JP2022088497A - バッテリシステムおよびデータセンター - Google Patents

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Abstract

【課題】停電時のバックアップ電源として、かつ／または、電力ピーク時の補助電源として、情報技術（ＩＴ）機器をサポートするために使用するバッテリシステムを提供する。【解決手段】バッテリシステムにおいて、第１バッテリは、第１バッテリが生成する熱エネルギから電気エネルギを生成する熱電素子（ＴＥＣ）を備えている。ＴＥＣは、第１バッテリの熱条件を適切に維持するとともに、第２バッテリを充電するために使用される。【選択図】図１

Description

本開示の実施形態は、概して、データセンターの情報技術（ＩＴ）機器に電力を供給することができる２段式バッテリシステムに関するものである。
情報技術（ＩＴ）には、インターネットあるいはローカルネットワークを介してアクセス可能なコンピュータなどの技術が含まれ、データ、ウェブサイト、コンピュータプログラムなどの記憶やアクセスを提供する。
サーバなどのＩＴ機器は、グリッド電源が利用できなくなった場合（例えば、停電あるいは、メンテナンス中）であっても、稼働することが求められる重要な動作を行うことがある。リチウムイオンバッテリなどのバッテリは、主電源（例えば、電力網）が停止したときに、ＩＴ機器に重要な動作を行わせ続けるために必要なバックアップエネルギを提供する。
バッテリが動作しているとき（例えば、充電または放電）、熱エネルギが生成されることがある。電流が大きいほど、そして、バッテリの内部抵抗が大きいほど、より多くの熱エネルギ（例えば、ワット）が生成される。通常は失われるこの熱エネルギによって、バッテリが損傷し、バッテリの寿命が短くなり、データセンター全体の効率が低下することがある。バッテリが過熱しないようにバッテリの保管温度を維持するためには、冷却が必要である。したがって、データセンターの開発においては、エネルギ貯蔵を効率的に管理する必要がある。
バッテリルームには、バックアップバッテリを収容し、バッテリの管理を一元化することができる。リチウムイオンバッテリは時間の経過とともに劣化（例えば、エネルギ貯蔵容量が減少）する。バッテリの劣化率は、典型的には、バッテリの保管温度に依存する。典型的には、保管温度が高いほど劣化は速くなるが、この保管温度を維持するための設備の冷却労力は少なくて済む。そのため、バッテリの劣化およびバッテリの冷却労力を考慮したバッテリの管理が求められている。
二酸化炭素の排出量の削減や大規模なＩＴクラスタの運用による環境への影響をなくすために、エネルギ利用効率を向上させる先進的な技術を開発することが、ますます重要となっている。
本開示の一態様は、１以上のバッテリセルを有する第１バッテリと、内部に熱電材料を有し、高温領域および低温領域を形成する熱電素子（ＴＥＣ）とを備え、前記高温領域が前記第１バッテリの領域に熱的に接続され、前記ＴＥＣが熱電効果により前記高温領域と前記低温領域との間の温度差に基づいて第１電圧を生成するように構成され、前記ＴＥＣによって生成された前記第１電圧を昇圧し、該第１電圧よりも高い第２電圧を生成するために前記ＴＥＣに接続された電圧コンバータと、該電圧コンバータの出力に電気的に接続された第２バッテリとを備え、前記第２電圧が、前記第２バッテリの充電に利用されるバッテリシステムである。
態様は、添付図面の図中に一例として示されており、限定するものではなく、同様の参照符号は同様の要素を示している。本開示の「態様」または「一態様」に対する言及は、必ずしも同じ態様への言及ではなく、少なくとも１つの態様を意味している。また、簡潔性と図の総数の削減のために、１つの図を使用して２以上の態様の特徴を図示することがあり、図中のすべての要素が所定の態様に必要であるとは限らない。
いくつかの実施形態に係る熱電素子（ＴＥＣ）を備えたバッテリシステムを示す図である。 いくつかの実施形態に係るデータセンターを示す図である。 保管時間とバッテリ容量との関係を示す図である。 バッテリサイクルと放電容量との関係を示す図である。 いくつかの実施形態に係るバッテリの状態を管理する方法を示す図である。 いくつかの実施形態に係るＩＴラックの一例を示す図である。
添付図面を参照して、本開示のいくつかの態様を説明する。所定の態様で説明された部品の形状、相対的な位置、および他の態様が明示的に定義されていない場合には、ここでの開示の範囲は、図示された部品に限定されるものではなく、単に説明のためであることを意味している。また、多数の詳細が記載されているが、いくつかの態様は、これらの詳細なしに実施してもよいことが理解される。他の例では、周知の回路、構造、および技術については、本説明の理解を妨げないように詳細には示されていない。さらに、その意味が明らかに反対である場合を除き、本明細書に記載されている全ての範囲は、各範囲の端点を含むものとする。
本明細書における「一実施形態」または「実施形態」に対する言及は、実施形態に関して説明される特定の特徴、構造、または特性が、本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれ得ることを意味する。本明細書の様々な箇所で「一実施形態において」という表現が登場するが、必ずしも全てが同じ実施形態を指すとは限らない。
データセンターは、ＩＴ機器を収容し、その動作を管理することができる。データセンターは、バックアップエネルギ源として、および／またはＩＴ機器の補助エネルギ源として機能するバッテリシステムを備えていてもよい。例えば、ＩＴ機器には事業用送電網によって電力供給されてもよい。事業用電力が停止した場合、ＩＴ機器はバッテリシステムから電力が供給される。さらに、またはこれに代えて、バッテリシステムは、ＩＴ機器が特に電力を消費するサービスを提供するときに発生する可能性のある電力需要のピーク時に、事業用送電網（または他の電源）を補完することができる。
