CN112114645A - 一种统一存储设备及其电池备份单元 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种统一存储设备及其电池备份单元，该电池备份单元包括：电池包模块，电池包模块中串联的电芯数量不小于六串；连接在电源模块与电池包模块之间的升压充电模块，用于在电池包模块处于充电状态时，将电源模块的输出电能升压后输出至电池包模块；与电池包模块的输出端连接的降压电路模块，用于在电池包模块处于放电状态时，将电池包模块的输出电压降压后，输出供后接负载电路使用的供电电压；与电池包模块连接的电池均衡控制模块，用于对电芯进行电压均衡保护。本申请采用了由较多数量的电芯构成的电池包模块，提高了电池备份单元的储备电量，并有效实现了电压均衡保护，提高了电池使用寿命。

Description

一种统一存储设备及其电池备份单元

技术领域

本申请涉及存储技术领域，特别涉及一种统一存储设备及其电池备份单元。

背景技术

在存储服务器上，数据的存储显得越来越重要。由于对于大容量存储服务器来说，其上所运行的业务是不停运转的，更加不能丢失数据，因此，在目前存储服务器的设计中，多数会采用BBU(Battery Backup Unit，电池备份单元)进行备电。并且，随着CPU功耗以及整机系统功耗越来越高，对BBU的放电能力要求要来要高。而目前的存储服务器中，BBU中的电池包模块中电芯数量较少、电量有限。在目前电芯材料无法实现突破的情况下，传统的BBU电量已无法满足高功耗的存储服务器的备电需求。

鉴于此，提供一种解决上述技术问题的方案，已经是本领域技术人员所亟需关注的。

发明内容

本申请的目的在于提供一种统一存储设备及其电池备份单元，以便有效提高电池备份单元的储备电量和电芯安全，满足高功耗存储服务器的备电需求。

为解决上述技术问题，第一方面，本申请公开了一种统一存储设备中的电池备份单元，包括：

电池包模块，所述电池包模块中串联的电芯数量不小于六串；

连接在电源模块与所述电池包模块之间的升压充电模块，用于在所述电池包模块处于充电状态时，将所述电源模块的输出电能升压后输出至所述电池包模块；

与所述电池包模块的输出端连接的降压电路模块，用于在所述电池包模块处于放电状态时，将所述电池包模块的输出电压降压后，输出供后接负载电路使用的供电电压；

与所述电池包模块连接的电池均衡控制模块，用于对电芯进行电压均衡保护。

可选地，还包括：

与所述降压电路模块的输出端连接的第一热插拔和防倒灌电路。

可选地，所述电源模块的输出端连接有第二热插拔和防倒灌电路。

可选地，所述电源模块的输出电压为12V，单串电芯的标准电压为4.2V。

可选地，所述电池包模块中以预设数量相邻的电芯为一个电芯组，所述电池均衡控制模块包括MCU以及若干个分别并联在各电芯组两端的均衡单元；每个均衡单元均包括第一电阻、第一电感、NMOS管、PMOS管和稳压二极管；

在每个均衡单元中，所述PMOS管的源极与对应电芯组的正极连接，栅极与所述NMOS管的漏极连接；所述NMOS管的源极接地，栅极与所述MCU连接；所述第一电阻并联在所述PMOS管的源极与漏极之间；所述第一电感并联在所述PMOS管的漏极与对应电芯组的负极之间；所述稳压二极管的阴极与所述PMOS管的漏极连接，阳极接地。

第二方面，本申请还公开了一种统一存储设备，其特征在于，包括如上所述的任一种电池备份单元。

本申请所提供的统一存储设备中的电池备份单元包括：电池包模块，所述电池包模块中串联的电芯数量不小于六串；连接在电源模块与所述电池包模块之间的升压充电模块，用于在所述电池包模块处于充电状态时，将所述电源模块的输出电能升压后输出至所述电池包模块；与所述电池包模块的输出端连接的降压电路模块，用于在所述电池包模块处于放电状态时，将所述电池包模块的输出电压降压后，输出供后接负载电路使用的供电电压；与所述电池包模块连接的电池均衡控制模块，用于对电芯进行电压均衡保护。

