用于电池热管理的自适应风扇速度控制的制作方法

1.本发明的实施方式总体涉及电池能量存储。更具体地，本发明的实施方式涉及用于电池单元的热管理的自适应风扇速度控制。


背景技术：

2.电池能量存储作为能量存储方法在各种应用中是重要的，诸如电动车辆、消费电子产品、微电网、太阳能和风能存储、以及数据中心备用单元。电池能量存储作为唯一电源或在主电源不可用时作为备用电源提供支持应用的必要能量。因此，确保电池能量存储的可用性和功能性是重要的。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供一种控制用于电池单元的风扇速度的方法，包括：确定所述电池单元的功率释放和当前温度；基于所述电池单元的所述功率释放和所述当前温度，获得用于所述电池单元的所述风扇的风扇速度与所述电池单元的温度之间的关系；由处理装置基于风扇速度与温度之间的所述关系以及所述电池单元的最大运行温度来确认最小风扇速度；以及通过将所述风扇的速度设置为所述最小风扇速度来控制所述风扇。
4.本发明实施例还提供一种服务器机架的电池备用单元，包括：电池，所述电池将在确定主电源不可用时放电；风扇单元，所述风扇单元耦合到所述电池，其中，所述风扇单元包括风扇和控制逻辑，所述控制逻辑被配置为：确定所述电池的功率释放和当前温度；基于所述电池的所述功率释放和所述当前温度来获得风扇速度与所述电池的温度之间的关系；基于风扇速度与温度之间的所述关系和所述电池的最大运行温度来确认最小风扇速度；并且通过将所述风扇设置为所述最小风扇速度来控制所述风扇。
5.本发明实施例还提供一种电子机架，包括：多个服务器，所述多个服务器布置为堆，每个服务器包括至少一个处理器；主电源，所述主电源被配置为向所述服务器供电；电池，所述电池将在确定所述主电源不可用时放电；风扇单元，所述风扇单元耦合到所述电池，其中，所述风扇单元包括风扇和控制逻辑，所述控制逻辑被配置为：确定所述电池的功率释放和当前温度；基于所述电池的所述功率释放和所述当前温度来获得风扇速度与所述电池的温度之间的关系；基于风扇速度与温度之间的所述关系和所述电池的最大运行温度来确认最小风扇速度；并且通过将所述风扇设置为所述最小风扇速度来控制所述风扇。
附图说明
6.在附图中，通过示例而非限制的方式例示了本发明的实施方式，在附图中，同样的附图标记指示相似的元件。
7.图1是例示了根据一个实施方式的用于控制电池热管理的风扇速度的系统的示例的框图。
8.图2是例示了根据一个实施方式的风扇速度与电池的温升之间的示例相关性的
图。
9.图3是例示了根据另一实施方式的风扇速度与电池的温升之间的示例相关性的图。
10.图4是例示了根据另一实施方式的风扇速度与电池的温升之间的另一示例相关性的图。
11.图5是例示了根据一个实施方式的确定用于电池单元的热管理的最小风扇速度的过程的流程图。
12.图6是例示了根据另一实施方式的确定用于电池单元的热管理的风扇速度的另一过程的流程图。
13.图7是例示了根据一个实施方式的电子机架的示例的框图。
具体实施方式
14.将参考以下讨论的细节来描述本发明的各种实施方式和方面，并且附图将例示各种实施方式。下面的描述和附图是对本发明的例示，而不应被解释为限制本发明。描述了许多具体细节以提供对本发明的各种实施方式的透彻理解。然而，在某些情况下，为了提供对本发明实施方式的简明讨论，没有描述公知或常规的细节。
15.本说明书中对“一个实施方式”或“实施方式”的参考意指结合实施方式描述的特定特征、结构或特性可以被包括在本公开的至少一个实施方式中。在说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施方式中”不必都指同一实施方式。