バッテリは、動作（充電および／または放電）時において、セルおよびハードウェアの電流および内部抵抗によって熱エネルギが発生する。この熱エネルギは、特にバッテリサイクル（充電と放電）が頻繁に発生する場合に、データセンターの動作効率を低下させる可能性がある。この効率の損失を軽減するために、熱エネルギの一部を回収し、蓄えることができる。
バッテリシステムは、１以上のバッテリセルを有する第１バッテリと、高温領域と低温領域を形成する熱電材料を内部に有する熱電素子（ＴＥＣ）であって、高温領域が第１バッテリの領域と熱的に接続され、ＴＥＣが熱電効果により高温領域と低温領域との間の温度差に基づいて第１電圧を生成するように構成されている熱電素子ＴＥＣと、ＴＥＣによって生成された第１電圧を昇圧して、第１電圧よりも高い第２電圧を生成する電圧コンバータと、電圧コンバータの出力に電気的に接続され、第２電圧を利用して充電される第２バッテリとを備えていてもよい。このように、第１バッテリ（例えば、主バッテリモジュール）において生成された熱エネルギを回収して、第２バッテリ（補助バッテリモジュール）を充電することができる。このエネルギは、後にＩＴ機器の電源として使用することができ、バッテリシステムの効率を向上することができる。
図１は、いくつかの実施形態に係る熱電素子を備えたバッテリシステムを示している。第１バッテリは、１以上のバッテリセル１１０を収容していてもよい。バッテリセルは、リチウムイオンベースの化学物質を備えていてもよい。熱電素子１０４は、高温領域１０８および低温領域１０６を形成する熱電材料を備えていてもよい。高温領域は、第１バッテリの外部のハウジングに接続され、またはハウジング内に配置されることができる（例えば、ホットプレートを介在させて１以上のセルに熱的に接続される）。低温領域は、高温領域と低温領域の間の温度差を管理するために、第１バッテリの外部に配置され、かつ／または冷却プレート１１２に接続されていてもよい。熱電素子は、高温領域と低温領域との間に挟まれる半導体領域１０７を備えていてもよく、この半導体領域は、１以上のＰ型接合部および１以上のＮ型接合部を備えている。Ｐ型接合部およびＮ型接合部は、互いにおよびＴＥＣ端子１４４に対して、直列および／または並列に電気的に接続することができる。高温領域および低温領域の各々は、半導体領域を反対側から挟むそれぞれのプレート（平面状）によって形成することができる。熱電冷却器またはペルチェモジュールとも呼ばれる熱電素子は、ペルチェ効果、ゼーベック効果、および／またはトムソン効果によって電気を生成するように配置された半導体部品を有する。
熱エネルギが高温領域から低温領域に移動すると、熱電材料による熱電効果（ゼーベック効果など）によりＴＥＣ端子に電位が発生する。熱エネルギの差が大きいほど、ＴＥＣの出力は大きくなる。ＴＥＣ端子は、電圧コンバータ１０７に電気的に接続され、電圧コンバータへの入力電圧として機能する。
電圧コンバータは、１以上の電力スイッチング装置（例えば、モスフェット、トランジスタ、ＩＧＢＴ、および／または他の半導体装置）、１以上のインダクタ、ダイオード、コンデンサ、抵抗、および入力電圧を出力電圧に昇圧するために回路内で相互接続される他の受動または能動電子部品を備えていてもよい。いくつかの実施形態において、電圧コンバータは、単一のローサイドＦＥＴを有する昇圧コンバータ回路を備えていてもよい。いくつかの実施形態においては、電圧コンバータは、同期昇圧コンバータ回路、または他の同等の電子技術を備えていてもよい。
電圧コンバータの出力電圧は、電圧コンバータの動作により入力電圧よりも高い電圧に昇圧される。例えば、電圧コンバータの１以上の電力スイッチング装置のデューティサイクルは、入力電圧をどの程度昇圧して、出力電圧を生成するかを制御することができる。電圧コンバータの出力電圧に接続されている第２バッテリ１４６の電圧に基づいて、所望の出力電圧を決定することができる。電圧コンバータの出力電圧を第２バッテリの入力電圧よりもわずかに高くなるように調節することにより、第２バッテリに電流を流し、第２バッテリを充電することができる。出力電圧は、（例えば、第２バッテリに供給される電流値のフィードバックに基づいて）電流制御することができる。本開示の範囲から逸脱することなく、ＴＥＣ出力から第２バッテリを充電するために、様々な制御技術および回路を実装することができる。
第１バッテリと同様に、第２バッテリ１４６もまた、リチウムイオンベースの化学物質を有する１以上のバッテリセル１４４も備えていてもよい。第１バッテリおよび第２バッテリの各々は、アプリケーションおよび要求に基づいてサイズ決定される容量を有することができる。例えば、ＩＴ機器が１０００アンペアの負荷で１２分間のバックアップエネルギを必要とし、ＩＴクラスタ（データセンター内のＩＴ機器の集合体）が１０個の第１バッテリを保持するように設計されている場合には、各第１バッテリは、１２０ワット時の大きさに設定することができる。各第１バッテリは、それに対応する第２バッテリを備えていてもよい。第２バッテリは、第１バッテリよりも小さい容量、例えば、第１バッテリの１／４以下の容量を有していてもよい。
第１バッテリは、それぞれのバッテリセルを収容するバッテリハウジングと、セルの監視、セルのバランシング、および／または外部のデバイスまたはコントローラとの通信を行うＢＭＳ（バッテリマネジメントシステム）として一纏めに知られる関連電子機器を備えていてもよい。第２バッテリは、別個のハウジングおよびＢＭＳを備えていてもよい。しかし、いくつかの実施形態において、第２バッテリと第１バッテリとが、ハウジングとＢＭＳを共有していてもよい。