本申请所提供的统一存储设备及其电池备份单元所具有的有益效果是：本申请采用了由较多数量的电芯构成的电池包模块，因此不仅有效地提高了电池备份单元的储备电量，改善了在高功耗存储服务器应用场合中的适用性，并且还相对应地设计有与电池包模块连接的电池均衡控制模块，有效实现了电压均衡保护，提高了电池使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。

图1为本申请实施例公开的一种统一存储设备中的电池备份单元的结构框图；

图2为本申请实施例公开的第一热插拔和防倒灌电路的电路示意图；

图3为本申请实施例公开的第二热插拔和防倒灌电路的电路示意图；

图4为本申请实施例公开的一种升压充电模块的电路示意图；

图5为本申请实施例公开的一种降压电路模块的电路示意图；

图6为本申请实施例公开的一种电池均衡控制模块的电路示意图。

具体实施方式

本申请的核心在于提供一种统一存储设备及其电池备份单元，以便有效提高电池备份单元的储备电量和电芯安全，满足高功耗存储服务器的备电需求。

为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在存储服务器上，数据的存储显得越来越重要。由于对于大容量存储服务器来说，其上所运行的业务是不停运转的，更加不能丢失数据，因此，在目前存储服务器的设计中，多数会采用BBU(Battery Backup Unit，电池备份单元)进行备电。并且，随着CPU功耗以及整机系统功耗越来越高，对BBU的放电能力要求要来要高。而目前的存储服务器中，BBU中的电池包模块中电芯数量较少、电量有限。在目前电芯材料无法实现突破的情况下，传统的BBU电量已无法满足高功耗的存储服务器的备电需求。鉴于此，本申请提供了一种统一存储设备中的电池备份单元，可有效解决上述问题。

参见图1所示，本申请实施例公开了一种统一存储设备中的电池备份单元，主要包括：

电池包模块103，电池包模块103中串联的电芯数量不小于六串；

连接在电源模块101与电池包模块103之间的升压充电模块102，用于在电池包模块103处于充电状态时，将电源模块101的输出电能升压后输出至电池包模块103；

与电池包模块103的输出端连接的降压电路模块104，用于在电池包模块103处于放电状态时，将电池包模块103的输出电压降压后，输出供后接负载电路使用的供电电压；

与电池包模块103连接的电池均衡控制模块105，用于对电芯进行电压均衡保护。

具体地，首先需要指出的是，本申请所提供的统一存储设备中的电池备份单元中，电池包模块103中的电芯数量相较于传统设计中的电芯数量较大，具体不小于六串，以便有效提高电量储备，适用于存储服务器的高功耗发展趋势。

相适应地，随着电芯数量的增加，多串电芯串联构成的电池包模块103的两端电压也相应增加，如此便与存储服务器中的电源模块101的输出电压、以及存储服务器主电路板所需的供电电压不匹配。为此，本申请还相应地设计了连接在电源模块101与电池包模块103之间的升压充电模块102，以及连接在电池包模块103与后接负载电路(统一存储设备主电路板上的需要供电的元器件)之间的降压电路模块104。

一般地，电源模块101的输出电压为12V，单串电芯的标准电压为4.2V。如此，本申请中的电池包模块103的标准电压将在25.2V以上。本领域技术人员可根据两个电压间的大小关系设计具有对应升压能力的升压充电电路。降压电路模块104也同样类似。

其中，电源模块101(Power Supply Unit，PSU)一般是利用市电220V的交流电经交直变换后输出12V的直流电为统一存储设备供电，因此也可作为为电池备份单元充电的电源。在为电池备份单元充电时，升压充电模块102进行升压处理，可满足多串电芯的充电电压需求。在市电故障等情况下，当需要利用电池备份单元为统一存储设备供电时，降压电路模块104将电池备份单元的输出电压进行降压，以满足后端系统的供电电压需求。

