指揮類數據中心電池智能運維系統的應用設計

王亞奇 王萬龍 孟器宇

【摘要】? ? 大型數據中心都會選擇電池系統作為備用電源的最后屏障，在以UPS系統為數據中心備電依托的故障中，與蓄電池相關的原因占30%以上，傳統的電池監測技術不能完全滿足大型數據中心電池系統的智能化運維要求，同時指揮類數據中心擁有自身對于電池管理的特殊需求。從數據中心運維管理者的角度，借鑒電動汽車、儲能行業的電池管理技術，構建一種符合指揮類數據中心自動化運維管理需求的體系。并對該運維管理體系中的技術指標進行試驗驗證，為其他大型數據中心的電池系統自動化運維管理提供思路和參考。

【關鍵詞】? ? 電池管理? ? 數據中心? ? 運維管理? ? 備用電源

引言：

對于數據中心而言，電池系統也是不可或缺的組成部分，但對于該部分進行實現高規格的電池管理還處于比較薄弱的狀態。大型數據中心，尤其是指揮類數據中心的電池系統規模正呈現系統規模變大、電池數量變多的發展跡象，傳統的電池監測手段正變得過于單薄，無法滿足數據中心的發展需求。由于電池管理技術具有多種實現路徑與應用方法，所以，有必要基于指揮類數據中心對于電池系統的獨有需求，借鑒電池管理技術來形成一套通用有效的數據中心電池系統運維管理技術體系。

一、指揮類數據中心對于電池運維管理的需求

從拓撲規模上來看，以某戰指系統為例，電池系統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需要在線監測系統對其進行參數監測，監測項包括：電池的電壓、充放電電流，極柱溫度、環境溫度、電池內阻。傳統監測系統的監測數據粒度較為粗，且浮充狀態下，性能差或不合格電池的數據表現并不明顯，如何從較為細化的監測粒度上統籌監測、預測電池系統的健康度并作出定向分析是數據中心運維者關心的課題。

除此之外，指揮類數據中心電池系統的特殊化運維管理需求表現為兩點，一是充放電能力的提升，電池系統應盡可能的將其全部電容量都能夠被指揮系統使用，甚至在個別電池單體出現性能下降的情況發生時，整個電池系統仍不受影響的持續工作;二是考慮在特殊時期（戰備、演練等）的高保障需求，指揮系統在處于電池資源短缺時，保障人員仍然可以將不同廠家、批次的電池單體進行排列組合，臨時形成電池系統同樣具備為指揮系統進行電能供應。

1.1日常管理類需求

與一般數據中心對于電池系統的需求相同，指揮類數據中心在電池參數讀取、電池優劣程度分析上的技術要求如下。

1.電池參數監測：電池單體的電壓、電池內阻變化趨勢、電池充放電電流、極柱溫度、環境溫度的參數讀取與展示。能夠設定這些參數的正常讀數范圍，并在相應參數超出該范圍時，系統做出及時預警。

2.電池優劣程度分析：基于電池參數的監測分析，并能夠結合其他維度數據分析，進行電池優劣程度的分析排名。

1.2特殊需求

區別于一般數據中心對于電池系統的需求，指揮類數據中心在電池組充放電性能提升、在線故障穩壓、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，隨著個體差異的加大，往往是某一只電池達到放電截止電壓后便停止整組電池的放電，但此時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.預測性分析：指揮類數據中心電池長期運行在浮充狀態下，電池數量大，導致進行整組充放電性能檢驗的工作極為繁重，所以電池運維管理系統需給出針對性的電池單體性能預測，以方便運維管理人員的針對性運檢工作。

3.在線故障隔離：鑒于到指揮類數據中心的特殊性質，需考慮到整個電池系統可由臨時征調的電池單體組成，電池運維管理系統也應一定程度上抹平電池單體的差異，保證整組電池的平滑運轉并保障提供一定的性能輸出，即便在某單節電池達到瞬間失效的極端情況，也可以保證整組電池的電壓穩定，為指揮系統爭取出足夠的響應時間，使其完成相應保護措施。

二、電池管理技術

為了支持指揮類數據中心電池運維管理的應用場景，可參考電動汽車、電化學儲能等領域BMS技術的實現方式，重新構成一套符合數據中心的系統。

2.1動力電池BMS技術借鑒

用于電動汽車的動力電池BMS架構主要采用一層集中式電池管理模式，一般分為數據采集、電池狀態計算、能量管理、安全管理、熱管理、均衡控制、通信功能和人機接口等組成部分，形成一套結構節湊、環境適應性強的軟硬件系統[1]。指揮類數據中心的電池運維管理系統可在數據采集、均衡控制、通信功能、人機接口等方向進行借鑒，其中對于均衡控制的需求尤為強烈，其原因在于數據中心使用的鉛酸閥控電池的先天一致性就要比電動汽車電芯的一致性差，且長期浮充會加大這樣的差距。