16.电池可以在各种应用中用作备用电源或主电源。当电池放电时，它可能变热。电池也可以具有基于电池规格的最大允许运行温度。因此，当电池放电时，可以使用风扇来冷却电池。风扇可以根据从电池释放的功率运行。用于冷却电池的风扇速度越高，从电池使用的功率越多。因此，高于必需的风扇速度可以减少电池的放电时间。
17.常规系统由于不使用风扇来冷却电池而增加了电池放电时间。然而，这些系统限于短放电时间或低放电功率。其它常规系统仅使用电池的放电功率来确定风扇速度。然而，这种系统具有有限的适应性，并且不包括反馈回路以确保风扇以最小风扇速度运行。
18.本公开的实施方式使用用于电池单元的自适应风扇速度控制来解决上述缺陷。在电池单元放电期间，处理逻辑可以基于电池的放电功率自适应地控制风扇速度。自适应控制可以确认将电池温度保持在临界截止温度以下的最小风扇速度。因此，自适应控制可以将电池单元的温度保持在临界截止阈值以下，同时最小化用于冷却的能量成本。风扇的最小化的功率使用可以进一步增加电池单元可以提供的总的备用时间。
19.根据一个方面，一种控制用于电池单元的风扇速度的方法包括以下步骤：确定电池单元的功率释放和当前温度；基于电池单元的功率释放和当前温度获得用于电池单元的风扇速度与电池单元的温度之间的关系；基于风扇速度与温度之间的关系和电池单元的最大运行温度确认最小风扇速度；以及通过将风扇的速度设置为最小风扇速度来控制风扇。
20.在一个实施方式中，该方法包括以下步骤：计算电池单元中剩余的能量的量。在一个实施方式中，获得用于电池单元的风扇速度与电池单元的温度之间的关系还基于电池中剩余的能量的量。在一个实施方式中，获得风扇速度与电池单元的温度之间的关系包括：获得对应于电池中剩余的能量、电池的功率释放和电池的当前温度的曲线图。在一个实施方
式中，该曲线图指示在电池单元中剩余的能量完全释放之后针对一定范围的风扇速度的电池单元的温升。
21.在一个实施方式中，方法包括以下步骤：确定电池单元的剩余放电时间，并且获得用于电池单元的风扇速度与电池单元的温度之间的关系基于剩余放电时间。在一个实施方式中，方法包括以下步骤：确定当前温度是否在距电池单元的最大允许温度的阈值范围内；响应于确定当前温度在阈值范围内，基于电池的最大功率释放来确认保证的风扇速度；以及通过将风扇速度设置为保证的风扇速度来控制风扇。在一个实施方式中，电池单元是数据中心的电子机架的电池备用单元。在一个实施方式中，周期性地确定功率释放和当前温度，以更新最小风扇速度。
22.根据另一方面，一种电池备用单元包括控制风扇速度的指令，这些指令包括：确定电池单元的功率释放和当前温度；基于电池单元的功率释放和当前温度获得用于电池单元的风扇速度与电池单元的温度之间的关系；基于风扇速度与温度之间的关系和电池单元的最大运行温度确认最小风扇速度；以及通过将风扇的速度设置为最小风扇速度来控制风扇。
23.图1是用于控制用于电池的热管理的风扇速度的示例系统100的框图。风扇控制单元115可以包括控制逻辑，该控制逻辑确定最小所需风扇速度并控制风扇马达125以所确定的最小所需风扇速度运行。例如，风扇控制单元115可以从功率释放传感器140和温度传感器135检索电池的瞬时放电功率和电池温度的测量结果。风扇控制单元115可以以周期性的间隔检索测量结果。接下来，风扇控制单元115可以计算存储在电池中的剩余能量。例如，风扇控制单元115可以计算从电池释放的总能量，然后将其从存储在电池处的原始能量中减去，以获得剩余能量，如下面方程(1)所示。在另一实施方式中，电荷监测器145可以监测并计算从电池单元130释放的能量。电荷监测器145还可以跟踪电池的健康状况(例如，充电/放电循环的数量)。虽然被描绘为包括在电池单元130内，但是电荷监测器145可以与电池和电池单元130物理地分离。
24.e
remain
＝e
origin
*soh(currentcycle)*soc(t0)-e
discharged
ꢀꢀ
(1)
25.在方程(1)中，e
remain