いくつかの実施形態において、第１バッテリは、第１バッテリを冷却するために、他の冷却構造ではなく、ＴＥＣを使用する。例えば、他の冷却プレートなどの他の冷却システムは、第１バッテリに取り付けられていない。一方、他の冷却システムが第１バッテリから熱エネルギを回収することにより、ＴＥＣによって生成される電力を減少させることもできる。冷却プレート１１２は、他の冷却技術において使用される他のタイプの冷却部品または冷却装置であってもよい。
第１バッテリは、ＩＴ機器１５０に電気的に接続されていてもよい。第２バッテリは、ＩＴ機器１６０に電気的に接続されていてもよい。ＩＴ機器１５０，１６０は、同一であっても異なっていてもよい。いくつかの実施形態において、ＩＴ機器１６０は、ＩＴ機器１５０のサブセットであり、例えば、重要と考えられる、または重要度が高いと考えられる機器である。第１バッテリおよび第２バッテリは、ＩＴ機器に組み合わせて、あるいは、交互に、電力を供給することができる。
冷却システム１２０は、バッテリおよびＩＴ機器を備えるデータセンターの部品を監視および冷却することができる。いくつかの実施形態において、冷却プレート１１２が、低温領域１０６に接続され、バッテリの動作中にＴＥＣから熱エネルギを回収するのを助け（低温領域を低温に保ち）、それによって、ＴＥＣの出力電力を増加させる。一実施形態において、冷却システムは、半導体領域１０７が熱エネルギを電気に変換するのに最適化された領域で動作するように、冷却プレートを最適な状態に維持するように制御される。冷却システムは、例えば、１以上のチャネルを通って、低温領域または冷却プレートへ、あるいは低温領域または冷却プレートから液体を循環させるポンプなどの液冷システムを備えていてもよい。さらに、または、これに代えて、冷却システムは、低温領域または冷却プレートに空気を送るファンまたは／および空調システムなどの空冷システムを備えていてもよい。冷却システムは、他の段落でさらに説明するように、１以上の冷却方法および関連するハードウェアを採用することができる。
なお、本出願では、ＴＥＣ１０４は、第１バッテリから発生する熱に基づいて電気エネルギを生成し、その電気エネルギを用いて第２バッテリを充電したり、あるいは、ＩＴ機器などの他の部品に電力を供給したりする回路の一例として利用されている。しかし、熱電材料の熱電効果を利用して、ＴＥＣ端子に電力を供給することにより、ＴＥＣ１０４を冷却モードまたは加熱モードのいずれかで動作させることも可能である。このような熱電効果はペルチェ効果と呼ばれている。ＴＥＣ１０４を流れる電流の方向によって、ＴＥＣ１０４は冷却モードまたは加熱モードのいずれかで動作する。したがって、異なる時点での動作条件に応じて、ＴＥＣ１０４が冷却モードまたは加熱モードで動作し、バッテリ１１０を冷却または加温するように構成されていてもよい。また、ＴＥＣ１０４は、その熱電効果、すなわちゼーベック効果を利用した発電装置として構成されていてもよい。バッテリ１１０を冷却または加温する必要がある場合、ＴＥＣ１０４に電力が供給される。バッテリ１１０を冷却または加温する必要がない場合は、ＴＥＣ１０４は、第２バッテリ１４６などの別の部品を充電するために電気を生成するように構成されていてもよい。ＴＥＣ１０４は、特定の状況に応じて動的に構成することができる。
熱電効果とは、温度差によって電位が生じたり、電位によって温度差が生じたりする現象のことである。具体的には、ゼーベック効果（温度差から電圧を発生させる）、ペルチェ効果（電流で熱を移動させる）、トムソン効果（電流と温度勾配の両方があるとき、導体内で可逆的に加熱または冷却する）などの現象が知られている。全ての材料はゼロではない熱電効果を持っているが、ほとんどの材料では熱電効果が小さ過ぎて使用することができない。しかし、発電や冷凍などの用途では、十分に大きい熱電効果（およびその他の必要な特性）を有する低コストの材料も検討されている。最も一般的に使用されている熱電材料は、テルル化ビスマスに基づいている。
図２は、いくつかの実施形態に係るデータセンター２００を示している。データセンターは、バッテリ、ＩＴ機器、バッテリを収容するバッテリルーム２２０または、ＩＴ機器を収容するＩＴルーム２４０などの様々なデータセンター部品および／または範囲の温度を管理する冷却システムを備えていてもよい。
冷却システムは、空調２０１、ファン２０５、および／または冷却液を循環させるためのポンプ２０３を備えていてもよい。冷却液は、ポンプによって、バッテリおよび／またはＩＴ機器に循環させることができる。冷却液は、１以上のチャネルを通って、ＩＴラックおよび／またはＴＥＣの低温領域（または低温領域に取り付けられた冷却プレート）に循環させられ、これにより、ＴＥＣから熱エネルギを運び去ることができる。いくつかの実施形態において、冷却システムのチラー２１１または他の冷凍技術によって冷却液を積極的に冷却することができる。
空調は、冷却システムによって制御され、バッテリの温度または第１バッテリが収容されている周囲（例えば、バッテリルーム）の温度を所定の温度に維持することができる。冷却システムによって空調を制御することができる。さらに、またはこれに代えて、冷却システムは、ＴＥＣの低温領域に空気を送るように構成されたファン、またはＴＥＣの低温領域に接続された冷却プレートを備えていてもよい。
センサ２４０は、バッテリへの電流およびバッテリからの電流を監視する電流センサ、バッテリおよび電圧コンバータの電圧センサ、および／またはバッテリおよび／またはバッテリあるいはＩＴ機器が収容されている周囲の温度を監視する温度センサを備えていてもよい。
