CN117081182A - 一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，采用多个电池或电池包及配对的电池或电池包开关串联构成的电池组串，通过电池组串开关及保护电路接入直流变换器的初级，与电池模块控制器一并构成受控电池模块；市电停电时，由恒压源的直流变换器为数据中心机架提供稳定的电力；在电池异常时，进行电池组串调节及重构，通过各恒压源的直流变换器保证各受控电池模块的输出电压的一致性；采用电池或电池包相应配对的电池或电池包开关以及并接旁路开关的结构，简化了电池或电池包异常切出及电池组串的重构结构与控制，节省了成本，提高了安全性和时效性；本发明克服了现有技术方案的缺陷与不足，为数据中心机架供电保电提供了有效途径。
Description
技术领域
本发明属于数据中心供电技术领域，具体涉及一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法。
背景技术
随着信息通信技术与大数据处理技术发展与需求的不断增长，近年来，全球数据中心建设与运行飞速发展，如电信、金融、互联网业务等行业，以及大量为中小企业用户提供服务的主机托管数据中心。
为了满足信息与数据处理设备持续运行的需求，供电可靠性问题、能耗问题与空间问题是数据中心运营商亟待解决的问题。目前数据中心的安全供电保电主要是依靠不间断供电电源(UPS)，其主要存在以下问题：
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、直流到直流两次以上的电力变换，不仅增加了能耗，而且增加了环境控制的投资与能耗；
2)传统UPS采用固定连接方式的电池储能，不仅需要人工定期维护，在运行中电池或电池包故障时，不能及时切出故障的电池或电池包，通常因一个故障电池就必须停运一套UPS系统并切换到备用系统供电，不仅维护费用高，而且存在重大安全隐患。
为了解决上述缺陷与问题，业界工程技术人员不断研究与实践，提出了一些解决方案；如国家知识产权局公布的发明专利《分布式电池供电装置及方法》专利号为CN102842936，该技术方案(以下称现有技术方案)权利要求1记载：“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，…通过控制电池组中各个电池的组合方式，调整电池组的输出电量，控制电池组的充放”；权利要求2记载：“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、切换开关、控制所述切换开关状态的处理器、与处理器连接的市电中断检测器，…”；其说明书第[0045]段记载：“…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。”其说明书第[0048]段记载：“…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。”其说明书第[0047]段记载：“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”以及“[0052]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。”“[0071]所述步骤e中具体为：机架j，j∈(Θ-Ψ)上的电池模块(103)通过电池管理系统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xj与各个单体电池的容量控制如图6中所示的电池组开关阵列中的的可控开关6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。”
如上所述，并参考现有技术方案说明书附图可知，现有技术方案存在明显的缺陷与不足，主要为：
1)交直流变换器直流侧与直流负载之间设置了变压器，不符合电力及电气系统的运行原理与特性，是现有技术方案本身的重大缺陷；
2)采用电池组通过直流母线与直流供电单元，在市电中断时，“服务器101由电池模块103供电”，众所周知，每个电池单体电压工作范围决定了电池模块的电压范围，并随着电量的变化而变化，电池模块直接为服务器供电，不能满足服务器需要稳定的电压源供电的要求，是现有技术方案本身的重大缺陷；
3)在市电中断时，市电中断检测器检测判断后，将市电“断”信号发送给处理器，通过处理器控制开关选择并切换至电池组供电，其时效性难以保障数据处理设备不间断供电的要求；
4)“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。”说明所有电池模块是并接在同一直流母线上；其采用通过电量计算进行电池模块内电池的调节重构及组合，且电池模块的电池总数量是固定的(如该说明书附图6所示)，通过开关调节只能减少电池组串中的电池数量，减少某个电池模块中串联的电池数量，其电池模块的电池组端电压将降低，使得并接在直流母线上的多个电池模块电压不一致，造成环流及不安全隐患。
发明内容
为了克服现有技术及方案的缺陷与不足，本发明提出一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，市电依次通过电控开关及保护电路及交直流变换器为直流母线提供直流电，并由直流母线分别连接数据中心的多个机架中相应的服务器及数据处理设备和相应的受控电池模块；同时多个供电装置的供电能量管控系统通过系统通信线分别连接各受控电池模块、电控开关及保护电路、交直流变换器，构成基于分布式电池的数据中心机架供电保电系统的供电能量管控系统；并且在市电正常供电时，由市电为服务器及数据处理设备供电，由供电能量管控系统控制各受控电池模块的充电功率；在市电异常及故障停止供电时，电控开关及保护电路断开，且各受控电池模块自动响应负荷用电需求提供相应电力功率。
