用于并联连接的电池能量存储系统的电荷平衡控制

摘要

根据一个实施例，电池备用系统包括输出端子、并联耦合以向都和到输出端子的外部电子设备提供备用电力的一个或多个BBU、以及控制来自BBU的电力分配的控制电路。BBU中的每个包括具有一个或多个电芯的电池组和调节电力并输出电力到输出端子的转换器。控制电路被配置为控制用于BBU中的每个的占空比，占空比在被用于驱动BBU时调整电力输出，以便平衡BBU之间的电荷。每个BBU的占空比基于跨输出端子的输出电压、流过输出端子的输出电流以及BBU的电池组的特性确定。

说明书

技术领域

本公开的实施例一般涉及具有并联连接的一个或多个备用电池单元以提供备用电力的 备用电池系统。更特别地，本公开的实施例涉及用于执行电荷平衡控制操作和其他操作的备 用电池系统。

背景技术

电池能量存储系统(BES)或电池备用系统(BBS)可以向广泛的电子设备提供电池电 力，电子设备诸如电动车辆(EV)、消费电子产品(例如，便携式消费电子产品，诸如膝上型计算机等)、智能电网、数据中心(例如，数据中心的电子机架)等。在BBS中，大量电 池芯或模块(或电池组)并联连接以向负载提供高电流和高电力。具体地，BBS可以包括多 个电池备用单元(BBU)，每个电池备用单元具有可以与至少一个转换器串联(或并联)连 接的一个或多个电池组，这些电池组向服务器板提供高电流。即使BBU的电池组的额定值 相同，但是单独的电池组可能具有不同的容量，并且可以具有不同的电荷状态(SOC)水平， 这可以是由于各种原因。

例如，电池组(和/或电池组内的电池芯)可以具有不同的制造规格，它们的特性可以随 时间而不同地变化(例如，内阻可以相对于电池的使用年限和暴露于温度而变化)，并且不 同的电池芯(或组)可以具有相对于彼此不同的充电/放电循环等。这些差异可能致使在放电 /充电操作期间的多样性(例如，不同的电池组可以以不同的速率放电等)。组(和/或电池芯) 之间的这些差异可能降低BBS的整体性能，结果，不同电池组的使用寿命可能被缩短，并 且可能发生过充电或过放电问题。

因此，由于电池组中的每个的操作条件可以不完全相同，因此启动控制技术以维持所有 电池组的平衡条件是重要的，以便保证BBS的高效率、可靠性和安全性。这种技术被称为 “电荷平衡”。缺乏有效的方法用以平衡电池芯的电荷。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种电池备用系统(BBS)，包括：输出端子，输出端子待耦合 到外部电子设备；多个备用电池单元(BBU)，多个备用电池单元并联耦合以经由输出端子 向电子设备提供备用电力，其中BBU中的每个包括：电池组，电池组具有一个或多个电池 芯，以及转换器，转换器耦合到电池组以调节电力并将电力输出到输出端子；以及控制电路， 控制电路耦合到BBU中的每个的转换器，其中控制电路被配置为控制用于BBU中的每个 的占空比，占空比在被用于驱动BBU时调整电力输出，以便平衡BBU之间的电荷，其中为每个BBU产生的占空比基于跨输出端子的输出电压、流过输出端子的输出电流以及BBU的电池组的特性。

本发明的另一个方面提供了一种电子机架，包括：布置为堆叠的多个刀片服务器，每个 刀片服务器包括提供数据处理服务的一个或多个服务器；电源，电源耦合到刀片服务器以提 供电力操作服务器；以及电池备用系统(BBS)，BBS耦合到刀片服务器和电源。，BBS包 括：输出端子，输出端子待耦合到外部电子设备，多个备用电池单元(BBU)，多个备用电池单元并联耦合以经由输出端子向电子设备提供备用电力，其中BBU中的每个包括：电池组，电池组具有一个或多个电池芯，以及转换器，转换器耦合到电池组以调节电力并将电力输出到输出端子，以及控制电路，控制电路耦合到BBU中的每个的转换器，其中控制电路 被配置为控制用于BBU中的每个的占空比，占空比在被用于驱动BBU时调整电力输出，以 便平衡BBU之间的电荷，其中为每个BBU产生的占空比基于跨输出端子的输出电压、流过 输出端子的输出电流以及BBU的电池组的特性。