第１バッテリおよび第２バッテリは、データセンターのバッテリルーム２２０に配置されていてもよい。バッテリは、データセンターのＩＴルーム２４０に配置されているＩＴ機器に電気的に接続することができる。コントローラ２０６は、ファンまたは空調を用いてバッテリルームの温度を管理するように構成することができる。いくつかの実施形態においては、第１バッテリは、第３バッテリ２１０を備えていてもよい。第３バッテリは、図１で説明した方法と同様の方法で充電することができる。
例えば、第３バッテリは、第１バッテリに熱的に接続されているＴＥＣの電圧出力を昇圧する電圧コンバータの電圧出力に電気的に接続することができる。いくつかの実施形態において、このシステムは、各補助バッテリのための別々のＴＥＣおよびコンバータ回路（例えば、第２バッテリのためのＴＥＣおよびコンバータ、第３バッテリのための別のＴＥＣおよびコンバータ、第４バッテリのための別のＴＥＣおよびコンバータなど）を備えていてもよい。さらに、複数の主バッテリ（例えば、第１バッテリ）を、対応する補助バッテリとともにバッテリルームに配置してもよい。
コントローラ２０６は、ＩＴ機器に電力を供給するために、いつ、どのバッテリを使用すべきかを決定する電力管理ロジック２０７を備えていてもよい。コントローラは、１以上のスイッチ２０９，２０８によって、バッテリの充電または放電を管理してもよい。スイッチは、ソリッドステートリレー、電気機械式リレー／コンタクタ、または他の同等の技術であってもよい。
第１バッテリ（例えば、主バッテリ）は、電源２３０が失われたときに、データセンターの情報技術（ＩＴ）機器に電気的に接続することができる。例えば、電源が事業用／送電網電源であり、停電によりこの電源が失われた場合、第１バッテリをバックアップ電源として使用することができ、それにより、停電中であってもＩＴ機器によって提供されるサービスを維持することができる。さらに、または、これに代えて、第１バッテリは、電源の補助として（例えば、電源に加えて）ＩＴ機器に電気的に接続されてもよい。これは、ＩＴ機器のピーク負荷時など、ＩＴ機器の電気需要が閾値を超えた場合に実行されてもよい。
補助バッテリ（例えば、第２バッテリ、第３バッテリ）は、ＩＴ機器またはＩＴ機器の一部に電気的に接続することができる。例えば、第２バッテリは、第１バッテリと同じＩＴ機器に接続して負荷を共有したり、ＩＴ機器の別の部分（例えば、別の電力バス）に接続したりすることができる。
１以上のスイッチ２０８，２０９はそれぞれ、第２バッテリおよび第３バッテリを充電および／または放電するために、第２バッテリおよび第３バッテリを交互に接続する複数の個別制御可能なスイッチを備えていてもよい。例えば、第２バッテリが閾値まで充電（例えば、フル充電）されたときに、第２バッテリへの充電回路が開放され、第３バッテリへの充電回路が閉じられてもよい。このように、第２バッテリがフル充電となったときには、第３バッテリによって熱エネルギを回収し続けることができる。
同様に、第２バッテリを、ＩＴ機器に電力を供給するために接続することができる。第２バッテリがある閾値（例えば、残存容量が１０％以下）まで放電すると、第３バッテリがＩＴ機器に接続されて第２バッテリの代わりとして使用することができる。コントローラは、バッテリの開放電圧の測定値および／または電流の監視に基づいて容量を測定することができる。
図２においては、電源２３０からのＡＣ／ＤＣをバッテリ電圧に変換するコンバータなどの一部のパワー電子回路は示されていない。同様に、バッテリからのＤＣ電圧をＩＴ機器に電力を供給するためのＡＣ電圧に変換するインバータも示されていない。このようなコンバータは、電力スイッチング装置（例えば、モスフェット、トランジスタ、ＩＧＢＴ、および／または他の半導体デバイス）、ダイオード、コンデンサ、抵抗、インダクタ、および、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に能動的に整流する、またはＤＣ電圧を別のＤＣ電圧に変換するために、コンバータ回路に配置された他の受動的または能動的な電子部品（例えば、昇圧コンバータ）を備えていてもよい。また、インバータは、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するためにインバータ回路に配置されたこのような電子部品を備えていてもよい。
図３は、保管時間とバッテリ容量との関係を示している。この関係は温度に依存する。Ｔ１からＴ５は、昇順で並んだ５つの例示的なバッテリ保管温度である。Ｔ１は低温、Ｔ５は高温を示している。必要最小残存放電容量Ｃｍｉｎについては、対応する温度プロファイル毎に対応する保管時間（Ｄ１－Ｄ５）を見ることができる。例えば、Ｄ１は、バッテリが最小放電要件（例えば、放電容量が７０％）を満たすように、温度Ｔ１でバッテリを保管できる最大日数を示している。このように、図３に示されるように、Ｔ１－Ｔ５の温度範囲内では、バッテリの保管温度が上昇するにつれて、バッテリの放電残量が減少している（例えば、反比例の関係である）ことが分かる。
図４は、バッテリサイクルと放電容量との関係を示している。単一のバッテリサイクルは、かなりの割合（例えば、８０％以上）でのバッテリの充電および放電を表している。サイクル１は、バッテリがＣｍｉｎを満たす温度Ｔ１における第１のサイクル数を表している。サイクル２は、サイクル１のサイクル数よりも多く、Ｃｍｉｎを満たす第２のサイクル数を表している。サイクル５は、グループ内で最大のサイクル数を表している。前述した図３と同様に、図４は、温度が低下すると残存放電容量が増加し、逆に温度が上昇すると残存放電容量が減少することを示している。このように、保管温度を下げることでバッテリ寿命は延びるが、そのためには相当の労力が必要である。