所述一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，所述受控电池模块由多个电池或电池包串联，构成电池组串，并且电池组串中的第1电池或电池包串接第1电池或电池包开关、第2电池或电池包串接第2电池或电池包开关、第n电池或电池包串接第n电池或电池包开关，以及每一个电池或电池包并接一个旁路开关，即；第1电池或电池包并接第1旁路开关、第2电池或电池包并接第2旁路开关、第n电池或电池包并接第n旁路开关，构成可重构电池组串；
其特征还在于，电池组串正极通过电池组串开关及保护电路连接直流变换器的正极，电池组串负极直接连接直流变换器的负极；同时由电池模块控制器通过模块通信线分别连接各电池或电池包、第1电池或电池包开关、第2电池或电池包开关、第n电池或电池包开关、第1旁路开关、第2旁路开关、第n旁路开关、直流变换器、电池组串开关及保护电路，构成受控电池模块的管控路径及受控电池模块单元系统。
所述一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，在受控电池模块为服务器及数据处理设备时，各受控电池模块均通过直流母线为各服务器及数据处理设备提供电力。
所述一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，所述各电池或电池包，由一个以上电池单体串联并每个电池单体连接电池管理电路构成；并且电池管理电路通过模块通信线连接电池模块控制器。
所述一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，所述直流变换器的初级与电池组串连接，直流变换器的次级通过次级正极端子和负极端子接入直流母线；所述直流变换器以恒压源模式运行，并通过电池模块控制器接受供电能量管控系统发送的控制指令。
所述一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，分布式电池的数据中心机架供电方法为：
步骤1：供电能量管控系统通过系统通信线分别监测各受控电池模块、电控开关及保护电路、交直流变换器和市电供电的状态参数，发现状态参数异常时，报警处理；否则执行步骤2；
步骤2：同时供电能量管控系统通过各受控电池模块的相应电池模块控制器，实时读取电池或电池包的状态参数，异常时执行步骤3；正常时执行步骤4；
步骤3：供电能量管控系统通过相应受控电池模块的电池模块控制器，控制将异常的电池或电池包相应电池组串开关及保护电路断开，再依次控制异常电池或电池包相应的电池或电池包开关断开，控制相应的电池或电池包旁路开关闭合导通，以及控制相应受控电池模块的电池组串开关及保护电路闭合，并由供电能量管控系统调节与控制相应受控电池模块的功率；完成后，在市电正常供电时，执行步骤4；在市电异常及故障停止供电时，执行步骤5；
步骤4：市电正常供电时，供电能量管控系统根据电池或电池包的状态参数，控制各受控电池模块为电池或电池包补电充电，以及按照设置时间间隔逐台进行受控电池模块的维护性充放电；并实时监测市电是否断电？市电正常执行步骤1；市电异常执行步骤5；
步骤5：市电异常及故障停止供电时，电控开关及保护电路断开；直流母线电压低于设置的电压阈值时，恒压源的各受控电池模块自动响应并输出功率，满足负荷用电需求；供电能量管控系统根据各受控电池模块的电量，按照各受控电池模块各自电量的比例调节各受控电池模块的输出功率，电量多则输出功率大，电量少则输出功率小；调节后，执行步骤1。
本发明一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，采用多个电池或电池包及配对的电池或电池包开关串联构成的电池组串，通过电池组串开关及保护电路接入直流变换器的初级，与电池模块控制器一并构成受控电池模块；市电停电时，由恒压源的直流变换器为数据中心机架提供稳定的电力；在电池异常时，进行电池组串调节及重构，通过各恒压源的直流变换器保证各受控电池模块的输出电压的一致性；采用电池或电池包相应配对的电池或电池包开关以及并接旁路开关的结构，简化了电池或电池包异常切出及电池组串的重构结构与控制，节省了成本，提高了安全性和时效性；本发明克服了现有技术方案的缺陷与不足，为数据中心机架供电保电提供了有效途径。
附图说明
图1是一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置的系统构成原理示意。
图2是受控电池模块的构成示意框图。
具体实施方式
作为实施例子，结合附图对一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法给予说明，但是，所描述的实施例是本发明应用于一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围；本发明的技术与方案不限于本实施例子给出的内容。
