电池备用单元以及操作电池备用单元的方法

技术领域

所公开的实施例总体上涉及用于信息技术(IT)设备的电池备用单元(BBU)，并且更具体地但非排他地涉及一种具有被动两相冷却的BBU。

背景技术

像云计算中心这样的现代数据中心容纳有大量信息技术(IT)设备，如服务器、刀片服务器、路由器、边缘服务器、电源单元(PSU)、电池备用单元(BBU)等。各个IT设备通常容纳在计算中心内的机架中，每个机架中有多个IT设备。机架在数据中心内通常被分组为集群。

每个机架中的IT设备的主要电源通常是设施电源，如由电力公司提供给数据中心的电力。顾名思义，BBU旨在当主电源发生故障或必须离线进行维修时或在其他场景下(如在用电高峰期间)为机架中的IT设备提供备用电力。当BBU在向机架中的IT设备供电时，BBU中的能量储存单元(例如，电池)进行放电。当BBU未向IT设备供电时，电池要么空闲(即，既不充电也不放电)要么正在由主电源充电。对电池进行充电和放电会产生热量，这意味着BBU中的电池有时可能需要冷却。随着机架中IT设备功耗的增加，电池发热变得更加成问题：更高的能耗需要更高的电池放电率，这会产生更多的热量，并且更快的电池充电同样会产生更多的热量。用于电池备用单元和系统的现有解决方案仍然需要电力来运行使电池保持正常工作的冷却系统，但这些电池冷却系统本身也需要电力，这在BBU用于获得备用电力时是成问题的。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供了一种电池备用单元BBU，包括：电池堆，所述电池堆适于浸没在液相的两相冷却流体中，所述电池堆包括N个电池单体，N≥2，每个电池单体具有顶表面，其中，所述电池单体按升序堆叠，第一个电池单体是所述电池堆中最下方的电池单体，并且第N个电池单体是所述电池堆中最上方的电池单体，并且其中，所述两相冷却流体的液体表面与所述第N个电池单体的顶表面之间的初始距离以及所述电池堆中每两个连续的电池单体的顶表面之间的单体间距离是基于所述电池单体的储存容量和所述两相冷却流体的热性质来确定的。

根据本公开的另一个方面，提供了一种操作电池备用单元BBU的方法，所述方法包括：将电池堆浸没在液相的两相冷却流体中，所述电池堆包括N个电池单体，N≥2，每个电池单体具有顶表面，其中，所述电池单体按升序堆叠，第一个电池单体是所述电池堆中最下方的电池单体，并且第N个电池单体是所述电池堆中最上方的电池单体；以从所述第N个电池单体开始并且按降序继续进行至所述第一个电池单体的顺序对每个电池单体进行放电，其中：每个电池单体放电直至所述两相冷却流体的液体表面基本上与所述电池单体的顶表面重合为止；并且当所述两相冷却流体的液体表面基本上与所述电池单体的顶表面重合时，所述电池单体停止放电，并且所述顺序中的下一电池单体开始放电。

附图说明

下面参考以下附图描述了本发明的非限制性且非详尽的实施例，在附图中，除非另外指明，否则在各个视图中，相似的附图标记指代相似的部分。

图1是电池备用单元的实施例的侧视图。

图2是多功能单元的实施例的侧视图。

图3是电池备用单元的另一实施例的侧视图。

图4A至图4B是电池备用单元的实施例的侧视图，图示了所述电池备用单元的操作。

图5是电池备用单元、如图4A至图4B的BBU的操作的实施例的流程图。

具体实施方式

描述了电池备用单元(BBU)的实施例。描述具体细节是为了提供对实施例的理解，但相关领域的技术人员应认识到，本发明可以在没有所描述的细节中的一个或多个细节的情况下实践或利用其他方法、部件、材料等实践。在一些实例中，公知的结构、材料或操作并未详细示出或描述，但仍然涵盖在本发明的范围内。

贯穿本说明书提及“一个实施例”或“实施例”意味着所描述的特征、结构或特性可以包括在至少一个所描述的实施例中，因此“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现不一定都是指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合所描述的特征、结构或特性。如本申请中所使用的，如“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“侧面”、“侧向”、“纵向”等方向性术语是指实施例在附图中呈现时的取向，但任何方向性术语在实际使用时都不应被解释为暗示或要求所描述实施例的特定取向。