本公开的用于并联连接的电池能量存储系统的电荷平衡控制，通过单独地调整BBU的 电力输出而平衡并联连接的BBU之间的电荷，能够保证BBS的高效率、可靠性和安全性。 此外，BBS能够执行两种电压电流调节操作。BBS包括电压控制电路和电流控制电路，用于 同时调节转换器电压和电流(以及电荷平衡)的目的。

附图说明

这些方面在附图的图中以示例而非限制的方式示出，在附图中相似的附图标记指示相似 的元件。应当注意的是，对本公开的“一”或“一个”方面的引用不一定是同一方面，并且 它们意味着至少一个。此外，为了简明和减少附图的总数，给定的附图可以用于示出多于一 个方面的特征，并且对于给定的方面，并非附图中的所有元件都是必需的。

图1是示出根据一个实施例的电池备用系统(BBS)的示例的框图。

图2是示出根据另一实施例的BBS的示例的示意图。

图3是示出根据一个实施例的电压控制电路的示例的示意图。

图4是示出根据一个实施例的电荷平衡控制电路的示例的示意图。

图5是示出根据一个实施例的电流控制电路的示例的示意图。

图6示出根据一个实施例的包含备用电池组的电子机架的示例。

具体实施方式

现在将参考附图解释本公开的若干方面。无论在给定方面中描述的部分的形状、相对位 置和其它方面未被明确地限定，这里公开的范围就不仅限于所示的部分，所示的部分仅用于 说明的目的。此外，虽然阐述了许多细节，但是应当理解的是，可以在没有这些细节的情况 下实践一些方面。在其它实例中，没有详细示出公知的电路、结构和技术，以免混淆对本说 明书的理解。此外，除非含义明显相反，否则本文所述的所有范围都被认为包括每个范围的 端点。

说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特别特征、 结构或特性可以包括在本公开的至少一个实施例中。在说明书中的各个地方出现的短语“在 一个实施例中”不一定都指同一实施例。

根据一些实施例，本公开的实施例描述了一种能够执行电荷平衡控制过程的BBU，电 荷平衡控制过程通过单独地调整BBU的电力输出而平衡并联连接的BBU之间的电荷。具体地，对于BBU中的每个，BBS产生个性化占空比，占空比在被用于驱动BBU(例如，BBU 的转换器)时调整电力输出，以便实现BBU之间的电荷平衡。为了产生占空比，BBS测量 (或感测)跨母线(或负载)的总线电压并测量流过母线的总线电流，并联连接的BBU耦 合在该母线中。BBS可以测量BBU电池组中的每个的电池特性，以便确定电池组的容量。 例如，可以通过基于BBU转换器的输入电压估计电池组的电荷状态(SOC)确定容量。基 于这些标准，BBU可以个性化BBU中的每个的占空比，以便基于BBU的电力容量单独地 管理电力输出。结果，BBS可以增加BBU的使用寿命并提高整个系统效率。在一些实施例 中，代替(或除了)执行电荷平衡控制，BBS能够执行两种电压电流调节操作。BBS包括电 压控制电路和电流控制电路，用于同时调节转换器电压和电流(以及电荷平衡)的目的。

