电中断检测器，所述市电中断检测器检测市电通时，所述交直流变换器将市电变换为直流电，由处理器控制开关从而控制所述直流电为服务器（101）供电或者同时为所述电池模块（103）充电；所述市电中断检测器检测市电中断时，处理器控制开关从而使电池组为服务器（101）供电。

5.根据权利要求4所述的分布式供电装置，其特征在于：所述供电装置还包括用于管理各个电池模块（103）供电的管理模块（105），所述管理模块（105）与各个电池模块（103）之间通过通信线路（107）进行通信。

6.一种根据权利要求5所述的分布式供电装置的分布式供电方法，包括步骤：

S1：电池模块（103）实时检测其中电池组的电池容量C_i，i∈Θ以及服务器的用电量L_i，i∈Θ，并将检测结果发送给管理模块（105）；其中i为各个机架的编号，Θ为所有机架（104）组成的集合；

S2：管理模块（105）根据检测结果作如下判断，

如果C_i-L_i≥C_th，则机架i上的服务器（101）由本机架上的电池模块（103）供电；其中，C_th为本机架上电池模块（103）可放电的容量下限阈值；

如果C_i-L_i<C_th，则机架i上的服务器（101）由本机架上的电池模块（103）供电量为C_i-C_th，管理模块（105）计算所需额外供电量ΔL_i=L_i-C_i+C_th；

S3：管理模块（105）将所有满足条件C_i-L_i<C_th的机架i记录于集合Ψ中；

S4：定义机架j，j∈(Θ-Ψ)上的电池模块（103）除为本机架上服务器（101）供电外，为集合Ψ中的机架上的服务器（101）提供的电量为x_j，j∈（Θ-Ψ）；

S5：管理模块（105）根据

x_j≥0,控制机架j，j∈(Θ-Ψ)上的电池模块（103）供电。

7.根据权利要求6所述的分布式优化供电方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：

a、管理模块（105）计算机架j，j∈(Θ-Ψ)上电池模块（103）额外供电损失率，即

j∈Θ-Ψ；

b、管理模块（105）定义协同优化模型，

min:

\underset{j &Element; (Θ - Ψ)}{Σ} \frac{x_{j}}{C_{j} - L_{j} - C_{th}}

s.t.

\underset{j &Element; (Θ - Ψ)}{Σ} x_{j} = \underset{i &Element; Ψ}{Σ} Δ L_{i},;

x_j≥0,

&ForAll; j &Element; (Θ - Ψ)

c、管理模块（105）求解x_j，j∈(Θ-Ψ)；

d、管理模块（105）将所求解x_j，j∈(Θ-Ψ)反馈给各个机架j，j∈(Θ-Ψ)的电池模块（103）；

e、电池模块（103）根据x_j，j∈(Θ-Ψ)控制机架j，j∈(Θ-Ψ)上的电池模块（103）供电。

8.根据权利要求7所述的分布式优化供电方法，其特征在于，所述步骤e中具体为：机架j，j∈(Θ-Ψ)上的电池模块（103）通过电池管理子模块中的测量单元实时检测电池组中各个单体电池的容量，处理单元根据x_j与各个单体电池的容量控制电池组开关阵列，动态重组电池模块（103）中电池组的组合方式，控制供电。