CN103155350A

CN103155350A - 备用电源系统和方法

Info

Publication number: CN103155350A
Application number: CN2010800698051A
Authority: CN
Inventors: D.P.莫尔; D.汉弗莱; Z.J.格尔博兹
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2030-10-26
Also published as: CN103155350B; WO2012057729A1; GB201300339D0; GB2498103A; DE112010005914T5; GB2498103B; US20130099756A1

Abstract

本发明公开了备用电源系统和方法。一种示例性方法包括提供至少一个电池模块，所述电池模块具有带有至少一个电池参数的第一寄存器。该方法还包括在所述至少一个电池模块和电负载之间耦合智能接口转换器（IIC），所述IIC具有带有至少一个电池参数的第二寄存器。该方法还包括将所述至少一个电池参数传送给用户用于报告和管理操作。

Description

备用电源系统和方法

背景技术

备用电源或不间断电源（UPS）设备通常可用于计算机系统和其中不间断功率被要求（例如在功率故障期间继续提供功率）的其他电子设备。UPS设备用来自UPS设备中的电池（或多个电池）的电功率来替换或补充来自公用事业公司的电功率。电池能够提供功率至少达有限的时间，直到来自公用事业供应商的电功率可以被恢复。一旦电功率被恢复，则该电功率用于对UPS设备中的电池进行再充电，使得在下次有功率故障时电池被充满电。

UPS设备通常用于大的数据中心。然而，UPS设备是不可缩放来适应不断增加的功率要求的。数据中心功率要求的改变常常转化成用于增加UPS设备的资金的重大投资。相反，针对数据中心的总期待功率需求而对UPS设备典型地设计尺寸。但是，该途径增加用于可以适应离被购买仍然可能有很多年的数据中心装备的UPS设备的初始资金花费。此外，过大的UPS设备可能不高效地进行操作，直到将数据中心增到全容量，由此在早期强加不必要的操作费用。过大的UPS设备还消耗在数据中心处的“不动产”，其之后不能被用于其他目的。

附图说明

图1是如其可以在托架系统中被实现的示例备用功率系统的平面图。

图2a是用于备用功率系统的功率图的示例。图2b是用于备用功率系统的通信图的示例。

图3是示出其可以被实现以用于控制备用功率系统的示例操作的流程图。

图4a-b是示出智能接口转换器（IIC）的示例操作的流程图。

图5a-b是示出接口和管理（IM）的示例操作的流程图。

具体实施方式

公开了备用电源系统和方法。在一个实施例中，备用电源系统是模块化的并且因而随着数据中心被填充有电子设备，该备用电源系统可以随着时间被在线购买和出售（bring），由此减少预付的资金花费。此外，备用电源系统可以被设计尺寸成更接近于负载，为产品的寿命增加操作效率。备用电源系统的分布式性质还腾出数据中心中的“不动产”用于更多的电子设备。

在本文中公开的备用电源系统的实施例还实现定制化。也就是说，传统的UPS系统不根据负载在设备之间进行区分。也就是说，当功率故障时，UPS系统向连接到该UPS系统的任何设备提供备用功率。这甚至包括最不重要的电子设备，并且为了保证在功率故障期间电子设备中的全部都被提供有充足的备用功率，因而可能导致UPS系统过大。当然，电子设备中的一些（例如，一些显示设备和备用系统）不需要在功率故障期间被操作，并且因此不需要被提供有来自UPS系统的功率。在本文中公开的备用电源系统为不同的电子设备实现定制的贯穿时间和功率水平的跨度（ride）。可以允许较不重要的电子设备在功率故障期间断电，使得备用电源系统仅必须向更重要的电子设备提供功率。

在本文中公开的备用电源系统的实施例还包括更高的效率。也就是说，传统的UPS系统也进行操作来提供AC功率。从DC向AC的功率转换导致损失，其通过为UPS系统提供附加的能量储存而被补偿。此外，以AC进行操作引入谐波、功率因数、峰值电流和可能掠夺备用容量的系统其他问题。在本文中公开的备用电源系统实现DC母线（rail）。这会除去针对AC到DC转换损失的所需能量储存的10%到20%。因此，在本文中公开的备用电源系统更加高效地进行操作。示例待机效率可以超过99.75%，备用或放电效率可以超过95%，以及充电效率可以超过97%。