是存储在电池中的剩余能量，e
origin
是电池在完全健康(例如，新电池)时将存储的能量的量，soh(current cycle)是作为百分比的当前电池的健康状态，并且soc(t0)是电池的电荷状态。因此，项e
origin
*soh(current cycle)*soc(t0)是在开始放电之前存储在电池中的总能量。e
discharged
是电池已经释放的能量，其中，e
discharged
可以通过下面的方程(2)计算。
[0026][0027]
该方程描绘了在从放电开始(t0)到当前时间(t)的时间段内释放的功率的总和。
[0028]
一旦e
remain
已经被计算，剩余能量比就可以通过下面的方程(3)确定。
[0029][0030]
另外，温升余量(即，电池在达到最大温度阈值之前可以上升的温度)可以根据方程(4)来确定。
[0031]
dt＝t
cutoff-t
cur
ꢀꢀ
(4)
[0032]
其中，t
cutoff
为最大温度阈值，并且t
cur
为温度传感器135在当前时间测量的温度。
[0033]
在一个实施方式中，风扇控制单元115可以从曲线图单元120检索与所确定的剩余能量比、当前温度和瞬时放电功率对应的曲线图。该曲线图可以指示在风扇速度(rpm)范围内的潜在温升。在一个实施方式中，曲线图单元120可以存储温升v的数量。rpm曲线图对应于剩余能量比、当前温度和瞬时放电功率的不同组合。在一个实施方式中，曲线图通过针对剩余能量比、当前温度和瞬时放电功率变量的不同值的实验来确定。在另一实施方式中，曲线图通过利用针对剩余能量比、温度和功率释放变量的不同值运行电池放电的模拟来确定。在一个实施方式中，曲线图可以基于与最接近地匹配变量的测量值的曲线图相关联的值来选择。
[0034]
在一个实施方式中，一旦从曲线图单元120获得对应的曲线图，风扇控制单元115就可以从曲线图中确认出被确定为在电池完全放电之后将电池单元保持在最大温度阈值以下的最小风扇速度。例如，如图2所示，该曲线图可以包括用于温升的y轴(即，温度在完全释放功率之后将上升的量)和用于风扇速度的x轴。因此，曲线图可以指示电池在一定风扇速度范围内完全放电之后将发生的温升。如方程(4)所确定的，所允许的温度变化可以确认y轴的点，该点是所允许的温升的上界。因此，最小风扇速度可以被确认为提供小于或等于所允许的温度变化的最大温度变化的风扇速度。
[0035]
在一个实施方式中，风扇控制单元115可以从曲线图单元120中找到与剩余放电时间、当前温度和瞬时功率相对应的曲线图。剩余放电时间可以指示例如直到数据中心的备用发电机被开启为止的剩余时间。该曲线图可以指示在风扇速度(rpm)范围内的温升。曲线图单元120可以存储与剩余放电时间、当前温度和瞬时功率的不同组合对应的多个曲线图。在一个实施方式中，这些曲线图通过对变量的不同值进行实验来确定。在另一实施方式中，曲线图通过利用针对剩余放电时间、温度和功率变量的不同值运行电池放电的模拟来确定。在一个实施方式中，可以基于与最接近地匹配变量(即，剩余放电时间、当前温度和瞬时功率放电)的测量值的曲线图相关联的值来选择曲线图。
[0036]
在一个实施方式中，一旦从曲线图单元120获得对应的曲线图，风扇控制单元115就可以确认在剩余放电时间完成之后将电池单元保持在最大温度阈值以下的最小风扇速度。例如，如图3所示，该曲线图可以包括用于温升的y轴(即，温度在完全释放功率之后将上升的量)和用于风扇速度的x轴。因此，该曲线图可以在曲线图上的各个风扇速度处指示对于最近测量的变量(即，剩余放电时间、当前温度和瞬时功率释放)在电池放电之后在剩余放电时段内将发生的温升。如方程(4)所确定的，所允许的温度变化可以确认y轴的点，该点是所允许的温升的上界。再次，最小风扇速度可以被确认为提供小于或等于所允许的温度变化的最大温度变化的风扇速度。
[0037]