描述了电池备用单元(BBU)的实施例，电池备用单元对冷却进行高效管理而无需任何附加电力。这是非常高效的解决方案。BBU包括多功能单元，该多功能单元在IT壳体中用于堆叠电池单体。多功能单元使得不同的电池单体能够基于其设计的放电时间和容量堆叠在不同的高度处。高度位置与电池功能是高度相关且关联的。电池单体彼此上下堆叠并浸没在液相的两相冷却流体中。然后，电池堆中的电池单体以从所述堆中顶部的电池单体到所述堆中底部的电池单体的顺序连续放电，并且电池放电使两相流体的深度下降。实施例提供了用于填充电池备用包并以极高的效率和可用性操作所述电池备用包的设计。所公开的实施例的特征和益处包括：

·对高功率-密度能量单元的热管理。

·用于运行电池备用单元的实际场景。

·对两相冷却剂的高效管理。

·解决方案的灵活性高，适应不同的服务器和IT系统以及不同的备用时间要求。

·电池单体性能增强。

·放电期间的电池备用时间增强。

·易于检修和维护。

·设计针对不同部署规模高度可扩展。

在一方面，电池备用单元(BBU)包括适于保持两相冷却流体的信息技术(IT)壳体。电池堆适于定位在IT壳体内并浸没在液相的两相冷却流体中。电池堆包括N个电池单体，N≥2，并且每个电池单体具有顶表面。电池单体按升序堆叠，其中，第一个电池单体是电池堆中最下方的电池单体，并且第N个电池单体是电池堆中最上方的电池单体。两相冷却流体的液体表面与第N个电池单体的顶表面之间的初始距离以及该堆中每两个连续的电池单体的顶表面之间的单体间距离是基于电池单体的储存容量和两相冷却流体的热性质来确定的。

在一个实施例中，两相冷却流体的热性质包括其比热容和蒸发率。在实施例中，每个电池堆还包括一对多功能单元，其中，每个多功能单元包括具有一组支撑件的堆叠结构，并且支撑件之间的距离为给定的电池单体功率容量提供所需的单体间距离，并且其中，该电池堆中的每个电池单体由一对对应的支撑件支撑，一对对应的支撑件中的每个支撑件来自一对多功能单元中相应的一个多功能单元。

在另一实施例中，BBU还包括：N个液位传感器，每个液位传感器基本上与对应的电池单体的顶表面对齐；N个开关，每个开关耦接至对应的电池单体；以及控制器，控制器通信地耦接至N个液位传感器和N个开关，其中，控制器使用每个开关在对应的液位传感器确定对应的电池单体的顶表面不再浸没在两相冷却流体中时关闭该电池单体。

在其他实施例中，BBU还包括电气总线，电气总线电耦接至电池堆中的N个电池单体，并且在又另一实施例中，BBU还包括蒸气收集器，蒸气收集器耦接至IT容器的顶部。在实施例中，蒸气收集器处于内部、处于外部，或者部分处于内部且部分处于外部。在另一实施例中，蒸气收集器具有流体入口、流体出口、以及耦接在流体入口中的泵，以使外部冷却流体通过蒸气收集器循环。

在又其他实施例中，BBU还包括至少一个附加电池堆，至少一个附加电池堆定位在IT容器中并浸没在两相冷却流体中。在一个实施例中，附加电池堆具有M个电池单体，并且M≠N。

在另一方面，一种操作电池备用单元(BBU)的方法包括：将电池堆浸没在液相的两相冷却流体中，电池堆包括N个电池单体，N≥2，每个电池单体具有顶表面。电池单体按升序堆叠，第一个电池单体是电池堆中最下方的电池单体，并且第N个电池单体是电池堆中最上方的电池单体。以从第N个电池单体开始、然后按降序继续进行至第一个电池单体的顺序对每个电池单体进行放电。每个电池单体放电直至两相冷却流体的液体表面基本上与电池单体的顶表面重合为止。当两相冷却流体的液体表面基本上与电池单体的顶表面重合时，电池单体停止放电，并且顺序中的下一电池单体开始放电。

一些实施例还包括：基于电池单体的储存容量和两相冷却流体的热性质，确定两相冷却流体的表面与第N个电池单体的顶表面之间的初始距离以及该堆中每两个连续的电池单体的顶表面之间的单体间距离。在实施例中，两相冷却流体的热性质包括其比热容和蒸发率。

实施例还包括：用其中具有一组N个支撑件的至少一个多功能单元来支撑电池堆中的每个电池单体，支撑件的位置提供单体间距离以及两相冷却流体的表面与第N个电池单体的顶表面之间的初始距离。

另一实施例还包括：将液位传感器与每个电池单体的顶表面对齐；将开关耦接至每个电池单体；以及针对每个电池单体，在该电池单体对应的液位传感器确定该电池单体的顶表面不再浸没在两相冷却流体中时，关闭该电池单体对应的开关。