备用电源系统也使用更小、更廉价的部件，这减少成本并增加余裕。此外，如果一个部件（例如，电池模块）的故障发生，则仅失去所选择的区域，并且对于数据中心处的操作容量的全部损失而言有更少的机会（如与中央UPS设备相反的）。也更廉价来保证备用电源系统，因为可替换部分（例如，电池模块）仅是整个解决方案的一小部分。

图1是如其可以在托架系统中被实现的示例备用功率系统100的平面图。该备用功率系统100在本文中还可以被称为不间断电源（UPS）设备，虽然该备用功率系统100（甚至当被称为UPS设备时）因为一些原因而不同于传统的UPS设备，这些原因根据以下各种实施例的描述而变得显而易见。

该UPS设备100可以包括初级单元110，其容纳辅助功率源，诸如电池或电池模块120a-d。虽然在图1中示出四个电池模块120a-d，但是需要注意的是，可以提供任何数量的电池模块。此外，每一个电池模块120a-d可以包括一个或多个电池组。

初级单元110还可以包括多个智能接口转换器（IIC）130a-d。在一个实施例中，为每一个对应的电池模块120a-d提供一个IIC130a-d，虽然在其他实施例中不需要1︰1相关。例如，在另一个实施例中，可以为相同类型的两个或更多电池模块提供单个IIC。该IIC130a-d各自连接到互连和管理（IM）板140。该IM140将电池模块与功率系统对接，如参考图2a-b在以下所描述的那样。

备用功率系统100可以用于对单个IT外壳、IT外壳的一个托架或IT外壳的多个托架进行供电。在一个示例中，每一个初级单元110被设计尺寸以适合在托架环境内，并且多个分布式的初级单元（未示出）可以被提供在单个IT外壳中（针对IT外壳的整个托架），或者被提供在IT外壳的单独托架中。在图1中示出的示例中，初级单元110被设计尺寸成1U高。然而，还设想针对初级单元110的尺寸的其他实施例，并且该备用电源系统100不限于任何特定尺寸。设计尺寸可以根据各种设计考虑，诸如正在被使用的电池模块的尺寸、所需的备用功率、和/或备用电源系统的整个尺寸（仅列举设计考虑中的几个示例）。

图2a是用于备用电源系统（例如，图1中示出的100）的功率图200的示例。如以上所提到的，备用电源系统包括一个或多个IIC210和一个或多个IM220。（一个或多个）电池模块230与IIC210对接，并且该IIC210将电池模块230对接到负载240。

在一个实施例中，在IIC210和电池模块230之间提供公用接口。该公用接口能够实现各种不同电池技术（例如，不同单元（cell）化学组成）以及任何数量的单元的使用。该IIC210还通过功率接口连接到公用DC母线242。该DC母线242还可以经由AC/DC转换器（诸如从公用事业公司提供AC电功率的壁装插座）被连接到初级电功率源。该DC母线242用来向负载240提供稳定的功率源，除了将备用电源系统与AC功率源电隔离（使备用电源系统“离网”）以外，还提供诸如已经在以上讨论了的那些那样的优势。

需要注意的是，可以为不同的电压水平（例如，不同的DC母线）提供不同的IIC。在一个示例中，可以提供两个单独的但高杠杆作用的IIC。第一IIC被提供用于与低电压（例如，12V）母线对接，而第二IIC被提供用于与高电压母线对接。

该DC母线242被电连接到备用电源系统的初级单元并且还可以包括一个或多个连接，该一个或多个连接用于将各种电子设备（负载240）中的任一个电连接到由备用电源系统供给的功率。该DC母线242也经由AC/DC转换器244提供到初级电功率源（例如，公用事业供应商）的连接。

在操作期间，电流在IIC和电池模块之间沿两个方向流动。当电流从电池模块流过时，备用电源系统处在放电模式中。当电流从IIC流到电池时，备用电源系统处在充电模式中。在放电模式期间，备用电源系统向功率源和负载之间的公用DC功率节点提供功率。在充电模式（或在线模式）期间，备用电源系统从公用DC节点获取功率来对电池模块进行充电。该公用DC节点可以被实现为其中全部功率是到特定负载的节点。

因此，例如，通过在“穿过（pass-through）”模式中进行操作，从初级功率源向一个或多个电子设备（负载240）提供电功率。如果初级功率源被破坏（例如，在功率故障期间）或被退降（degraded），则备用电源系统可以开始上线来从辅助功率源（例如，电池模块230）向负载240中的一个或多个电子设备提供电功率。