在一个示例中，在电池放电结束附近，如果确定电池的当前温度在最大允许温度的阈值差内，则风扇控制单元115可以确定控制风扇马达125以保证电池的温度将不超过最大允许温度的风扇速度(保证的风扇速度)运行。例如，风扇控制单元115可以通过确定如果以最大放电功率完全放电则将电池温度保持在最大允许温度以下的风扇速度来计算保证的风扇速度。由此，如果当前温度接近最大允许温度，则风扇控制单元115可以以保证速度控制风扇马达125，以确保当前温度从不达到最大允许温度。
[0038]
在另一实施方式中，如图4所示，即使在风扇不运行的情况下完全放电，电池的当前温度也可能达不到最大允许温度。例如，对于具有低功率释放和低电流温度的一组变量，电池的温度可能不会显著增加。因此，在这种情况下，风扇控制单元115可以确定在这些条件下不开启风扇。
[0039]
图5是例示了根据一个实施方式的用于确定用于电池单元的最小风扇速度的过程的示例的流程图。过程500可以由处理逻辑执行，该处理逻辑可以包括软件、硬件或其组合。例如，过程500可以由图1的风扇控制单元115执行。
[0040]
参考图5，在方框502，处理逻辑确定电池单元的功率释放和当前温度。功率释放可以是在特定时间点从电池释放的瞬时功率。例如，功率释放可以由功率释放传感器以周期性的间隔测量。周期性间隔可以是任何时间间隔(例如十分之几秒、几秒、几分钟等)。在一个实施方式中，电池的当前温度可以由电池单元处的温度传感器测量。例如，温度传感器可以位于电池单元的电池的表面上，并且可以测量电池的外层温度(即，表面温度)。处理逻辑可以以周期性的间隔(例如，几秒、几分钟或任何其他间隔)从温度传感器接收电池单元的当前温度。在一个实施方式中，处理逻辑还可以基于已经释放的能量的量和电池单元在放电开始时的电荷来计算电池单元中剩余多少能量要释放。在另一实施方式中，处理逻辑基于总放电时间和自从放电开始所经过的时间来确定剩余放电时间。
[0041]
在方框504，处理逻辑基于电池单元的功率释放和当前温度获得用于电池单元的风扇速度与电池单元的温度之间的关系。风扇速度可以以每分钟转数(rpm)为单位来测量。该关系可以由绘制电池相对于风扇的rpm的温升的曲线图来表示。温升可以是被计算为在电池完全放电之后、在完成预定的放电时间之后、或者在满足任何其它指定条件之后发生的温升。可以将若干曲线图存储在与处理逻辑相关联的存储器或储存器中。各个曲线图可以指示针对电池单元的功率释放和当前温度的具体值的、温升与风扇速度之间的特定关系。在一个实施方式中，曲线图基于在方框502确定的电池单元的功率释放和当前温度来选择。曲线图还可以基于电池中剩余的能量或剩余放电时间量来选择。
[0042]
在方框506，处理逻辑基于风扇速度与电池温度之间的关系和电池单元的最大运行温度来确认最小风扇速度。最小风扇速度可以是在确保电池温度不超过电池的最大允许温度的同时使风扇速度和风扇的能量消耗最小化的风扇速度。例如，使用在方框504处获得的曲线图，处理逻辑可以确定曲线图上的温升最接近允许的温升并且小于或等于允许的温升的点。在方框508，处理逻辑通过将风扇的速度设置为最小风扇速度来控制风扇。
[0043]
在一些实施方式中，在方框504处获得的关系和曲线图可以指示：在当前功率释放时，电池的温度将不会在电池完全放电或放电时间完成之前达到最大允许温度，即使风扇未开启。在这种情况下，最小风扇速度可以被确定为零。
[0044]
图6是例示了根据一个实施方式的用于确定液体泵的最佳泵速的过程的示例的流程图。过程600可以由处理逻辑执行，该处理逻辑可以包括软件、硬件或其组合。例如，过程600可以由图1的风扇控制单元115执行。
[0045]
参考图6，在方框602，处理逻辑开始电池放电。在一个实施方式中，电池可以是电池备用单元，并且可以在主电源中断时放电。在另一实施方式中，电池可以是自主车辆或其它电池供电单元的电池，并且可以在通电时放电。处理逻辑还可以确认电池在放电开始时的电荷(即，存储在电池中的能量)。