如图1所示，一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，市电(19)依次通过电控开关及保护电路(17)及交直流变换器(18)为直流母线(16)提供直流电，并由直流母线(16)分别连接数据中心的多个机架(13)中相应的服务器及数据处理设备(11)和相应的受控电池模块(12)；同时多个供电装置的供电能量管控系统(15)通过系统通信线(14)分别连接各受控电池模块(12)、电控开关及保护电路(17)、交直流变换器(18)，构成基于分布式电池的数据中心机架供电保电系统的供电能量管控系统；并且在市电(19)正常供电时，由市电(19)为服务器及数据处理设备(11)供电，由供电能量管控系统(15)控制各受控电池模块(12)的充电功率；在市电(19)异常及故障停止供电时，电控开关及保护电路(17)断开，且各受控电池模块(12)自动响应负荷用电需求提供相应电力功率。
如图2所示，所述一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，所述受控电池模块(12)由多个电池或电池包(122)串联，构成电池组串(120)，并且电池组串(120)中的第1电池或电池包(122)串接第1电池或电池包开关(K11)、第2电池或电池包(122)串接第2电池或电池包开关(K21)、第n电池或电池包(122)串接第n电池或电池包开关(Kn1)，以及每一个电池或电池包(122)并接一个旁路开关，即；第1电池或电池包(122)并接第1旁路开关(K12)、第2电池或电池包(122)并接第2旁路开关(K22)、第n电池或电池包(122)并接第n旁路开关(Kn2)，构成可重构电池组串；
其特征还在于，电池组串正极(126)通过电池组串开关及保护电路(123)连接直流变换器(121)的正极，电池组串负极(127)直接连接直流变换器(121)的负极；同时由电池模块控制器(125)通过模块通信线(124)分别连接各电池或电池包(122)、第1电池或电池包开关(K11)、第2电池或电池包开关(K21)、第n电池或电池包开关(Kn1)、第1旁路开关(K12)、第2旁路开关(K22)、第n旁路开关(Kn2)、直流变换器(121)、电池组串开关及保护电路(123)，构成受控电池模块(12)的管控路径及受控电池模块单元系统。
所述一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，在受控电池模块(12)为服务器及数据处理设备(11)时，各受控电池模块(12)均通过直流母线(16)为各服务器及数据处理设备(11)提供电力。
所述一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，所述各电池或电池包(122)，由一个以上电池单体串联并每个电池单体连接电池管理电路构成；并且电池管理电路通过模块通信线(124)连接电池模块控制器(125)。
所述一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，所述直流变换器(121)的初级与电池组串(120)连接，直流变换器(121)的次级通过次级正极端子(128)和负极端子(129)接入直流母线(16)；所述直流变换器(121)以恒压源模式运行，并通过电池模块控制器(125)接受能量管控系统(15)发送的控制指令。
所述一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，分布式电池的数据中心机架供电方法为：
步骤1：供电能量管控系统(15)通过系统通信线(14)分别监测各受控电池模块(12)、电控开关及保护电路(17)、交直流变换器(18)和市电(19)供电的状态参数，发现状态参数异常时，报警处理；否则执行步骤2；
步骤2：同时供电能量管控系统(15)通过各受控电池模块(12)的相应电池模块控制器(125)，实时读取电池或电池包(122)的状态参数，异常时执行步骤3；正常时执行步骤4；
步骤3：供电能量管控系统(15)通过相应受控电池模块(12)的电池模块控制器(125)，控制将异常的电池或电池包(122)相应电池组串开关及保护电路(123)断开，再依次控制异常电池或电池包(122)相应的电池或电池包开关断开，控制相应的电池或电池包旁路开关闭合导通，以及控制相应受控电池模块(12)的电池组串开关及保护电路(123)闭合，并由供电能量管控系统(15)调节与控制相应受控电池模块(12)的功率；完成后，在市电(19)正常供电时，执行步骤4；在市电(19)异常及故障停止供电时，执行步骤5；
步骤4：市电(19)正常供电时，供电能量管控系统(15)根据电池或电池包(122)的状态参数，控制各受控电池模块(12)为电池或电池包(122)补电充电，以及按照设置时间间隔逐台进行受控电池模块(12)的维护性充放电；并实时监测市电(19)是否断电？市电(19)正常执行步骤1；市电(19)异常执行步骤5；
步骤5：市电(19)异常及故障停止供电时，电控开关及保护电路(17)断开；直流母线(16)电压低于设置的电压阈值时，恒压源的各受控电池模块(12)自动响应并输出功率，满足负荷用电需求；供电能量管控系统(15)根据各受控电池模块(12)的电量，按照各受控电池模块(12)各自电量的比例调节各受控电池模块(12)的输出功率，电量多则输出功率大，电量少则输出功率小；调节后，执行步骤1。