在继续之前，需要注意的是，备用电源系统可以与各种计算系统或其他电子设备中的任一个一起使用，并且不限于在托架环境中使用。例如，备用电源系统还可以与独立的个人桌上型或膝上型计算机（PC）、工作站、消费电子（CE）设备或家电（仅列举几个示例）一起利用。

除了当初级功率源不可用时（例如，在功率中断期间）提供备用功率源以外，备用电源系统还提供用于报告和管理的通信。

图2b是用于备用功率系统的通信图250的示例。可以在电池模块230和IIC210之间以及在IIC210和IM220之间提供公用接口。该管理器260用作备用电源系统的接口并且使备用电源系统的多个1U底盘能并联地使用。该管理器260也与该数据中心管理（例如，经由软件）通信任何监控、警报和其他消息。

在一个实施例中，该管理器260可以显示或以其他方式生成针对用户的输出（并且也可以接收来自用户的输入）。出于说明的目的，可以提供用户接口，其包括发光二极管（LED）状态指示器。该状态指示器可以被点亮来指示是由初级功率源还是由辅助源（或它们的组合）供给功率，或者来指示性能问题等。

当然，该用户接口不限于LED状态指示器，并且可以包括各种输入/输出（I/O）中的任一个。用户接口也可以用于各种输入和/或输出中的任一个。其他示例包括，但不限于，复位功能、测试特征、通电/断电等。

在任何情况下，可以在备用电源系统的初级单元的部件（例如，IM220、IIC210和电池模块230）和用户之间经由管理器260通过信号有线或无线通信来中继该输入/输出。

该通信电路可以包括操作性地与计算机可读储存器或存储器相关联的处理器（或处理单元）。在操作期间，计算机可读程序代码（例如，固件和/或软件）可以被存储在存储器中并由处理器执行来实现由备用电源系统提供的能力中的一个或多个。

该程序代码还可以与一个或多个感测模块或监控器通信地耦合。在一个示例性的实施例中，感测模块可以监控各种不同的电池参数中的任一个。示例电池参数可以被写入到与电池模块230和/或IIC210相关联地存储的寄存器和/或从其读取。电池参数的示例被总结在表1（其是电池模块寄存器的示例）和表格2（其是IIC寄存器的示例）中。

表1

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表2

。

电池注册可以通过电池模块230和IIC210来实现，以能够实现不同电池技术和单元计数的使用。在图4a-b中示出针对用于利用接口的转换器系统的示例流程图。该IIC210使用寄存器和类似于流程图的逻辑来对特定电池组化学组成和单元计数定制其操作。在电池模块230和IIC210之间的接口能够实现一组公用的要被协调的特性，使得各种不同电池化学组成或单元数量中的任一个可以与该IIC210一起使用。IIC寄存器设置使IIC210能够与功率系统适当地对接。

电池注册和电池模块的模块性也可以使备用电源能够继续向其他区域中的电子设备（即，靠备用电源的一组电子设备）提供功率，即使一个区域由于多个电池模块中的一个的故障而失去。在一个示例中，电池注册可以使用户能够配置备用电源，使得一个（或一组）电池模块向被标识的区域提供功率。因此，当一个（或一组）电池模块失去时，仅由该电池模块供电的区域在功率中断期间损失功率。

通过公用IIC和电池接口实现的功能中的一些包括，但不限于：正确充电、组监控、温度报告、对可用容量设计尺寸、控制的放电请求、保证组兼容性、适当放电以及协助电池组健康确定。

在一个实施例中，有两个用于电池模块的一般输出。第一个是早期停止放电警告。当电池模块几乎已经放电了其整个容量时，该信号变成低。第二个信号是最终停止放电警告并且指示放电必须停止。这些信号是对于IIC210的中断输入。