バッテリの保管温度（周囲温度またはバッテリ温度であってもよい）を低く維持することによりバッテリ寿命を延ばす労力は、例えば、金銭的コスト（例えば、電力、空調、ファンなどにかかる電気代）、またはエネルギ効率（例えば、総ワット数）など、様々な観点で定義することができる。上述したとおり、ＴＥＣは、ＴＥＣの高温領域と低温領域との間の温度差から電力を生成することによって動作する。温度差が大きいほど、発電量は増加する。すなわち、温度差が大きいということは、低温領域を大きな労力によって冷却するということであり、それにはコストがかかる。したがって、最適な温度とは、ＴＥＣから回収されるエネルギの利点と、ＴＥＣの低温領域を冷却するためのコストとを考慮したものとなるが、この場合の冷却は、バッテリが稼働している間だけ必要となる。
いくつかの実施形態において、コントローラは、第１バッテリが収容される最適化された周囲温度を維持するように構成される。最適化された周囲温度は、第１バッテリを冷却するための推定労力、保管期間および保管温度に対する第１バッテリの推定容量、およびＴＥＣの熱特性に基づいて決定することができる。最適化された周囲温度は、第１バッテリを冷却するために必要な労力（例えば、空調、ファンなど）の最小化、バッテリの劣化により第１バッテリを交換するための労力の最小化、および補助バッテリにエネルギとして蓄えられるＴＥＣの出力の最大化を含むコスト関数の最小化によって決定することができる。コスト関数を、回帰（例えば、線形回帰）を用いて最小化することにより、最適化された周囲温度またはバッテリ温度を決定することができる。このように、バッテリシステムの管理を最適化する際に、ＴＥＣによる熱エネルギの回収を考慮することができる。最適化は、図５に示されるように、適応的に行うことができる（例えば、時間の経過とともに変化する）。
図５は、いくつかの実施形態に係るＩＴ環境におけるバッテリの管理のための温度制御プロセス５００を示している。動作５０１において、温度境界（例えば、最大温度閾値および最小温度閾値）が定義され、予め設定されていてもよい。最大温度閾値および最小温度閾値は、バッテリおよびＴＥＣの両方の事前評価に従って設定されてもよい。
動作５０２において、１日の温度設定を（温度境界内で）微調整し、対応する１日当たりの冷却コストおよび予測されるバッテリ保管時間を求める。１日の冷却コストは、上述したように、ａ）第１バッテリを冷却するために必要な労力（例えば、空調、ファンなど）、ｂ）バッテリ劣化により第１バッテリを交換するための労力および、ｃ）ＴＥＣの出力、の関数とすることができる。この１日の冷却コストに基づいて、１日の冷却コストの最小値が見つかるまで、異なる温度で動作５０２を繰り返すことにより、目的関数を解くことができる（それにより、コストを最小化し、最適化された温度を算出することができる）。最適化された温度は、関数に組み込まれると、最小コストを提供する。
最適化された温度を算出した後、プロセスは、動作５０４に進み、温度の設定が行われる。冷却システムのパラメータは、最適な温度設定を自動的に生成するように決定され、その結果、保管１日当たりおよび／またはライフサイクル１回当たりの総運用コストおよび資本コストが最小化される。この温度設定の下で、エネルギ回収回路は、放電中のバッテリに発生した熱を電気に変換し、負荷に電力を供給する。
冷却インフラは、このような制御された温度を維持するためにエネルギを消費し、その結果、運用コストが増加する。電力およびエネルギは、いずれもデータセンターの周囲の温度に比例する。
これにより、上述したような最適化が必要となる。複雑なデータセンターの冷却インフラでは、異なる温度での実際のデータから正確な計算式を見つけることができる。冷却システムの運用コストは、ファン、ＣＲＡＨ、チラーなどを含み、総エネルギ（例えば、ｋＷｈ）および／またはその総エネルギの金銭的コストとして決定することができる。
例えば、データセンターのバックアップの用途では、図３および図４に示されるように、バックアップバッテリは少なくとも最小容量を提供する必要があるため、バッテリの保管時間には制約がある。保管温度が異なると、寿命の終わりとして設定される最小残存容量であるＣｍｉｎに到達するまでの保管時間が異なる。１日当たりのバッテリの平均的な資本支出は、超過保管時間に帰結する劣化に対するバッテリの資本支出に基づいて決定することができる。
最適化の目的には，冷却コストの合計およびバッテリの資本支出が最小になるような最適な温度を見つけることが含まれる。図３から分かるように、異なる温度Ｔ１－Ｔ５においては、最小容量Ｃｍｉｎにおける保管時間は変化するが、温度と正の相関がある。したがって、高い分解能を得るためには、限られた温度サンプルに基づいて回帰モデルを生成することができる。このようにして、温度と保管時間との関係は、微調整のための無制限の分解能で見つけることができる。サイクルに敏感な用途では、日単位の保管時間（図３）をサイクル（図４）に置き換え、上述の同じアルゴリズム（ただし、保管時間の代わりにサイクルを使用）を適用しても同様の結果を得ることができる。保管時間およびサイクルの両方に敏感な用途では、これらの２つのパラメータはどちらも温度に対して同じ相関を有するので、温度の関数における２つのパラメータとして一緒に組み合わせることができる。このような場合には、バッテリの平均的な資本支出は、バッテリの資本支出、保管時間、およびバッテリサイクル数に基づいて決定することができる。
このように、バッテリシステムおよびデータセンターは適応型温度制御が可能であり、各温度設定における冷却コストを監視し、予測コスト／サイクルまたはコスト／保管日数と比較して、最適な温度設定を見つけることができる。
熱エネルギは、バッテリの放電または充電中に回収され、熱電素子を使用して電気エネルギに変換される。回収されたエネルギは、１以上の別個の小型バッテリ（例えば、補助バッテリ）に蓄えることができ、主バッテリの放電が停止し、送電網電力が依然として失われている場合に、主バッテリを補うために（例えば、冷却のために）使用することができる。ＩＴ機器への電力供給を効率的に行うとともに、停電時あるいは電力ピーク時に備えてバックアップを提供する。バッテリの充放電による損失を軽減することができる。
