指揮類數(shù)據(jù)中心電池智能運(yùn)維系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

王亞奇 王萬龍 孟器宇

【摘要】? ? 大型數(shù)據(jù)中心都會(huì)選擇電池系統(tǒng)作為備用電源的最后屏障，在以UPS系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心備電依托的故障中，與蓄電池相關(guān)的原因占30%以上，傳統(tǒng)的電池監(jiān)測技術(shù)不能完全滿足大型數(shù)據(jù)中心電池系統(tǒng)的智能化運(yùn)維要求，同時(shí)指揮類數(shù)據(jù)中心擁有自身對于電池管理的特殊需求。從數(shù)據(jù)中心運(yùn)維管理者的角度，借鑒電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能行業(yè)的電池管理技術(shù)，構(gòu)建一種符合指揮類數(shù)據(jù)中心自動(dòng)化運(yùn)維管理需求的體系。并對該運(yùn)維管理體系中的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為其他大型數(shù)據(jù)中心的電池系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)維管理提供思路和參考。

【關(guān)鍵詞】? ? 電池管理? ? 數(shù)據(jù)中心? ? 運(yùn)維管理? ? 備用電源

引言：

對于數(shù)據(jù)中心而言，電池系統(tǒng)也是不可或缺的組成部分，但對于該部分進(jìn)行實(shí)現(xiàn)高規(guī)格的電池管理還處于比較薄弱的狀態(tài)。大型數(shù)據(jù)中心，尤其是指揮類數(shù)據(jù)中心的電池系統(tǒng)規(guī)模正呈現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)模變大、電池?cái)?shù)量變多的發(fā)展跡象，傳統(tǒng)的電池監(jiān)測手段正變得過于單薄，無法滿足數(shù)據(jù)中心的發(fā)展需求。由于電池管理技術(shù)具有多種實(shí)現(xiàn)路徑與應(yīng)用方法，所以，有必要基于指揮類數(shù)據(jù)中心對于電池系統(tǒng)的獨(dú)有需求，借鑒電池管理技術(shù)來形成一套通用有效的數(shù)據(jù)中心電池系統(tǒng)運(yùn)維管理技術(shù)體系。

一、指揮類數(shù)據(jù)中心對于電池運(yùn)維管理的需求

從拓?fù)湟?guī)模上來看，以某戰(zhàn)指系統(tǒng)為例，電池系統(tǒng)采用閥控鉛酸電池作為電池選型，鉛酸電池組成的電池系統(tǒng)需要在線監(jiān)測系統(tǒng)對其進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測，監(jiān)測項(xiàng)包括：電池的電壓、充放電電流，極柱溫度、環(huán)境溫度、電池內(nèi)阻。傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)粒度較為粗，且浮充狀態(tài)下，性能差或不合格電池的數(shù)據(jù)表現(xiàn)并不明顯，如何從較為細(xì)化的監(jiān)測粒度上統(tǒng)籌監(jiān)測、預(yù)測電池系統(tǒng)的健康度并作出定向分析是數(shù)據(jù)中心運(yùn)維者關(guān)心的課題。

除此之外，指揮類數(shù)據(jù)中心電池系統(tǒng)的特殊化運(yùn)維管理需求表現(xiàn)為兩點(diǎn)，一是充放電能力的提升，電池系統(tǒng)應(yīng)盡可能的將其全部電容量都能夠被指揮系統(tǒng)使用，甚至在個(gè)別電池單體出現(xiàn)性能下降的情況發(fā)生時(shí)，整個(gè)電池系統(tǒng)仍不受影響的持續(xù)工作;二是考慮在特殊時(shí)期（戰(zhàn)備、演練等）的高保障需求，指揮系統(tǒng)在處于電池資源短缺時(shí)，保障人員仍然可以將不同廠家、批次的電池單體進(jìn)行排列組合，臨時(shí)形成電池系統(tǒng)同樣具備為指揮系統(tǒng)進(jìn)行電能供應(yīng)。

1.1日常管理類需求

與一般數(shù)據(jù)中心對于電池系統(tǒng)的需求相同，指揮類數(shù)據(jù)中心在電池參數(shù)讀取、電池優(yōu)劣程度分析上的技術(shù)要求如下。

1.電池參數(shù)監(jiān)測：電池單體的電壓、電池內(nèi)阻變化趨勢、電池充放電電流、極柱溫度、環(huán)境溫度的參數(shù)讀取與展示。能夠設(shè)定這些參數(shù)的正常讀數(shù)范圍，并在相應(yīng)參數(shù)超出該范圍時(shí)，系統(tǒng)做出及時(shí)預(yù)警。

2.電池優(yōu)劣程度分析：基于電池參數(shù)的監(jiān)測分析，并能夠結(jié)合其他維度數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行電池優(yōu)劣程度的分析排名。