可以通过管理器260使用IIC寄存器来实现的一些示例高水平功能包括，但不限于：风扇控制、控制的放电对接、充电功率预算、监控和报告、放电功率预算以及系统对接。

注册的实现还使用户能够用（一个或多个）定制的功率配置来配置备用电源系统。示例性功率配置可以例如通过为不同的电子设备设置不同的输出功率水平来提供更长的贯穿时间的跨度。在一个示例中，在功率中断期间（当电池模块正在提供功率时），仅高优先权电子设备（如由用户所配置的）可以被提供功率，而在功率故障期间，可以允许较不重要电子设备断电或休眠（例如，风扇速度可以被降低）。例如，可以允许补充的冷却风扇和备用设备断电，使得可以为关键设备（例如，高优先权服务器）将贯穿时间（在中断期间提供功率的时间）的跨度延伸到超过典型的UPS在中断期间可以提供的贯穿时间的跨度。从电池模块提供功率仅达预定的输出水平。

需要注意的是，在表1和2中的注册仅仅是可以实现备用电源系统的各种功能的注册和条目的示例，并且不意图进行限制。注册不限于任何特定格式或内容。也可以使用程序代码和在本文中描述的注册来将其他功能与其他注册和/或注册条目（未示出）一起实现，以提供各种不同的功能和可操作性。

图3是图示其可以被实现以用于控制备用电源系统的示例性操作300的流程图。操作300可以作为逻辑指令（例如，固件）被嵌入到UPS设备的远程单元中的一个或多个计算机可读介质上。当在UPS设备的远程单元中的处理器上执行时，该逻辑指令导致通用计算设备将被编程为实现所描述的操作的专用机器。操作也可以被实现在硬件中（例如，设备逻辑），或硬件和固件的组合。在一个示例性的实施方式中，在图中描绘的部件和连接可以用于所描述的操作。

在操作310中，提供至少一个电池模块，该电池模块具有带有至少一个电池参数的第一寄存器。在操作320中，在至少一个电池模块和电负载之间耦合智能接口转换器（IIC）。该IIC具有带有至少一个电池参数的第二寄存器。在操作330中，至少一个电池参数被传送到用户用于报告和管理操作。

为了说明并不意图进行限制，报告和管理操作可以包括正确充电、组监控、温度报告、对可用容量设计尺寸、控制的放电请求、保证组兼容性、适当放电、协助电池组健康确定、风扇控制、控制的放电对接、充电功率预算、监控和报告、放电功率预算以及系统对接。

在本文中描述和示出的操作被提供用于说明控制备用电源系统的示例性实施方式。需要注意的是，操作不限于示出的排序。例如，操作可以被排序成一个在另一个之前或者与另一个同时被执行。

未示出的其他操作仍然也可以被实现。例如，操作还可以包括基于在第一寄存器中的电池参数将IIC与电池模块对接。操作还可以包括基于在第一和第二寄存器中的电池参数控制针对电负载的一个或多个功能。

图4a-b是示出IIC的示例操作的流程图。在本示例中，IIC接入电池模块寄存器来保证针对备用电源系统中的不同电池模块的兼容性。在图4a中，在400处IIC读取电池模块寄存器并检查各种不同的操作参数405。如果有任何错误，在410处报告这些错误。否则，在420处操作继续来检查各种操作条件425。如果在操作参数中有任何错误，在410处报告这些错误。否则，在430处操作继续，其在图4b中被更详细地示出。在图4b中，在440处IIC读取监控寄存器和在445处IIC读取温度寄存器。IIC通过由操作性的块450一般地说明的操作确定充电/放电状态，以及电池健康。

图5a-b是示出IM的示例操作的流程图。在该示例中，IM接入在电池模块和IIC处的寄存器来提供公用方法以保证备用电源系统的正确的功能。在图5a中，在500处IM读取IIC寄存器和/或电池模块寄存器并在510处确定电池模块是否有效。在515处报告（一个或多个）错误。在该示例中，如果没有错误，则针对操作温度设置风扇速度（520）并且设置默认电需求寄存器（525）。如由图5b更详细地说明的，在530处操作然后继续。在图5b中，IM读取寄存器540并在550处确定是否已经有温度改变。如果有温度改变，那些可以通过在555处设置风扇速度来解决。在任何情况中，可以在560处检查充电分配并在565处设置充电分配。类似地，可以在570处检查功率需求并在575处设置功率需求。

需要注意的是，在图4a-b和5a-b中的流程图仅仅是备用电源系统的各种功能的示例并不意图进行限制。也可以用其他操作（未示出）并使用该程序代码和在本文中描述的寄存器来实现其他功能以提供各种不同的功能和可操作性。