根据一个方面，电池备用系统包括输出端子、并联耦合以向耦合到输出端子的外部电子 设备提供备用电力的一个或多个BBU、以及控制来自BBU的电力分配的控制电路。BBU中 的每个包括具有一个或多个电池芯的电池组和调节电力并输出电力到输出端子的转换器。控 制电路被配置为控制用于BBU中的每个的占空比，占空比在被用于驱动BBU时调整电力 输出，以便平衡BBU之间的电荷。BBU中的每个的占空比基于跨输出端子的输出电压、流 过输出端子的输出电流以及BBU的电池组的特性确定。

在一个实施例中，控制电路包括电压控制电路，以测量跨输出端子的输出电压，以及基 于输出电压和参考输出电压之间的差产生用于每个BBU的转换器的参考占空比。控制电路 还包括用于每个BBU的电荷平衡电路，电荷平衡电路被配置为基于BBU的电池组的至少 一个特性估计BBU的可用容量。特性包括电池组的电荷状态(SOC)或健康状态(SOH) 中的至少一个。

在一个实施例中，电荷平衡电路包括电荷平衡混合器，以确定BBU的可用容量与BBU 中的至少一些的平均容量之间的差，以及根据差调整平均电流以产生用于BBU的参考电流。 在一个实施例中，控制电路还包括具有电流控制混合器的电流控制电路，以确定用于BBU 的参考电流与从BBU的电源组供应给转换器的电流之间的差。在一个实施例中，转换器可 以是直流(DC)到DC(DC/DC)转换器或直流到交流(DC/AC)转换器。

在一个实施例中，BBS可以实现为可以插入到数据中心的电子机架的插槽中的电力架， 其中电子机架包括多个插槽，以及插槽中的至少一些容纳在其中具有一个或多个服务器的刀 片服务器。当插入BBS时，输出端子可以耦合到电子机架的背板的电力轨。刀片服务器从 背板汲取来自电力轨的电力。BBS被配置为当主电源不可用时向刀片服务器提供备用电力。

根据另一方面，电子机架包括堆叠的刀片服务器、电源以及耦合到电源和刀片服务器的 BBS。BBS包括上述组件中的至少一些。

图1示出根据一个实施例的BBS的示例的框图。具体地，该图示出耦合(例如，经由母线10)到电子设备(或外部负载)6的BBS 1，以便向设备提供电池(备用)电力。母线 是指通常布置在电子机架的背板上的电力轨或电力总线。如本文所述，电子设备可以是被配 置为汲取电池能量的任何设备(例如，数据中心、EV等)。在一个实施例中，BBS 1可以耦 合到两个或多个设备。

BBS 1包括一个或多个BBU 2A-2N和控制器(或控制电路)5。每个BBU 2包括耦合到转换器4的电池组3，以便以I

在一些实施例中，转换器4可以是任何类型的开关模式转换器，诸如直流-直流(DC/DC) 转换器，其可以被配置为在连续传导模式或非连续传导模式中调节电力并将电力输出到母线 中。DC/DC转换器4可以是降压转换器、升压转换器或降压-升压转换器。在另一实施例中， 转换器4可以是直流-交流(DC/AC)转换器(或逆变器)，其被配置为将电池能量(DC电 力)转换为待注入到母线10中的AC电力。在一个方面，转换器4(DC/DC或DC/AC)可 以是双向转换器，其允许电力从电池组3流入母线10，反之亦然(例如，为了对电池组进行 放电和充电)。

在一个实施例中，BBU中的至少一些可以从BBS上移除。具体地，BBU中的每个可以经由彼此连接和/或连接到母线10的连接器(或两个或更多个端子)并联连接。因此，BBU 可以从BBU上断开连接(通过断开连接器)，以便移除BBU和/或使用新的BBU替换该 BBU。本文描述更多关于BBU被移除的情况。

控制器5可以是专用处理器，诸如专用集成电路(ASIC)、通用微处理器、现场可编程 门阵列(FPGA)、数字信号控制器或一组硬件逻辑结构(例如，滤波器、算术逻辑单元和专用状态机)。在一个实施例中，控制器可以是具有模拟元件(例如，电阻器、电容器、电感器等)和/或数字元件(例如，基于逻辑的元件，诸如晶体管等)的组合的电路。控制器还可以包括存储器。