又另一实施例还包括将电气总线电耦接至电池堆中的N个电池单体。其他实施例还包括将蒸气收集器耦接至IT容器，并且又其他实施例还包括使外部冷却流体通过蒸气收集器循环。其他实施例还包括将至少一个附加电池堆浸没在两相冷却流体中。在一个实施例中，附加电池堆具有M个电池单体，其中，M≠N。

图1图示了电池备用单元(BBU)100的实施例。BBU 100包括信息技术(IT)容器102，IT容器被设计成部分地或全部填充有液相的两相浸入式冷却流体104。在图示的实施例中，两相冷却流体104保持在容器102的下部部分中，但在其他实施例中，两相冷却流体可以保持在IT容器的不同部分中。

一个或多个电池堆定位在IT容器102内并浸没在液相的两相冷却流体104中。图示的实施例具有两个电池堆A和B，但其他实施例可以包括比所示更多或更少的电池堆。每个电池堆包括N个单独的电池单体，其中，N≥2。在图示的实施例中，每个电池堆具有六个电池单体(即，N＝6)，但在其他实施例中，每个电池堆可以具有比所示更多或更少的电池单体，并且在具有多个电池堆的实施例中，所有堆无需具有相同数量的电池单体(参见例如图4A至图4B)。每个堆中的所有电池单体都电耦接至电气总线110，通过该电气总线将电力输送至IT容器102中的其他部件，如服务器或其他类型的IT设备。

在每个堆中，电池单体都按升序以竖直方式堆叠。例如，在堆A中，第一个电池单体A1在底部，第二个电池单体A2紧接着在A1上方，第三个电池单体A3紧接着在A2上方，以此类推直至第N个电池单体AN为止，第N个电池单体即为该堆中的顶部电池单体。每个电池单体A具有顶表面T并定位在IT容器102中，其中，该电池单体的顶表面T的高度H是自IT容器102的底部测量的。因此，第一个电池单体A1的顶表面T1定位在高度H1处，第二个电池单体A2的顶表面T2定位在高度H2处，以此类推直至第N个电池单体AN为止，其顶表面TN定位在高度HN处。两相冷却流体104具有液体表面106，其高度为S——换句话说，液相的冷却流体104具有深度S。在图示的实施例中，堆B的布置与堆A相同，在相同的高度H具有相同数量的电池单体，但在其他实施例中，这两个堆无需具有相同数量的电池单体，也无需布置在相同的高度处。

在此布置中，液体表面106下方到第N个电池单体的顶表面TN的深度(即，距离S-HN)、以及每个电池单体及其上方的电池单体的顶表面之间的单体间距离(例如，对于电池单体B1为H2-H1，对于电池单体B2为H3-H2，以此类推直至电池单体N-1为止)是基于每个电池单体在放电期间预期蒸发的冷却流体104的体积来确定的。预期的蒸发体积又是由电池单体的容量、电池单体在放电期间的预期热输出、以及两相冷却流体104的热性质(如其比热容和蒸发率)来确定的。在一个实施例中，电池单体的容量可以通过其可以输出所需电量的时间量来测得。

在电池单体放电期间，随着两相流体104由于放电的电池产生的热量而蒸发成其蒸气相，液体表面106的高度S将下降。第N个电池的顶表面与液体表面106的初始位置之间的距离、以及成对电池单体的顶表面之间的距离被设计成使得：在一个电池单体开始放电与耗尽其容量之间，每个电池蒸发的两相冷却流体刚好足以使液体表面106与其顶表面重合，此时该特定电池停止放电。下面结合图4A至图4B来描述BBU 100的操作的进一步细节。

在每个电池堆中，每个电池单体在其高度H处由定位在电池单体两端的一对多功能单元108支撑。每个多功能单元108包括多个支撑件，使得每个电池单体由一对对应的支撑件支撑，即由每个多功能单元中的一个支撑件支撑。在一个实施例中，每个电池堆中的两个多功能单元可以相同，但在其他实施例中，他们可以不同。在又其他实施例中，电池单体可以由单个多功能单元支撑，而不是由两个多功能单元支撑。多功能单元可以是IT壳体的模块化单元。下面结合图2来描述多功能单元108的实施例。

BBU 100的一些实施例可以包括附加元件和控制件，这既是为了安全也是为了与两相冷却流体104的液位相关地更准确地控制每个电池单体放电的开始和结束。例如，在一个实施例中，多个液位传感器L可以被定位成使得每个传感器检测液体表面106何时与每个电池单体的顶表面重合(例如，传感器检测何时S＝HN、S＝H3、S＝H2等)。每个电池单体还可以包括对应的开关S，并且传感器L和开关S可以通信地耦接至控制器112。在操作中，随着液体表面106的深度S的下降，每个传感器L将感测液位。当液体表面106到达每个电池单体的顶表面时，控制器112指示该特定电池单体的开关S停止放电并指示堆中的下一个较低的电池单体开始放电。其他实施例无需包括传感器L、开关S或控制器112。