1.2特殊需求

區(qū)別于一般數(shù)據(jù)中心對于電池系統(tǒng)的需求，指揮類數(shù)據(jù)中心在電池組充放電性能提升、在線故障穩(wěn)壓、差異電池混用等方面，具有如下要求。

1.充放電性能提升：電池組在放電末期，隨著個(gè)體差異的加大，往往是某一只電池達(dá)到放電截止電壓后便停止整組電池的放電，但此時(shí)其他電池單體中還有電量沒有被使用，所以對提升整組電池充放電容量存在著管理需求。

2.預(yù)測性分析：指揮類數(shù)據(jù)中心電池長期運(yùn)行在浮充狀態(tài)下，電池?cái)?shù)量大，導(dǎo)致進(jìn)行整組充放電性能檢驗(yàn)的工作極為繁重，所以電池運(yùn)維管理系統(tǒng)需給出針對性的電池單體性能預(yù)測，以方便運(yùn)維管理人員的針對性運(yùn)檢工作。

3.在線故障隔離：鑒于到指揮類數(shù)據(jù)中心的特殊性質(zhì)，需考慮到整個(gè)電池系統(tǒng)可由臨時(shí)征調(diào)的電池單體組成，電池運(yùn)維管理系統(tǒng)也應(yīng)一定程度上抹平電池單體的差異，保證整組電池的平滑運(yùn)轉(zhuǎn)并保障提供一定的性能輸出，即便在某單節(jié)電池達(dá)到瞬間失效的極端情況，也可以保證整組電池的電壓穩(wěn)定，為指揮系統(tǒng)爭取出足夠的響應(yīng)時(shí)間，使其完成相應(yīng)保護(hù)措施。

二、電池管理技術(shù)

為了支持指揮類數(shù)據(jù)中心電池運(yùn)維管理的應(yīng)用場景，可參考電動(dòng)汽車、電化學(xué)儲(chǔ)能等領(lǐng)域BMS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，重新構(gòu)成一套符合數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)。

2.1動(dòng)力電池BMS技術(shù)借鑒

用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池BMS架構(gòu)主要采用一層集中式電池管理模式，一般分為數(shù)據(jù)采集、電池狀態(tài)計(jì)算、能量管理、安全管理、熱管理、均衡控制、通信功能和人機(jī)接口等組成部分，形成一套結(jié)構(gòu)節(jié)湊、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的軟硬件系統(tǒng)[1]。指揮類數(shù)據(jù)中心的電池運(yùn)維管理系統(tǒng)可在數(shù)據(jù)采集、均衡控制、通信功能、人機(jī)接口等方向進(jìn)行借鑒，其中對于均衡控制的需求尤為強(qiáng)烈，其原因在于數(shù)據(jù)中心使用的鉛酸閥控電池的先天一致性就要比電動(dòng)汽車電芯的一致性差，且長期浮充會(huì)加大這樣的差距。

2.2電化學(xué)儲(chǔ)能BMS技術(shù)借鑒

儲(chǔ)能系統(tǒng)的BMS硬件邏輯一般采用兩層或者三層的模式，BMS系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控各單體電池的工作狀態(tài)，防止電池的過充與過放，還需要與電網(wǎng)進(jìn)行通訊，控制諧波、頻率等關(guān)鍵參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)與PCS以及監(jiān)控系統(tǒng)信息交互，PCS控制器通過CAN接口與BMS通訊獲取電池組狀態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)對電池的保護(hù)性充放電，確保電池運(yùn)行安全[2]。指揮類數(shù)據(jù)中心的電池運(yùn)維管理與儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)擁有更多相似的地方，開參考其分層化、分布式的技術(shù)理念。在電池組的串聯(lián)管理、多串聯(lián)之間的簇管理、上位機(jī)的管理模式等方向進(jìn)行技術(shù)借鑒。二者差異的地方也較多，如在電池選型的不同，需要根據(jù)鉛酸閥控電池的特性進(jìn)行較為細(xì)化的單體管理，充放電倍率、工況管理與負(fù)載類型對于電池放電電流的管理也存在差異，需要結(jié)合數(shù)據(jù)中心UPS的特性進(jìn)行技術(shù)鑒別選取;系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)更有所不同，區(qū)別于儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS的典型三層式架構(gòu)，數(shù)據(jù)中心電池運(yùn)維管理可適當(dāng)省略其中的一層，基本可以忽略其頂層的能量管理調(diào)度工作，轉(zhuǎn)而將其與第二層的電池簇管理做融合。