図６は、いくつかの実施形態に係るＩＴラック９００の一例を示すブロック図である。ＩＴラックは、様々なＩＴ機器を収容し、収容されたＩＴ機器に電力と冷却を提供する。データセンター（例えば、図２に示すデータセンター２００）には、１以上のこのようなＩＴラックを設置していてもよい。
ＩＴラック９００は、１以上のサーバを備えていてもよく、各サーバは、１以上の処理ユニットを有し、図１または図２に示されるようなバッテリシステム９６０によってバックアップ（例えば、停電が発生した時）または補完（例えば、ピーク需要時）することができる電源９５０（例えば、事業用、送電網、太陽光、風力、発電機など）から電力を供給することができる。前述したように、第１バッテリは、いくつかのＩＴ機器に電力を供給することができ、第２バッテリは、同じＩＴ機器、同じＩＴ機器のサブセット、またはＩＴラック９００内の異なるＩＴ機器に電力を供給することができる。さらに、バッテリシステムは、主バッテリから生成された熱エネルギにより充電される１以上の補助バッテリにそれぞれ設けられた追加の主バッテリ（第１バッテリ）を備えていてもよい。
ＩＴラック９００は、ＣＤＵ９０１、ラック管理ユニット（ＲＭＵ）９０２（オプション）、および１以上のサーバブレード９０３Ａ－９０３Ｅ（まとめてサーバブレード９０３と呼ぶ）を備えているが、これらに限定されない。サーバブレード９０３は、それぞれ電子ラック９００の前端９０４または後端９０５から、サーバスロットのアレイに挿入することができる。なお、ここでは５つのサーバブレード９０３Ａ－９０３Ｅだけが示されているが、電子ラック９００内には、より多くのまたはより少ないサーバブレードが維持されていてもよい。また、ＣＤＵ９０１、ＲＭＵ９０２、およびサーバブレード９０３の特定の位置は、説明のみを目的として示されており、ＣＤＵ９０１、ＲＭＵ９０２、およびサーバブレード９０３の他の配置または構成を実施してもよい。電子ラック９００は、冷却ファンが前端から後端への気流を発生させることができる限り、外部環境に対して開放されていてもよいし、ラックコンテナによって部分的に収容されていてもよい。
さらに、各サーバブレード９０３については、ファンモジュールがサーバブレードに設けられている。本実施形態において、ファンモジュール９３１Ａ－９３１Ｅは、まとめてファンモジュール９３１と呼ばれ、サーバブレード９０３Ａ－９０３Ｅにそれぞれ設けられている。各ファンモジュール９３１は、１以上の冷却ファンを備えている。ファンモジュール９３１は、前端９０４から流入し、サーバブレード９０３の空間を通って、電子ラック９００の後端９０５から排出される気流を生成するために、サーバブレード９０３の後端に取り付けられていてもよい。
一実施形態において、ＣＤＵ９０１は、主に、熱交換器９１１、液体ポンプ９１２、およびポンプコントローラ（図示せず）、ならびに、液体リザーバ、電源、監視センサなどのいくつかの他の部品を備えている。熱交換器９１１は、液液熱交換器であってもよい。熱交換器９１１は、主ループを形成するために、外部の液体供給／戻りライン９３１，９３２に結合された第１の液体コネクタ対を有し、入口ポートおよび出口ポートを有する第１ループを備えている。外部の液体供給／戻りライン９３１，９３２に結合されたコネクタは、電子ラック９００の後端９０５に配置または取り付けられてもよい。液体供給／戻りライン９３１，９３２は、一組の室内マニホールドに結合されており、この室内マニホールドは、外部の熱除去システムまたは外部の冷却ループに結合される。さらに、熱交換器９１１は、二次ループを形成するために、液体マニホールド９２５に結合された第２の液体コネクタ対を有し、２つのポートを有する第２ループをさらに備え、この第２ループは、冷却液をサーバブレード９０３に供給する供給マニホールドと、温められた液体をＣＤＵ９０１に戻す戻りマニホールドとを備えていてもよい。ＣＤＵ９０１は、市販されている任意の種類のＣＤＵであっても、カスタマイズされたものであってもよい。したがって、ＣＤＵ９０１の詳細はここでは説明しない。
いくつかの実施形態において、データセンターは、共通の冷却システムを利用して、ＩＴ機器に冷却を提供するとともに、バッテリのＴＥＣを冷却することができる。例えば、共通のＡＣシステムは、ＩＴルームとバッテリルームに冷たい空気を送ることができる。共通のチラーは、ＩＴラックとバッテリのＴＥＣを冷却する冷却チャネルに送られる流体を冷却することができる。
各サーバブレード９０３は、１以上のＩＴ部品（例えば、中央処理装置またはＣＰＵ、グラフィック処理装置（ＧＰＵ）、メモリ、および／または記憶装置）を備えていてもよい。各ＩＴ部品は、データ処理タスクを実行してもよく、ＩＴ部品は、データ処理タスクを実行するために、記憶装置にインストールされ、メモリにロードされ、１以上のプロセッサによって実行されるソフトウェアを備えていてもよい。これらのＩＴ部品の少なくともいくつかは、上述したように、いずれかの冷却システムの底部に取り付けられていてもよい。サーバブレード９０３は、１以上の演算サーバ（ＣＰＵサーバおよびＧＰＵサーバなどの演算ノードとも呼ばれる）に結合されたホストサーバ（ホストノードと呼ばれる）を備えていてもよい。ホストサーバ（１以上のＣＰＵを有する）は、典型的には、ネットワーク（例えば、インターネット）を介してクライアントと接続し、ストレージサービス（例えば、バックアップおよび／またはリストアなどのクラウドベースのストレージサービス）などの特定のサービスに対する要求を受け取り、アプリケーションを実行して特定の動作（例えば、サービスとしてのソフトウェアまたはＳａａＳプラットフォームの一部としての画像処理、ディープデータラーニングアルゴリズムまたはモデリングなど）を実行する。要求に応じて、ホストサーバは、ホストサーバが管理する１以上の性能演算ノードまたは、演算サーバ（１以上のＧＰＵを有する）にタスクを分配する。性能演算サーバは実際のタスクを実行し、その動作中に熱が発生することがある。