图2图示了多功能单元108的实施例。每个电池堆中的电池单体由一对多功能单元支撑(参见例如图1)，并且每个多功能单元108包括一个或多个竖直堆叠结构202。图示的实施例包括三个堆叠结构202A、202B和202C。每个堆叠结构202包括多个电池单体支撑件204。在图示的实施例中，电池单体支撑件204是从堆叠结构侧向支撑件突出的臂，但在其他实施例中，电池单体支撑件204可以是另一种类型的结构，如堆叠结构中的凹口。每个堆叠结构202被设计成容置一定容量的电池单体，使得支撑件204之间的间距h——对于堆叠结构202A为hX、对于堆叠结构202B为hY等——基于将与该堆叠结构一起使用的电池的容量以及电池单体将浸没在其中的两相冷却流体的热特性来确定。在图示的实施例中，堆叠结构202A的支撑件间距hX被设计用于容量为X分钟的电池单体；堆叠结构202B的支撑件间距hY被设计用于容量为Y分钟的电池单体；等等。距离hX、hY和hZ还可以被理解为被设计成支撑对应的电池单体容量的两相流体体积。在图示的实施例中，hX>hY>hZ，这意味着对于电池容量具有类似的顺序：X>Y>Z。利用此布置，多功能单元提供系统操作和填充指南。堆叠结构上的电池单体支撑件定义了电池单体的位置/深度、多个单体的堆叠方式以及每个电池单体在液位下方的深度。

多功能单元108还可以包括其他部件。在使用液位传感器L(参见图1)的实施例中，传感器可以在正确的位置处附接至或并入堆叠结构202或支撑件204，以感测两相冷却流体104的液体表面106(参见图1)何时与每个电池单体的顶表面重合。在图示的实施例中，仅堆叠结构202A具有相关联的传感器L，但在其他实施例中，更多的堆叠结构可以包括传感器L。尽管未在此图中示出，但开关S(参见图1)也可以包括在多功能单元108中。如上文针对图1所指出的，每个电池堆中的电池单体由一对多功能单元108支撑，但在给定的电池堆中，该对中的这两个多功能单元不一定相同。例如，在每个对中，一个多功能单元可以包括堆叠结构、传感器和开关，而另一个多功能单元仅包括堆叠结构。

图3图示了BBU 300的实施例。BBU 300在大多数方面类似于BBU 100，并且BBU300的实施例可以包括上文针对BBU 100的实施例所描述的所有相同元件——包括如传感器L、开关S和控制器112等元件，为清楚起见此图中未示出元件。

BBU 300与100之间的主要区别在于，BBU 300包括蒸气收集器302。蒸气收集器302包括用于外部冷却流体的入口和出口、以及流体地耦接至入口的泵P，以使外部冷却流体通过蒸气收集器的内部循环，从而加速保持在蒸气收集器中的蒸气从其蒸气相转化回其液相。在图示的实施例中，蒸气收集器302是附接至IT容器102顶部的外部蒸气收集器，但在其他实施例中，蒸气收集器可以是定位在IT容器102内部中的内部蒸气收集器。在又其他实施例中，蒸气收集器可以部分处于IT容器102内部且部分处于IT容器外部。

两相冷却流体104通常较为昂贵，因此期望避免使其蒸发到大气中而造成浪费。为了捕获在电池单体放电期间产生的蒸气相的两相冷却流体104，蒸气收集器302定位在IT容器102上方，使得在操作期间，从IT容器102升起的蒸气被收集并保持在蒸气收集器中。当BBU 300内的电池单体放电完成时，在电池放电期间产生的蒸气可以保持在蒸气收集器302中，直至系统恢复正常电力(相比于由电池单体提供的电力)为止。当正常电力恢复时，可以通过打开泵P来操作蒸气收集器302，以将外部冷却流体输送至蒸气收集器，从而使保持在蒸气收集器内的蒸气相的两相冷却流体104返回其液相。当保持在蒸气收集器302中的蒸气凝结为液相时，液相在重力作用下回落到IT容器102中并将容器重新填充到液相的初始深度S(参见图1)。