还需强调的是，由于本申请实施例中的电池包模块103中包含有较多电芯，因此，为提高电芯的平均使用寿命，本申请实施例所提供的备用电池单元还为电池包模块103设置有电池均衡控制模块105，用于保障各个电芯的电压均衡。

本申请实施例所提供的统一存储设备中的电池备份单元包括：电池包模块103，电池包模块103中串联的电芯数量不小于六串；连接在电源模块101与电池包模块103之间的升压充电模块102，用于在电池包模块103处于充电状态时，将电源模块101的输出电能升压后输出至电池包模块103；与电池包模块103的输出端连接的降压电路模块104，用于在电池包模块103处于放电状态时，将电池包模块103的输出电压降压后，输出供后接负载电路使用的供电电压；与电池包模块103连接的电池均衡控制模块105，用于对电芯进行电压均衡保护。

可见，本申请所提供的电池备份单元，采用了由较多数量的电芯构成的电池包模块103，因此不仅有效地提高了电池备份单元的储备电量，改善了在高功耗存储服务器应用场合中的适用性，并且还相对应地设计有与电池包模块103连接的电池均衡控制模块105，有效实现了电压均衡保护，提高了电池使用寿命。

作为一种具体实施例，本申请实施例所提供的统一存储设备中的电池备份单元在上述内容的基础上，还包括与降压电路模块104的输出端连接的第一热插拔和防倒灌电路，以便对电池备份单元提供热插拔服务支持和防倒灌保护。

进一步地，作为一种具体实施例，电源模块101的输出端还连接有第二热插拔和防倒灌电路，以便对电源模块101提供热插拔服务支持和防倒灌保护，防止电池备份单元供电时倒灌回电源模块101。

作为一种具体实施例，第一热插拔和防倒灌电路和第二热插拔和防倒灌电路可均基于TPS24741实现，采用同样的电路结构。参见图2和图3，图2为本申请实施例公开的第一热插拔和防倒灌电路的电路示意图；图3为本申请实施例公开的第二热插拔和防倒灌电路的电路示意图。

在图2和图3中，输入使用稳压二极管D1、D2以避免插拔时的电压冲击。R5和R11为精密电阻，通过精密电阻上的电压差经过内部运放，输出一个IMONBUF的电压，可以将此电压给BMC(Baseboard Management Controller，基板管理控制器)以确定流经的电流，进而判断系统的供电功耗P12V_SYS。R5和R11的选择要满足通流的需求，可多电阻并联。热插拔MOS管Q1、Q3和防倒灌MOS管Q2、Q4，均可根据实际电流需求选择，也可以选择多并联以满足系统需求。

作为一种具体实施例，升压充电模块102可基于TPS43060实现。参见图4，图4为本申请实施例公开的一种升压充电模块102的电路示意图。其中，R21为精密电阻，选择的时候须考虑充电电流的设定。功率器件L1、Q6和Q7须满足充电电流的设定，同时Q6和Q7可具体选择VDS电压为40V以上的。R26和R27为电压设定电阻，可以通过调整电阻，适配电池包模块103采用的6串电芯或者8串电芯的电压。

作为一种具体实施例，降压电路模块104可基于LM5143-Q1实现。参见图5，图5为本申请实施例公开的一种降压电路模块104的电路示意图。所选用的LM5143-Q1芯片可以双路输出，也可以将双路合并为一路，以满足大电流的设计需求，将电池包模块103的输出电压(图5中的VIN)降到12V(记为P12V_BBU，即图5中的Vout)。

作为一种具体实施例，对于电池均衡控制模块105，可参见图6，图6为本申请实施例公开的一种电池均衡控制模块105的电路示意图。

具体地，在电池包模块103中以预设数量相邻的电芯为一个电芯组；电池均衡控制模块105包括MCU以及若干个分别并联在各电芯组两端的均衡单元；每个均衡单元均包括第一电阻、第一电感、NMOS管、PMOS管和稳压二极管。