在一个实施例中，控制器5被配置为执行如本文所述的电压调节、电流调节和/或电荷 平衡的组合。具体地，控制器测量电池组中的每个的输出电压V

在这种情况下，特性是电池组中的每个的温度T

图2示出根据另一实施例的BBS的示例的框图。具体地，该图示出由BBS 1(例如，BBS 1的控制器5)执行的以控制BBU 2A-2N之间的电荷平衡的操作以及其他操作，以使 BBU向母线10(其可以耦合到电子设备6)提供电力。在该图中，存在被配置为调节V

在另一实施例中，BBU中的至少一些可以包括集成在其中(例如，在BBU的外壳内)的回路中的至少一个。例如，BBU12A可以包括集成在其中的电池组13A、转换器14A、 电荷平衡回路13A和电流控制回路15A。注意，为了简单起见，将参考第一BBU

现在将描述BBS 1(例如，BBS 1的控制器5)执行电压/电流调节和/或电荷平衡操作的 过程。电压控制回路11被配置为测量(或感测)跨母线10的V

电荷平衡回路13A被配置为根据其可用容量C

电荷平衡回路被配置为基于以下等式获得所有BBU的总容量的平均容量C

在这个等式中，通过将每个BBU的容量估计乘以β确定平均容量，β是对应的BBU的启用/禁用指标。例如，如果BBU从BBS中移除或者它没有正常工作，则对应的指标β被 设置为0。否则，如果BBU正常操作，则对应的指标β被设置为1。在一个实施例中，BBU 可以基于所确定的电池特性确定BBU没有正常工作。例如，当BBU的SOC低于阈值(例 如10％)时，BBU可以将指标设置为0。在另一实施例中，BBU可以基于BBU的过去的过 往性能(例如，基于BBU的温度是否始终高于阈值温度)将指标设置为0。在一个实施例 中，当确定BBU没有正常工作时，可以不为BBU执行如本文所述的电荷平衡和/或电流调 节操作。

回路13A基于C

电流控制回路15A被配置为调节转换器14A的输入电流I

在一个实施例中，用于第N个BBU的占空比D

在等式中，G

在一个实施例中，BBS1能够实时调节总线电压、调节每个转换器的输入电流、以及对 BBU中的每个(或至少一些)进行电荷平衡。如果确定BBU

在一个实施例中，转换器4中的至少一些是单向开关器件，其仅允许电流从对应的电池 组流向(例如，DC/DC)转换器4。在另一实施例中，转换器中的至少一些是双向开关设备。 在这种情况下，当电子设备6是作为外部电源的外部负载时，其可以被配置为通过母线10 提供电力以对BBU的一个或多个电池组充电。

如上所述，BBS可以用作数据中心的电子机架中的备用电源单元。电子机架包括刀片服 务器阵列，每个刀片服务器包括用于数据处理的计算机服务器。电子机架还包括向刀片服务 器提供电力的电源和当电源不可用时向刀片服务器提供备用电力的BBS。BBS包括可以执 行电荷平衡控制操作以保持如上所述的BBS的所有BBU的平衡的组件(例如，控制器电 路)。通过将控制器电路嵌入为BBS的一部分(和/或BBS的BBU中的至少一些)，可以在BBU之间平衡电荷，以便保证BBS的高效率、可靠性和安全性。