图4A至图4B一起图示了BBU 400的操作的实施例。BBU 400在大多数方面类似于BBU 100和300，并且BBU 400的实施例可以包括上文针对BBU 100和300的实施例所描述的所有相同元件——包括如传感器L、开关S和控制器112等元件，为清楚起见这些图中未示出元件。BBU 400与BBU 300和100之间的主要区别在于，在BBU 400中电池堆具有不同数量的电池：堆A中的电池单体具有比堆B中的电池单体更大的容量，因此，堆A具有比堆B更少、间隔更远的电池单体。在图示的实施例中，堆A具有四个电池单体A1-A4(即，N＝4)，并且堆B具有七个电池单体B1-B7(即，N＝7)，但是其他实施例当然可以在每个堆中具有不同数量的电池单体。在实施例中，容量不同的多个堆可以在壳体中共存，但液位是基于容量较大的堆来设计的。

在BBU 400的操作中，从第N个(最顶部的)电池单体开始、然后按降序继续进行直至每个堆中的第一个(最底部的)电池单体，一次一个地对每个堆中的电池单体进行放电。当电池单体放电时，由放电的电池单体产生的热量使两相冷却流体104蒸发，从而将两相冷却流体从其液相转化为其蒸气相。由于蒸发，液体表面106的深度S(参见图1)在操作期间下降，但是各个电池单体的高度H(参见图1)是固定的，使得随着深度S的下降，液体表面106最终与每个当前放电的电池单体的顶表面T重合。当液体表面106下降到其基本上与电池单体的顶表面重合时，该电池单体被关闭(即，该电池单体停止放电)，并且该堆中在该电池单体下方的下一电池开始放电。

如图4A所示，开始时，最顶部的电池单体A4和B7开始放电，并且液体表面106在堆A的区域a中且在堆B的区域d中。当电池单体A4和B7放电时，液体表面106下降。在堆A中，当液体表面106到达区域a的底部时(即，当液体表面106与电池单体A4的顶表面重合时)，A4停止放电，并且电池单体A3开始放电。在堆B中，当液体表面106到达区域d的底部时(即，当液体表面106与电池单体B7的顶表面重合时)，B7停止放电，并且电池单体B6开始放电。

图4B图示了当液体表面106已经下降到区域b和f中时的继续操作。在堆A中，电池单体A3继续放电，直至液体表面106到达区域b的底部(即，液体表面106与A3的顶表面重合时)，此时，A3停止放电并且A2开始放电。在堆B中，液体表面106在区域f中、低于B7和B6的顶表面，这意味着B7和B6已经停止放电并且B5是当前放电的电池单体。当液体表面106到达区域f的底部时(即，当液体表面106与电池单体B5的顶表面重合时)，B5停止放电。在每个堆中，过程持续直至液体表面106到达每个堆中的电池单体A1和B1、即最下方的电池单体的顶表面，此时，最下方的电池单体被关闭，并且过程完成。然后，在堆A中，电池单体按顺序A4、A3、A2和A1放电，使得流体区域a专用于冷却A4，流体区域b被设计用于冷却A3，流体区域c专用于冷却A2等。在堆B中，电池单体按顺序B7、B6、B5、B4、B3、B2、B1放电。堆B与堆A在功能上类似，其中每个电池单体上方的流体区域专用于电池单体的冷却。

按此顺序对电池单体进行放电是冷却电池单体的高效方法，不需要附加电源来使流体循环或冷却。这显著提高了BBU、尤其是在备用电源模式下的可用性。

图5图示了用于操作BBU(如BBU 100、300和400)的过程500的实施例。过程在框502处开始，在框处，将各个电池单体堆叠在IT容器中的不同高度处并浸没在两相流体中。在框504处，控制同一组中的电池单体基于其高度连续放电，其中电池单体以从最顶部电池单体到最底部电池单体的降序开始放电。在框506处，由每个放电的电池单体产生的热量使电池单体顶表面上方的两相流体气化。在框508处，随着电池包按顺序放电，两相液体的表面下降，直至表面到达每个电池单体的顶表面，此时电池单体的放电结束，并且堆中的下一个较低的电池的放电开始。在框510处，当IT容器重新填满两相流体时，可以对每个堆中的电池单体进行充电。在如BBU 100和400等的实施例中，两相流体将需要从外部源进行重新填充。在如BBU 300等的实施例中，当蒸气相的两相流体通过冷凝单元返回液相时，重新填充流体。

除上述实施例外，其他实施例也是可行的。例如：

·可以以不同配置设计多功能单元。

·可以修改设计以适应不同的电池包。

·设计可以用在混合服务器和电池系统中。

以上对实施例的描述不旨在是详尽的或将本发明限制于所描述的形式。本文中出于说明性目的描述了本发明的具体实施例和示例，但各种修改都是可能的。