数据中心智能后备锂电系统设计

钟伟龙，邹建忠，林艺成

（科华数据股份有限公司，福建 厦门 361000）

0 引 言

随着5G通信、物联网、AI、大数据等新技术的迅速发展，数据业务的需求也日益增加，而数据中心作为新技术实现的基石，其可靠性、安全性和能耗直接影响到业务开展的效率。当今，在“双碳”和“东数西算” 的政策下，数据中心机房的建设呈现规模化发展，信息设备的数量也急剧增长。任何信息设备都离不开电源供电，供电质量是保障信息系统安全工作的重点之一。因此，数据中心对供配电系统的可靠性要求也随之增高，不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）作为后备电源能保障数据中心的正常供电，其中储能电池技术将发挥越来越重要的作用。

长久以来，UPS中的储能电池一直采用铅酸蓄电池，但是铅酸蓄电池的生命周期短、日常维护费用高、占地面积大、承重大等特点常常广受诟病，难以满足数据中心建设的新要求[1]。而绿色环保、节能高效、智能管控等理念逐渐引起了数据中心对储能电池技术的变革。近年来，磷酸铁锂电池在移动通信基站已规模化应用，工业和信息化部公布的行业标准标志了其在通信领域的成熟应用，数据中心则也开始推广应用磷酸铁锂电池[2,3]。因此，各大运营商在机房建设方面为了提高数据中心供电的可靠性，如何设计好数据中心后备锂电系统方案成为运营商重点考虑的因素之一。

1 数据中心对锂电池的关注重点

数据中心对锂电池的选择一般关注3个方面，即安全性、智能化和可维护性。

1.1 安全性

锂电池爆炸过往频频发生，因此各厂家用户目前十分关注锂电池的安全问题。由于数据中心的锂电池能量密度高，一般会是铅酸蓄电池的3倍以上，如果缺乏合理的电气保护设计和电池管理系统（Battery Management System，BMS），锂电池的安全风险会很大[4]。而锂电池的安全很大程度上取决于“高质的电芯生产和质量管控”和“完善的BMS系统设计”。

1.2 智能化

数据中心锂电池的电芯节数多，若缺乏智能化地对电芯精准控制和智能调节功率输出策略的话，锂电池的使用效率会大大降低且成本也不断增加。

数据中心的运维管理一直以来需要人工耗费大量时间巡检且运维费用高，若锂电池能够将电池参数等自动上传，则也能降低运维方面的难度。

1.3 可维护性

传统铅酸蓄电池需要定期巡检和更换，以致日常维护成本高。数据中心锂电池需关注安装、巡检、更换使用等方面的便捷性。

2 磷酸铁锂电池技术特点

2.1 磷酸铁锂电池原理

锂电池是一种电化学装置，充电时将电能转化为化学能储存，放电时将化学能转化为电能释放。锂电池的阳极材料为碳基，阴极为金属氧化物，电解质溶液为六氟磷酸锂。磷酸铁锂电池是锂电池中的一种，目前业界主流的锂电池主要有钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池和三元锂电池。磷酸铁锂电池结构稳定，适用于通信领域这种需要高可靠性的后备电源[5]。

2.2 与铅酸蓄电池的技术指标对比

磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池的技术指标对比如表1所示。

表1 磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池的技术指标的区别

总的来说，磷酸铁锂电池与传统的铅酸电池相比，具有能量密度高、单体电压高、占地面积小、屋内架构承重轻、使用寿命长、耐高低温环境能力强、大电流快速充电以及绿色环保等优点。对比铅酸电池，磷酸铁锂电池在价格上存在劣势，但能改善数据中心供配电系统的不足之处，也更能满足未来数据中心机房建设的发展要求。随着电池技术和产业规模化进一步成熟，锂电池的价格也将逐步降低。

2.3 磷酸铁锂电池存在的应用问题

锂电池作为UPS的储能部分，在当前数据中心的使用中存在以下问题。

（1）配置单一。锂电池电芯规格少，容易造成电池组容量超配的问题，同时无法满足客户灵活的备电时间要求和降本的需求。

（2）安全风险。锂电池存在两方面安全风险。一方面如果电池未能有效与UPS交流侧隔离，电池一旦发生漏液就会造成电池对地绝缘失效，从而引发电池直流对地短路的风险，甚至会造成UPS失效，出现高压倒灌到电池的现象，产生电池过压风险。另一方面锂电池的电池组串联数过多，极易造成系统安全问题。若是电池组发生单一故障，极易引发连锁反应，扩大故障范围。

（3）健康监测。锂电池组的单体数量多，锂电池单体健康监测颗粒度不够，无法提前预警或及时对锂电池进行有效保护。

3 智能后备锂电系统解决方案

针对锂电池存在的应用问题，先介绍了所提出的智能后备锂电系统的架构，然后从锂电池的安全设计、智能设计和极简设计这3方面对该技术方案进行分析。

3.1 智能后备锂电系统架构介绍

锂电系统搭配UPS主机，作为数据中心的后备电源。锂电系统框图如图1所示，由多个锂电池模块和保护单元组成。该系统具有锂电模块并联工作和多柜并联的功能。

图1 锂电系统框图

锂电池模块是由多节锂电池单体和一套隔离型双 向 直 流（Direct Current/Direct Current，DC/DC） 控制系统组成。该模块具有两路直流电压输出能力，输出可以并联或者串联连接，实现锂电系统多种电压输出模式，满足不同UPS的直流供电需求。