本发明一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，采用多个电池或电池包及配对的电池或电池包开关串联构成的电池组串，通过电池组串开关及保护电路接入直流变换器的初级，与电池模块控制器一并构成受控电池模块；市电停电时，由恒压源的直流变换器为数据中心机架提供稳定的电力；在电池异常时，进行电池组串调节及重构，通过各恒压源的直流变换器保证各受控电池模块的输出电压的一致性；采用电池或电池包相应配对的电池或电池包开关以及并接旁路开关的结构，简化了电池或电池包异常切出及电池组串的重构结构与控制，节省了成本，提高了安全性和时效性；本发明克服了现有技术方案的缺陷与不足，为数据中心机架供电保电提供了有效途径。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域普通技术人员而言，根据本发明的技术方案，设计出各种变形的布局、组配、公式、参数并不需要花费创造性劳动，在不脱离本发明的原理和构思架构情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，市电依次通过电控开关及保护电路及交直流变换器为直流母线提供直流电，并由直流母线分别连接数据中心的多个机架中相应的服务器及数据处理设备和相应的受控电池模块；同时多个供电装置的供电能量管控系统通过系统通信线分别连接各受控电池模块、电控开关及保护电路、交直流变换器，构成基于分布式电池的数据中心机架供电保电系统的供电能量管控系统；并且在市电正常供电时，由市电为服务器及数据处理设备供电，由供电能量管控系统控制各受控电池模块的充电功率；在市电异常及故障停止供电时，电控开关及保护电路断开，且各受控电池模块自动响应负荷用电需求提供相应电力功率。
2.根据权利要求1所述一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，所述受控电池模块由多个电池或电池包串联，构成电池组串，并且电池组串中的第1电池或电池包串接第1电池或电池包开关、第2电池或电池包串接第2电池或电池包开关、第n电池或电池包串接第n电池或电池包开关，以及每一个电池或电池包并接一个旁路开关，即；第1电池或电池包并接第1旁路开关、第2电池或电池包并接第2旁路开关、第n电池或电池包并接第n旁路开关，构成可重构电池组串；
其特征还在于，电池组串正极通过电池组串开关及保护电路连接直流变换器的正极，电池组串负极直接连接直流变换器的负极；同时由电池模块控制器通过模块通信线分别连接各电池或电池包、第1电池或电池包开关、第2电池或电池包开关、第n电池或电池包开关、第1旁路开关、第2旁路开关、第n旁路开关、直流变换器、电池组串开关及保护电路，构成受控电池模块的管控路径及受控电池模块单元系统。
3.根据权利要求1所述一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，在受控电池模块为服务器及数据处理设备时，各受控电池模块均通过直流母线为各服务器及数据处理设备提供电力。
4.根据权利要求2所述一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，所述各电池或电池包，由一个以上电池单体串联并每个电池单体连接电池管理电路构成；并且电池管理电路通过模块通信线连接电池模块控制器。
5.根据权利要求2所述一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，所述直流变换器的初级与电池组串连接，直流变换器的次级通过次级正极端子和负极端子接入直流母线；所述直流变换器以恒压源模式运行，并通过电池模块控制器接受供电能量管控系统发送的控制指令。
6.根据权利要求1和2所述一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法，其特征在于，分布式电池的数据中心机架供电方法为：
步骤1：供电能量管控系统通过系统通信线分别监测各受控电池模块、电控开关及保护电路、交直流变换器和市电供电的状态参数，发现状态参数异常时，报警处理；否则执行步骤2；
步骤2：同时供电能量管控系统通过各受控电池模块的相应电池模块控制器，实时读取电池或电池包的状态参数，异常时执行步骤3；正常时执行步骤4；
步骤3：供电能量管控系统通过相应受控电池模块的电池模块控制器，控制将异常的电池或电池包相应电池组串开关及保护电路断开，再依次控制异常电池或电池包相应的电池或电池包开关断开，控制相应的电池或电池包旁路开关闭合导通，以及控制相应受控电池模块的电池组串开关及保护电路闭合，并由供电能量管控系统调节与控制相应受控电池模块的功率；完成后，在市电正常供电时，执行步骤4；在市电异常及故障停止供电时，执行步骤5；
步骤4：市电正常供电时，供电能量管控系统根据电池或电池包的状态参数，控制各受控电池模块为电池或电池包补电充电，以及按照设置时间间隔逐台进行受控电池模块的维护性充放电；并实时监测市电是否断电？市电正常执行步骤1；市电异常执行步骤5；
步骤5：市电异常及故障停止供电时，电控开关及保护电路断开；直流母线电压低于设置的电压阈值时，恒压源的各受控电池模块自动响应并输出功率，满足负荷用电需求；供电能量管控系统根据各受控电池模块的电量，按照各受控电池模块各自电量的比例调节各受控电池模块的输出功率，电量多则输出功率大，电量少则输出功率小；调节后，执行步骤1。
Priority Applications (1)
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| CN202210489959.0A CN117081182A (zh) | 2022-05-10 | 2022-05-10 | 一种基于分布式电池的数据中心机架供电装置及方法 |
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