所示出和所描述的示例性实施例被提供用于说明的目的而并不意图进行限制。也仍然设想备用电源系统和方法的其他实施例。

Claims

1.一种备用电源系统，包括：

电池模块，具有带有至少一个电池参数的第一寄存器；

智能接口转换器（IIC），通信地耦合到所述电池模块，所述IIC具有带有至少一个电池参数的第二寄存器；以及

其中所述IIC经由互连和管理（IM）连接到电负载，所述IM基于第一和第二寄存器中的至少一个电池参数来传送报告和管理参数，其中当所述备用电源系统正在提供功率时所述寄存器提供定制的功率配置。

2.权利要求1的备用电源系统，其中定制的功率配置仅为高优先权电子设备提供来自电池模块的功率，并且其中低优先权电子设备断电。

3.权利要求1或2的备用电源系统，其中定制的功率配置提供来自电池模块的功率仅达预定的输出水平。

4.权利要求1、2或3的备用电源系统，其中定制的功率配置提供来自电池模块的功率以延长贯穿时间的跨度。

5.权利要求1、2、3或4的备用电源系统，还包括在IIC和电池模块之间的公用接口，该公用接口用于与相同的IIC交换具有不同单元化学组成和单元数量的电池模块。

6.权利要求1、2、3、4或5的备用电源系统，其中所述IIC通过IM连接到DC母线，使得所述电池模块离网，所述DC母线包括低压母线或高压母线。

7.权利要求1、2、3、4、5或6的备用电源系统，其中所述电池模块被设计尺寸来适合在1U托架底盘中并且与托架系统中的其它电池模块并联地电连接。

8.权利要求1、2、3、4、5、6或7的备用电源系统，其中针对所述IIC指示至少两个中断，其中所述至少两个中断之一是早期停止放电警告，以及其中所述至少两个中断之一是最终停止放电警告。

9.权利要求1、2、3、4、5、6、7或8的备用电源系统，其中所述IIC接收来自所述第一寄存器的电池参数来与所述电池模块对接。

10.权利要求9的备用电源系统，其中与所述电池模块对接包括以下中的至少一个：充电、电池健康监控、温度报告、控制的放电、电池兼容性、设计尺寸。

11.权利要求1、2、3、4、5、6、7或8的备用电源系统，其中所述IM接收来自所述第一和第二寄存器的电池参数来控制针对电负载的一个或多个功能。

12.权利要求11的备用电源系统，其中针对电负载的一个或多个功能是以下中的至少一个：风扇控制、控制的放电、预算充电功率、预算放电功率、监控和报告以及系统对接。

13.一种备用电源，包括：

至少一个电池模块，具有带有至少一个电池参数的第一寄存器；

智能接口转换器（IIC），通信地耦合在所述至少一个电池模块和电负载之间，所述IIC具有带有至少一个电池参数的第二寄存器；以及

其中所述至少一个电池参数被传送给用户用于报告和管理操作，其中当所述备用电源系统正在提供功率时所述寄存器提供定制的功率配置。

14.权利要求13的备用电源系统，其中相同IIC被配置成与至少一个或多个电池模块耦合以用于可扩展性。

15.权利要求13或14的备用电源系统，还包括在IIC和电池模块之间的公用接口，该公用接口用于与相同的IIC交换具有不同单元化学组成和单元数量的电池模块。

16.权利要求13、14或15的备用电源系统，其中所述IIC接收来自所述第一寄存器的电池参数来与所述电池模块对接。

17.权利要求13、14、15或16的备用电源系统，还包括互连和管理（IM），其被配置成基于第一和第二寄存器中的电池参数来控制针对电负载的一个或多个功能。

18.一种控制备用电源的方法，包括：

提供至少一个电池模块，所述电池模块具有带有至少一个电池参数的第一寄存器；

在所述至少一个电池模块和电负载之间耦合智能接口转换器（IIC），所述IIC具有带有至少一个电池参数的第二寄存器；以及

将所述至少一个电池参数传送给用户用于报告和管理操作，其中当所述备用电源系统正在提供功率时所述寄存器提供定制的功率配置。

19.权利要求18的方法，还包括基于第一寄存器中的电池参数来将IIC与电池模块对接，并且基于第一和第二寄存器中的电池参数来控制针对电负载的一个或多个功能。

20.权利要求18或19的方法，还包括继续向其它区域中的电子设备提供功率，即使一个区域由于多个电池模块中的一个的故障而失去。