三、指揮類數(shù)據(jù)中心電池運(yùn)維管理系統(tǒng)的構(gòu)架

可用于指揮類數(shù)據(jù)中心電池運(yùn)維管理系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，應(yīng)當(dāng)滿足對數(shù)據(jù)監(jiān)測、均衡控制、通訊方式、上位機(jī)邏輯、決策算法、在線養(yǎng)護(hù)、故障隔離等技術(shù)需求的實(shí)現(xiàn)，在這里采用一種“雙層旁路管理”的模式，即：

1.電池管理層：每一個(gè)電池單體都旁路并聯(lián)一個(gè)獨(dú)立的電池管理模塊（BMU），每個(gè)電池管理模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測電池單體的運(yùn)行參數(shù)、并可對該電池單體進(jìn)行均衡控制、在電池單體失效時(shí)，可快速的接替電池工作;多個(gè)電池管理模塊可直接組網(wǎng)進(jìn)行能量交換與數(shù)據(jù)傳遞，并于每一電池組開頭串聯(lián)一個(gè)電池簇管理設(shè)備（BCM），以對該電池組進(jìn)行充放電保護(hù)、電流監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測，匯總電池單體管理模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)過預(yù)處理后路由至上位機(jī)進(jìn)行深度的數(shù)據(jù)處理與學(xué)習(xí)決策。

2.數(shù)據(jù)管理層：BMU之間通過一個(gè)獨(dú)立的環(huán)狀菊花鏈通訊鏈路，通過BCU匯總后，作為一個(gè)環(huán)節(jié)繼續(xù)在第二層進(jìn)行二級環(huán)狀菊花鏈通訊的搭建，并匯聚到上位機(jī)中，上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)展示與數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，其數(shù)據(jù)粒度是深入到電池能量均衡交換的級別，達(dá)到能夠形成電池檢修白名單，指向性資產(chǎn)更新等管理目的。

這樣的設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)的益處在于：

1.無源型設(shè)備電源：BMU、BCM設(shè)備都需要電源，區(qū)別于傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)設(shè)備，本架構(gòu)的電池管理設(shè)備不是從市電插座取電，轉(zhuǎn)而從BMU的均衡總線上取電，這使得BCM的負(fù)載通過BMU被均勻分配給了全部電池單體，這同時(shí)解決了在長浮充工況下電池單體長期沒有負(fù)載進(jìn)行性能檢測的問題;而BMU則就近從其對應(yīng)的電池單體上取電，由于BCM、BMU的功率都很低，不會(huì)對電池產(chǎn)生擾動(dòng)。

2.高通訊可靠性：系統(tǒng)依托多級環(huán)狀菊花鏈的通訊方式，任意一個(gè)層級的菊花鏈斷裂后，都可以從另一方向繼續(xù)提供通訊，多級通訊之間不存在中斷風(fēng)險(xiǎn)，更可以協(xié)調(diào)全站電池監(jiān)測時(shí)鐘，防止通訊時(shí)長所帶來的數(shù)據(jù)不協(xié)調(diào)。

3.集約型的容災(zāi)管理：電池組是天生的木桶效應(yīng)系統(tǒng)，任何一個(gè)電池單體的失效、低性能都會(huì)影響整組電池組的性能表現(xiàn)，本系統(tǒng)的架構(gòu)可以將失效電池、低能電池的功率缺失由其他電池單體平均承擔(dān)，保證了整組電池組的不失壓，且延長了電池組的充放電性能。

4.在線型電池養(yǎng)護(hù)：每個(gè)BMU與電池單體進(jìn)行能量交換時(shí)，采用了一種脈沖型電流的方式進(jìn)行，且強(qiáng)度達(dá)到了0.03CI10的強(qiáng)度。

四、結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心的電池運(yùn)維工作是整個(gè)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)維難點(diǎn)，由于電池在數(shù)據(jù)中心中特殊的應(yīng)用情況，運(yùn)維人員長時(shí)間無法對其實(shí)現(xiàn)智能型運(yùn)維，而指揮類數(shù)據(jù)中心對于電池運(yùn)維的特殊需求，又進(jìn)一步加大了該方向的難度。

本文在分析了指揮類數(shù)據(jù)中心電池運(yùn)維的需求后，結(jié)合電動(dòng)汽車領(lǐng)域、電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的技術(shù)特點(diǎn)，在傳統(tǒng)電池運(yùn)維監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了均衡維護(hù)、容災(zāi)隔離、數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)手段，并給出了一套完整的指揮類數(shù)據(jù)中心電池智能運(yùn)維的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框架，在數(shù)據(jù)中心等需要電池智能運(yùn)維場景具有廣闊的應(yīng)用場景。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]馮秋平.新能源汽車動(dòng)力電池關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].時(shí)代汽車.2020（14）：96-97.

[2]劉璐、牛萌、李建林等.電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀與體系架構(gòu)研究[J].電力建設(shè)2020.41.（04）：63-72.