图6是示出根据一个实施例的电子机架的示例的框图。电子机架900可以包括一个或多 个服务器插槽以分别包含一个或多个服务器。每个服务器包括一个或多个信息技术(IT)组 件(例如，处理器、存储器、存储设备、网络接口)。参考图3，根据一个实施例，电子机架900包括但不限于CDU 901、机架管理单元(RMU)902(可选的)、电源单元(PSU 950、 BBS 1(其可以包括一个或多个BBU和/或控制电路，如本文所述)以及一个或多个刀片服 务器903A-903D(统称为刀片服务器903)。刀片服务器903可以分别从电子机架900的前 端904或后端905插入到服务器插槽的阵列中。PSU 950和/或BBS 1可以插入到电子机架 900内的服务器插槽903中的任一个中。在一个实施例中，与BBS 1相关联的BBU中的至 少一个可以插入到电子机架900内的服务器插槽903中的任一个中。

注意，尽管这里仅示出四个刀片服务器903A-903D，但是可以在电子机架900内维持更 多或更少的刀片服务器。还应注意的是，CDU 901、RMU 902、PSU 950、BBS 1和刀片服务 器903的特别的位置仅出于说明的目的而示出；CDU 901、RMU 902、BBS 1和刀片服务器903的其它布置或配置也可以被实现。注意，电子机架900可以对环境开放或部分地由机架容器容纳，只要冷却风扇可以产生从前端到后端的气流。

此外，风扇模块可以与刀片服务器903中的每个和BBS 1相关联。在该实施例中，风扇 模块931A-931E，统称为风扇模块931，并且分别与刀片服务器903A-903D和BBS 1相关联。风扇模块931中的每个包括一个或多个冷却风扇。风扇模块931可以安装在刀片服务器903和BBS 1的后端上，以生产从前端904流动、通过刀片服务器903的气隙、并且存在于 电子机架900的后端905处的气流。在一个实施例中，风扇模块中的每个可以安装在刀片服 务器903的后端和BBS 1的一个或多个BBU上。

在一个实施例中，CDU901主要包括热交换器911、液体泵912和泵控制器(未示出)以及一些其它组件，例如贮液器、电源、监控传感器等。热交换器911可为液-液热交换器。热交换器911包括具有入口和出口的第一回路，第一回路具有耦合到外部液体供应/返回管路931-932的第一对液体连接器以形成主回路。耦合到外部液体供应/返回管路931-932的连 接器可以布置或安装在电子机架900的后端905上。液体供应/返回管路931-932耦合到一组

刀片服务器903中的每个可以包括一个或多个IT组件(例如，中央处理单元或CPU、图形处理单元(GPU)、存储器和/或存储设备)。每个IT组件可以执行数据处理任务，其中 IT组件可以包括安装在存储设备中、加载到存储器中并且由一个或多个处理器执行以执行数据处理任务的软件。这些IT组件中的至少一些可以被附接到如上所述的冷却设备中的任一个的底部。刀片服务器903可以包括耦合到一个或多个计算服务器(也称为计算节点，诸如CPU服务器和GPU服务器)的主机服务器(称为主机节点)。主机服务器(具有一个或 多个CPU)通常通过网络(例如，因特网)与客户端接口，以接收对特别的服务的请求，特 别的服务诸如存储服务(例如，诸如备份和/或恢复的基于云的存储服务)、执行应用以执行 某些操作(例如，作为软件即服务或SaaS平台的一部分的图像处理、深度数据学习算法或 建模等)。响应于请求，主机服务器将任务分配给由主机服务器管理的一个或多个性能计算 节点或计算服务器(具有一个或多个GPU)。性能计算服务器执行实际任务，其可能在操作 期间产生热量。

电子机架900还包括可选的RMU 902，其被配置为提供和管理提供给服务器903、风扇 模块931和CDU 901的电力。优化模块921和RMC 922可以与应用中的一些的控制器通信。RMU902可以耦合到PSU 950以管理PUS的电力消耗。PSU 950可以包括必要的电路 (例如，交流(AC)到直流(DC)或DC到DC电力转换器、备用电池、变压器或调节器 等)以向电子机架900的其余组件提供电力。