電子ラック９００は、サーバ９０３、ファンモジュール９３１、およびＣＤＵ９０１に供給される電力を提供および管理するように構成されたオプションのＲＭＵ９０２をさらに備えている。ＲＭＵ９０２は、電源ユニット（図示せず）に結合され、電源ユニットの電力消費を管理してもよい。電源ユニットは、電子ラック９００の残りの構成部品に電力を供給するために必要な回路（例えば、交流（ＡＣ）から直流（ＤＣ）または直流（ＤＣ）から直流（ＤＣ）への電力コンバータ、バックアップ、トランス、またはレギュレータなど）を備えていてもよい。
一実施形態において、ＲＭＵ９０２は、最適化モジュール９２１およびラック管理コントローラ（ＲＭＣ）９２２を備えている。ＲＭＣ９２２は、例えば、演算ノード９０３、ＣＤＵ９０１、およびファンモジュール９３１などのような電子ラック９００内の様々な部品の動作状態を監視するモニタを備えていてもよい。具体的には、モニタは、電子ラック９００の動作環境を表す様々なセンサから動作データを受信する。例えば、モニタは、様々な温度センサによって取得および収集される、プロセッサ、冷却液、および気流の温度を表す動作データを受信してもよい。また、モニタは、ファンモジュール９３１および液体ポンプ９１２によって生成されるファン電力およびポンプ電力を表すデータを受信してもよく、これらはそれぞれの速度に比例してもよい。これらの動作データは、リアルタイム動作データと呼ばれる。なお、モニタは、ＲＭＵ９０２内の別個のモジュールとして実装されてもよい。
動作データに基づいて、最適化モジュール９２１は、所定の最適化関数または最適化モデルを使用して最適化を実行し、液体ポンプ９１２およびファンモジュール９３１の総消費電力が最小になり、液体ポンプ９１２およびファンモジュール９３１の冷却ファンに関連する動作データが、それぞれの設計仕様内に収まっているファンモジュール９３１の最適なファン速度と液体ポンプ９１２の最適なポンプ速度との組み合わせを導出する。最適なポンプ速度および最適なファン速度が一旦決定されると、ＲＭＣ９２２は、最適なポンプ速度およびファン速度に基づいて、液体ポンプ９１２およびファンモジュール９３１の冷却ファンを構成する。
一例として、最適なポンプ速度に基づいて、ＲＭＣ９２２は、ＣＤＵ９０１のポンプコントローラと通信して、液体ポンプ９１２の速度を制御し、少なくともいくつかのサーバブレード９０３に冷却液が分配されるように、液体マニホールド９２５に供給される冷却液の液体流量を制御する。したがって、動作条件およびそれに対応する冷却装置の性能が調整される。同様に、最適なファン速度に基づいて、ＲＭＣ９２２は、各ファンモジュール９３１と通信して、ファンモジュール９３１の各冷却ファンの速度を制御し、ファンモジュール９３１の気流量を制御する。各ファンモジュール９３１は、その特定の最適ファン速度で個別に制御されてもよく、異なるファンモジュールおよび／または同じファンモジュール内の異なる冷却ファンは、異なる最適ファン速度に制御されてもよい。
いくつかの実施形態は、温度制御動作を実行するための１以上のデータ処理部品（ここでは一般的に「プロセッサ」と呼ぶ）をプログラムする命令を格納した非一時的な機械読取可能媒体（超小型電子メモリなど）を備えていてもよい。いくつかの実施形態において、温度制御動作は、比例積分（ＰＩ）コントローラ、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラ、またはバッテリ温度をフィードバックとして利用する他の同等の制御技術などの公知の制御技術を用いて実行することができる。コントローラ（例えば、図２に示すようなコントローラ２０６）は、１以上の処理部品および／または非一時的な機械読取可能媒体を備えていてもよい。
いくつかの実施形態において、これらの動作の一部は、ハードワイヤードロジックを含む特定のハードウェア部品によって実行されてもよい。それらの動作は、代替的に、プログラムされたデータ処理部品と固定されたハードワイヤード回路部品との任意の組み合わせによって実行されてもよい。
上述の明細書において、本開示の実施形態は、その特定の例示的な実施形態を参照して説明した。しかし、以下の請求の範囲に記載された本発明のより広い趣旨および範囲から逸脱することなく、本開示の実施形態に様々な変更を行うことができることが明らかである。したがって、本明細書および図面は、制限的な意味ではなく、例示的な意味で見られるべきである。
特定の態様を説明し、添付の図面に示されてきたが、そのような態様は単に例示であり、広範な開示を制限するものではなく、また、当業者には様々な他の変更が可能であり、本開示は図示および説明された特定の構造および配置に限定されるものではない。すなわち、本記述は、限定的ではなく例示的なものである。
いくつかの態様において、本開示では、例えば、「要素Ａおよび要素Ｂの少なくとも１つ 」という表現を使用することがある。この表現は、１以上の要素を指してもよい。例えば、「ＡおよびＢの少なくとも１つ」は、「Ａ」、「Ｂ」、または「ＡおよびＢ」を指していてもよい。具体的には、「ＡおよびＢの少なくとも１つ」は、「少なくとも１つのＡおよび、少なくとも１つのＢ」または、「少なくともＡまたはＢのいずれか」を指していてもよい。いくつかの態様においては、本開示では、例えば、「要素Ａ、要素Ｂ、および／または要素Ｃ」という表現を使用することがある。この表現は、要素のいずれか、またはそれらの任意の組み合わせを指してもよい。例えば、「Ａ、Ｂ、および／またはＣ」は、「Ａ」，「Ｂ」，「Ｃ」、「ＡおよびＢ」、「ＡおよびＣ」、「ＢおよびＣ」または、「Ａ、Ｂ、およびＣ」を指していてもよい。