在每个均衡单元中，PMOS管的源极与对应电芯组的正极连接，栅极与NMOS管的漏极连接；NMOS管的源极接地，栅极与MCU连接；第一电阻并联在PMOS管的源极与漏极之间；第一电感并联在PMOS管的漏极与对应电芯组的负极之间；稳压二极管的阴极与PMOS管的漏极连接，阳极接地。

具体地，通过MCU可监测每个电芯组的电压。当出现电压不均衡时，MCU通过控制对应NMOS管和PMOS管的开启来关闭高电压的电芯组的充电回路，对低电压的电芯组进行充电，直至充至与高电压电芯组的电压相同时再关闭NMOS管和PMOS管，从而达到各组电芯电压均衡的效果。

例如，图6共示出了8串电芯，并且以每2个相邻的电芯为一个电芯组。具体地，图6中，D4、D5、D6、D7分别为各个电芯组的稳压二极管；R33、R32、R31、R30分别为各个电芯组的第一电阻；PM1、PM2、PM3、PM4分别为各个电芯组的PMOS管；NM1、NM2、NM3、NM4分别为各个电芯组的NMOS管；L2、L3、L4、L5分别为各个电芯组的第一电感。

例如，当电芯cell1、cell2所在的电芯组的电压较高时，MCU可向NM1的栅极输出高电平，令NM1导通，进而NM1的漏极被接地，使PM1也导通，由此，电芯cell1、cell2被L2短接，不再进行充电。当MCU向NM1的栅极输出低电平，令NM1和PM1关断后，电芯cell1、cell2重新开始充电。

进一步地，本申请还公开了一种统一存储设备，包括如上的任一种电池备份单元。

关于上述统一存储设备的具体内容，可参考前述关于统一存储设备中的电池备份单元的详细介绍，这里就不再赘述。

本申请中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请的保护范围内。

Claims (6)

1.一种统一存储设备中的电池备份单元，其特征在于，包括：

电池包模块，所述电池包模块中串联的电芯数量不小于六串；

连接在电源模块与所述电池包模块之间的升压充电模块，用于在所述电池包模块处于充电状态时，将所述电源模块的输出电能升压后输出至所述电池包模块；

与所述电池包模块的输出端连接的降压电路模块，用于在所述电池包模块处于放电状态时，将所述电池包模块的输出电压降压后，输出供后接负载电路使用的供电电压；

与所述电池包模块连接的电池均衡控制模块，用于对电芯进行电压均衡保护。

2.根据权利要求1所述的电池备份单元，其特征在于，还包括：

与所述降压电路模块的输出端连接的第一热插拔和防倒灌电路。

3.根据权利要求2所述的电池备份单元，其特征在于，所述电源模块的输出端连接有第二热插拔和防倒灌电路。

4.根据权利要求3所述的电池备份单元，其特征在于，所述电源模块的输出电压为12V，单串电芯的标准电压为4.2V。

5.根据权利要求1至4任一项所述的电池备份单元，其特征在于，所述电池包模块中以预设数量相邻的电芯为一个电芯组，所述电池均衡控制模块包括MCU以及若干个分别并联在各电芯组两端的均衡单元；每个均衡单元均包括第一电阻、第一电感、NMOS管、PMOS管和稳压二极管；

在每个均衡单元中，所述PMOS管的源极与对应电芯组的正极连接，栅极与所述NMOS管的漏极连接；所述NMOS管的源极接地，栅极与所述MCU连接；所述第一电阻并联在所述PMOS管的源极与漏极之间；所述第一电感并联在所述PMOS管的漏极与对应电芯组的负极之间；所述稳压二极管的阴极与所述PMOS管的漏极连接，阳极接地。

6.一种统一存储设备，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的电池备份单元。

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