2.2電化學儲能BMS技術借鑒

儲能系統的BMS硬件邏輯一般采用兩層或者三層的模式，BMS系統負責監控各單體電池的工作狀態，防止電池的過充與過放，還需要與電網進行通訊，控制諧波、頻率等關鍵參數，并實現與PCS以及監控系統信息交互，PCS控制器通過CAN接口與BMS通訊獲取電池組狀態信息，可實現對電池的保護性充放電，確保電池運行安全[2]。指揮類數據中心的電池運維管理與儲能電池管理系統擁有更多相似的地方，開參考其分層化、分布式的技術理念。在電池組的串聯管理、多串聯之間的簇管理、上位機的管理模式等方向進行技術借鑒。二者差異的地方也較多，如在電池選型的不同，需要根據鉛酸閥控電池的特性進行較為細化的單體管理，充放電倍率、工況管理與負載類型對于電池放電電流的管理也存在差異，需要結合數據中心UPS的特性進行技術鑒別選取;系統的分層結構更有所不同，區別于儲能系統BMS的典型三層式架構，數據中心電池運維管理可適當省略其中的一層，基本可以忽略其頂層的能量管理調度工作，轉而將其與第二層的電池簇管理做融合。

三、指揮類數據中心電池運維管理系統的構架

可用于指揮類數據中心電池運維管理系統的技術架構，應當滿足對數據監測、均衡控制、通訊方式、上位機邏輯、決策算法、在線養護、故障隔離等技術需求的實現，在這里采用一種“雙層旁路管理”的模式，即：

1.電池管理層：每一個電池單體都旁路并聯一個獨立的電池管理模塊（BMU），每個電池管理模塊負責監測電池單體的運行參數、并可對該電池單體進行均衡控制、在電池單體失效時，可快速的接替電池工作;多個電池管理模塊可直接組網進行能量交換與數據傳遞，并于每一電池組開頭串聯一個電池簇管理設備（BCM），以對該電池組進行充放電保護、電流監測、環境監測，匯總電池單體管理模塊的數據，經過預處理后路由至上位機進行深度的數據處理與學習決策。

2.數據管理層：BMU之間通過一個獨立的環狀菊花鏈通訊鏈路，通過BCU匯總后，作為一個環節繼續在第二層進行二級環狀菊花鏈通訊的搭建，并匯聚到上位機中，上位機軟件進行數據展示與數據學習，其數據粒度是深入到電池能量均衡交換的級別，達到能夠形成電池檢修白名單，指向性資產更新等管理目的。

這樣的設備系統架構的益處在于：

1.無源型設備電源：BMU、BCM設備都需要電源，區別于傳統的電池管理系統設備，本架構的電池管理設備不是從市電插座取電，轉而從BMU的均衡總線上取電，這使得BCM的負載通過BMU被均勻分配給了全部電池單體，這同時解決了在長浮充工況下電池單體長期沒有負載進行性能檢測的問題;而BMU則就近從其對應的電池單體上取電，由于BCM、BMU的功率都很低，不會對電池產生擾動。

2.高通訊可靠性：系統依托多級環狀菊花鏈的通訊方式，任意一個層級的菊花鏈斷裂后，都可以從另一方向繼續提供通訊，多級通訊之間不存在中斷風險，更可以協調全站電池監測時鐘，防止通訊時長所帶來的數據不協調。

3.集約型的容災管理：電池組是天生的木桶效應系統，任何一個電池單體的失效、低性能都會影響整組電池組的性能表現，本系統的架構可以將失效電池、低能電池的功率缺失由其他電池單體平均承擔，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.在線型電池養護：每個BMU與電池單體進行能量交換時，采用了一種脈沖型電流的方式進行，且強度達到了0.03CI10的強度。

四、結束語

數據中心的電池運維工作是整個數據中心的運維難點，由于電池在數據中心中特殊的應用情況，運維人員長時間無法對其實現智能型運維，而指揮類數據中心對于電池運維的特殊需求，又進一步加大了該方向的難度。

本文在分析了指揮類數據中心電池運維的需求后，結合電動汽車領域、電化學儲能領域的技術特點，在傳統電池運維監測系統的基礎上引入了均衡維護、容災隔離、數據分析等先進技術手段，并給出了一套完整的指揮類數據中心電池智能運維的系統實現框架，在數據中心等需要電池智能運維場景具有廣闊的應用場景。

參? 考? 文? 獻

[1]馮秋平.新能源汽車動力電池關鍵技術的研究現狀[J].時代汽車.2020（14）：96-97.

[2]劉璐、牛萌、李建林等.電化學儲能系統標準現狀與體系架構研究[J].電力建設2020.41.（04）：63-72.