在一个实施例中，RMU 902包括优化模块921和机架管理控制器(RMC)922。RMC 922可以包括监视器，用于监视电子机架900内的各种部件的操作状态，例如计算节点903、 CDU901和风扇模块931。具体地，监视器从表示电子机架900的操作环境的各种传感器接 收操作数据。例如，监测器可以接收表示处理器、冷却液体和气流的温度的操作数据，其可 以经由各种温度传感器捕获和收集。监视器还可以接收表示由风扇模块931和液体泵912产 生的风扇电力和泵电力的数据，电力可以与它们相应的速度成比例。这些操作数据被称为实时操作数据。注意，监视器可以实现为RMU 902内的分离的模块。

基于操作数据，优化模块921使用预定的优化函数或优化模型执行优化，以导出一组用 于风扇模块931的最优风扇速度和用于液体泵912的最优泵速度，使得液体泵912和风扇模 块931的总电力消耗达到最小，同时与液体泵912和风扇模块931的冷却风扇相关联的操作 数据在它们相应的设计规范内。一旦确定了最优泵速度和最优风扇速度，RMC922就基于最 优泵速度和风扇速度配置液体泵912和风扇模块931的冷却风扇。

作为示例，基于最优泵速，RMC922与CDU901的泵控制器通信以控制液体泵912的速度，这又控制供应到待分配到刀片服务器903中的至少一些的液体歧管925的冷却液体的液体流速。因此，操作条件和对应的冷却设备性能被调节。类似地，基于最优风扇速度，RMC922与风扇模块931中的每个通信以控制风扇模块931的每个冷却风扇的速度，这又控制风扇模块931的气流速率。注意，风扇模块931中的每个可以用其特定的最优风扇速度单独地控制，并且在同一风扇模块中的不同风扇模块和/或不同冷却风扇可以具有不同的最优风扇速 度。

注意，服务器903的IT组件中的一些或全部(例如，903A、903B、903C和/或903D) 可以经由使用散热器的空气冷却或者经由使用冷却板的液体冷却而被附接到上述冷却设备中的任一个。一个服务器可以利用空气冷却，而另一服务器可以利用液体冷却。或者，服务器的一个IT组件可以利用空气冷却，而相同服务器的另一IT组件可以利用液体冷却。此外，这里未示出开关，该开关可以是空气冷却的或液体冷却的。

在前述说明书中，已经参考本公开的具体示例性实施例描述了本公开的实施例。但是很 明显，在不脱离所附权利要求中阐述的本公开的更宽的精神和范围的情况下，可以对其进行 各种修改。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。

如先前所解释，本发明的方面可以是其上存储有指令的非暂时性机器可读介质(诸如微 电子存储器)，指令对一个或多个数据处理组件(本文中一般称为“处理器”)进行编程以执 行电压调节操作、电流调节操作及电荷平衡控制操作。在其它方面，这些操作中的一些可以 由包含硬连线逻辑的特定硬件组件执行。这些操作可以可替换地由编程的数据处理组件和固 定的硬连线电路组件的任何组合执行。

虽然已经描述了某些方面并且在附图中示出，但是应当理解的是，这些方面仅仅是对宽 泛的公开的说明而非限制，并且本公开不限于所示出和描述的具体构造和布置，因为本领域 普通技术人员可以想到各种其他修改。因此，本说明书应被认为是说明性的而非限制性的。

在一些方面，本公开可以包括语言，例如，“[元件A]和[元件B]中的至少一个”。这种语 言可以指元件中的一个或多个。例如，“A和B中的至少一个”可指“A”、“B”或“A和B”。具体地，“A和B中的至少一个”可指“A中的至少一个和B中的至少一个”或“A或B中 的至少一个”。在一些方面，本公开可以包括语言，例如，“[元件A]、[元件B]和/或[元件C]”， 该语言可指元件中的任一个或其任何组合。例如，“A、B和/或C”可指“A”、“B”、“C”、 “A和B”、“A和C”、“B和C”或“A、B和C”。