保护单元由断路器、消防部件组成，实现机柜的安全、保护功能。

3.2 锂电池的安全设计

该锂电系统的安全设计内容包括电源系统的隔离设计、低电压设计和系统安全与消防和多级BMS管理。

3.2.1 电源系统的隔离设计

锂电池模块内置隔离型DC/DC控制系统，多个锂电模块自主并联。该方案具有以下作用：杜绝由电芯漏液引发直流短路拉弧的风险；模块可独立进行在线电芯绝缘检测，使得模块能提前对短路风险预警，及时保护模块安全，且能精准定位故障模块；大大降低由于电气失效造成过电压的风险；在模块发生故障后自动与系统隔离。故障点限制在单个锂电池模块，减少影响范围，降低系统断电风险。

3.2.2 低电压设计

每个锂电池模块内置隔离型DC/DC控制系统，在关机时该模块可控制端口零电压输出，杜绝带电操作的风险。同时，每个锂电池模块采用多节电芯组合，降低系统的电芯串联个数，提升电芯的利用率。

3.2.3 系统安全与消防

锂电池模块内置电芯级消防灭火药剂，该药剂能直接作用在电芯上，实现精准、高效的控制能力，达到电芯失效不扩散的效果。

在UPS充电失控模式下，隔离型DC/DC控制系统能有效断开充电母线，达到锂电系统失效时只冒烟不起火的安全目标。

3.2.4 多级BMS管理

3级BMS控制系统示意图如图2所示。3级BMS控制系统由锂电池模块（Power Battery Management Unit，PBMU），电池组管理单元（Slave Battery Management Unit，SBMU）、电池系统管理单元（Master Battery Management Unit，MBMU）和保护单元组成。该控制系统能实现锂电池的全方位监测与控制。锂电系统管理单元从宏观数据上进行分析，实时监测，提早预警。

图2 3级BMS控制示意图

锂电池模块管理单元直接对温度管理、电压管理、短路防护和绝缘防护进行安全管理，并上报电池组管理单元。

电池组管理单元收集机柜内所有锂电池模块的管理数据，进行故障预警、记录存储，并将管理数据上报给电池系统管理单元。同时，它也接收电池系统管理单元的指令，对锂电池模块进行智能化管理。

电池系统管理单元收集各个电池组管理单元模块的所有管理数据，进行系统级的故障预警，记录存储，以及电池健康度预测。

3.3 锂电池的智能设计

该锂电系统的智能设计内容包括智能均衡、分组核容和健康诊断。

3.3.1 智能均衡

锂电池模块并联工作，通过电池系统管理单元和电池组管理单元的协同控制，实现以下功能。电芯的一致性从系统级别缩小到模块级别，和模块级别的智能功率调配方式实现新旧电池混用的功能。智能功率调配是电池组中不同容量的电池能够根据自身剩余容量的大小自动调节输出的功率，电芯一致性指一组锂电池的容量、电压等重要特征参数的趋同性。控制DC/DC控制系统能够实现各个模块电池剩余容量（State Of Charge，SOC）放电均衡，最大限度延长UPS后备时间。多个不同SOC的模块同时开始放电，经过系统调节，最终实现模块共同停止工作。

3.3.2 分组核容

分组核容是指电池系统管理单元可对任意锂电池模块充、放电控制且对所有锂电池模块划分为多组，并按组精准测试电池容量，其中一组正常测试时，其他组则实时待机，避免UPS断电的风险。

3.3.3 健康诊断

3级BMS控制系统实时在线监控管理，以大数据健康诊断的方式提前预警电池故障状态。

3.4 锂电池的极简设计

该锂电系统的极简设计内容包括模块安装和运维管理。

3.4.1 模块安装

锂电系统采用模块并联工作模式，实现系统容量的灵活配置，满足客户不同备电时间的需求。锂电系统的模块端口零电压的设计，实现安装过程无触电风险，保障人身安全。

锂电系统的模块化设计可以根据业务动态发展的需要，在线分期扩容，确保业务不中断，提升资金利用率。该设计支持模块级或机柜级扩容，可实现现场分钟级的安装，缩短工期，减少人力投入。

3.4.2 运维管理

锂电系统采用模块化技术和电芯级的管理方式来运维管理，无需再对整柜的电芯进行配组，只需管理锂电池模块内所有电芯的一致性，友好地支持新旧电池的混用，降低分期扩容难度。模块热拔插的设计使得锂电系统在维护过程中不会断电，更是能在分钟级内更换故障模块，降低电池更换风险。智能健康管理技术能够生成锂电系统电池健康报告，运维人员不再需要手动地对锂电池进行参数检测。

4 结 论

随着大数据时代的到来，数据中心供配电系统的安全性、智能化和可维护性至关重要。与铅酸电池相比，磷酸铁锂电池具有高能量密度、使用寿命长、占地面积小、工作温度范围更宽等优势，因此锂电池特别适用于数据中心机房的建设。随着电池技术的发展和绿色环保理念逐渐深入，本文所提出的智能后备锂电系统解决方案会成为未来数据中心后备电源解决方案的重要选择之一。