Claims (20)

  1. １以上のバッテリセルを有する第１バッテリと、
    内部に熱電材料を有し、高温領域および低温領域を形成する熱電素子（ＴＥＣ）とを備え、前記高温領域が前記第１バッテリの領域に熱的に接続され、前記ＴＥＣが熱電効果により前記高温領域と前記低温領域との間の温度差に基づいて第１電圧を生成するように構成され、
    前記ＴＥＣによって生成された前記第１電圧を昇圧し、該第１電圧よりも高い第２電圧を生成するために前記ＴＥＣに接続された電圧コンバータと、
    該電圧コンバータの出力に電気的に接続された第２バッテリとを備え、前記第２電圧が、前記第２バッテリの充電に利用されるバッテリシステム。
  2. コントローラが、主電源が失われたとき、またはデータセンターの情報技術（ＩＴ）機器の電力需要が閾値を超えたときに、前記第１バッテリを前記ＩＴ機器に電気的に接続するように構成されている請求項１に記載のバッテリシステム。
  3. 前記コントローラが、前記第２バッテリを前記ＩＴ機器または前記ＩＴ機器の一部に電気的に接続するように構成されている請求項２に記載のバッテリシステム。
  4. コントローラが、前記第１バッテリが収容される最適化された周囲温度を維持するように構成され、
    該最適化された周囲温度が、前記第１バッテリを冷却するための推定労力、保管期間および保管温度に対する前記第１バッテリの推定容量および、前記ＴＥＣの熱特性に基づいて決定される請求項１に記載のバッテリシステム。
  5. 空冷システムが、前記ＴＥＣの前記低温領域または、該低温領域に接続された冷却プレートに空気を送る請求項１に記載のバッテリシステム。
  6. 液冷システムが、前記低温領域または該低温領域に熱的に接続された冷却プレートに熱的に接続された１以上のチャネルを経由して流体を循環させる請求項１に記載のバッテリシステム。
  7. 前記第１バッテリおよび前記第２バッテリが、データセンターのバッテリルームに配置され、前記データセンターのＩＴルーム内のＩＴ機器に電気的に接続されており、
    コントローラが、前記バッテリルーム内の温度をファンまたは空調により管理するように構成されている請求項１に記載のバッテリシステム。
  8. 前記電圧コンバータの電圧出力に電気的に接続される第３バッテリをさらに備える請求項１に記載のバッテリシステム。
  9. スイッチが、ａ）前記第２バッテリと前記ＩＴ機器との間および、ｂ）前記第３バッテリと前記ＩＴ機器との間を交互に接続する請求項８に記載のバッテリシステム。
  10. 前記第１バッテリの冷却には、他の冷却構造ではなく、前記ＴＥＣを使用する請求項１に記載のバッテリシステム。
  11. 情報技術（ＩＴ）機器と、
    該ＩＴ機器に電力を供給するための１以上のバッテリセルを有する第１バッテリと、
    内部に熱電材料を有し、高温領域および低温領域を形成する熱電素子（ＴＥＣ）とを備え、前記高温領域が前記第１バッテリの領域に熱的に接続され、前記ＴＥＣが、熱電効果により前記高温領域と前記低温領域との間の温度差に基づいて第１電圧を生成するように構成され、
    前記ＴＥＣによって生成された前記第１電圧を昇圧し、該第１電圧よりも高い第２電圧を生成するために前記ＴＥＣに接続された電圧コンバータと、
    該電圧コンバータの出力に電気的に接続された第２バッテリとを備え、前記第２電圧が前記第２バッテリの充電に利用されるデータセンター。
  12. コントローラが、主電源が失われたとき、またはＩＴ機器の電力需要が閾値を超えたときに、前記第１バッテリをデータセンターの前記ＩＴ機器に電気的に接続するように構成されている請求項１１に記載のデータセンター。
  13. 前記コントローラが、前記第２バッテリを前記ＩＴ機器または前記ＩＴ機器の一部に電気的に接続するように構成されている請求項１２に記載のデータセンター。
  14. コントローラが、前記第１バッテリが収容される最適化された周囲温度を維持するように構成され、
    該最適化された周囲温度が、前記第１バッテリを冷却するための推定労力と、保管期間および保管温度に対する前記第１バッテリの推定容量および、前記ＴＥＣの熱特性に基づいて決定される請求項１１に記載のデータセンター。
  15. 空冷システムが、前記ＴＥＣの前記低温領域または、該低温領域に接続された冷却プレートに空気を送る請求項１１に記載のデータセンター。
  16. 液冷システムが、前記低温領域または該低温領域に熱的に接続された冷却プレートに熱的に接続された１以上のチャネルを経由して流体を循環させる請求項１１に記載のデータセンター。
  17. 前記第１バッテリおよび前記第２バッテリが、データセンターのバッテリルームに配置され、前記データセンターのＩＴルーム内の前記ＩＴ機器に電気的に接続されており、
    コントローラが、バッテリルーム内の温度をファンまたは空調により管理するように構成されている請求項１１に記載のデータセンター。
  18. 前記電圧コンバータの電圧出力に電気的に接続された第３バッテリをさらに備える請求項１１に記載のデータセンター。
  19. スイッチが、ａ）前記第２バッテリと前記ＩＴ機器との間および、ｂ）前記第３バッテリと前記ＩＴ機器との間を交互に接続する請求項１８に記載のデータセンター。
  20. 前記第１バッテリの冷却には、他の冷却構造ではなく、前記ＴＥＣを使用する請求項１１に記載のデータセンター。

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