[0046]
在方框604，处理逻辑测量放电电池的瞬时功率和电池单元温度。放电电池的瞬时功率和电池单元温度可以由与电池相关联的传感器测量。例如，温度传感器可以附接到电池，以测量电池的一个或多个电池单元的表面温度。放电传感器可以测量在任何给定时间由电池释放的功率。
[0047]
在方框606，处理逻辑计算电池的剩余能量或剩余的放电时间。处理逻辑可以使用放电传感器来确定自电池放电开始以来由电池释放的能量的量。处理逻辑可以通过从放电开始时电池的电荷中减去释放的能量的量来确定剩余能量，如上文关于图1所述。
[0048]
在方框608，处理逻辑使用曲线图查找来确定最小风扇速度，并将风扇设置为最小风扇速度。处理逻辑可以从若干曲线图中搜索多个变量的一组值，各个曲线图对应于电池温度与风扇速度之间的关系。在一个实施方式中，处理逻辑可以搜索曲线图，以确认具有电池的剩余能量、电池的当前测量温度和电池的瞬时功率释放的最接近的值的曲线图。一旦具有与电池的当前状态最接近匹配的变量的曲线图，处理逻辑就可以使用该曲线图来确认最小风扇速度。例如，各个曲线图可以包括指示要选择的最小风扇速度的单个点。该点可以是曲线图上最接近小于或等于最大允许温度的最大允许温升的点。由此，最小风扇速度然后可以通过曲线图上的点来确认。
[0049]
在方框610，处理逻辑确定当前温度是否在与截止温度的阈值差内。截止温度可以是电池的最大允许温度。由此，如果在不同于截止温度的阈值内，则风扇速度应被设置为最小保证速度，该最小保证速度确保温度即使在最大放电时也不会超过最大允许温度。处理逻辑可以使用电池的最大放电功率来计算风扇的最小保证速度。如果处理逻辑确定当前温度在阈值差内，则过程继续到方框612。在方框612，处理逻辑将风扇速度设置为针对电池的最大可能放电功率计算的最小保证速度，直到电池完全放电或剩余放电时间完成为止。否则，如果处理逻辑在方框610确定当前温度不在阈值内，则将风扇速度设置为在方框608确定的最小风扇速度，并返回到方框604。可以重复方框604-610，直到放电完成或者直到达到方框610的阈值为止。
[0050]
在前述附图中描绘的过程或方法可以由包括硬件(例如，电路、专用逻辑等)、软件(例如，在非暂时性计算机可读介质上具体实施)或两者的组合的处理逻辑来执行。尽管以上按照一些顺序操作描述了过程或方法，但是应当理解，可以以不同的顺序执行所述的一些操作。而且，一些操作可以并行执行而不是顺序执行。
[0051]
图7是包括具有风扇控制单元的电池备用单元的示例电子机架，风扇控制单元控制电池备用单元的风扇速度。在一个实施方式中，电子机架900包括机架歧管和/或cdu 901、rmu 902以及一个或多个服务器刀片903a-903e(统称为服务器刀片903)。服务器刀片903可以分别从电子机架900的前端904插入到标准插槽阵列中。注意，尽管图7中仅示出了五个服务器刀片903a-903e，但是可以在电子机架900内维持更多或更少的服务器刀片。还应注意，cdu 901、rmu 902和服务器刀片903的特定位置仅出于说明的目的而示出；也可以实施cdu 901、rmu 902和服务器刀片903的其它布置或配置。进一步地，布置在前端904上的前门和布置在后端905上的后门是可选的。在一些情况下，在前端904和/或后端905上可能没有门。
[0052]
在一个实施方式中，机架歧管和/或cdu(岐管/cdu)901可以是机架歧管或其中集成有机架歧管和机架cdu的集成单元。机架岐管/cdu 901可以被构造为具有与服务器架903
相同或类似的形状因数。通常，cdu包括热交换器911、液体泵912和泵控制器(未示出)。热交换器911可以是液-液热交换器。cdu的主回路经由供应线路932和返回线路933(诸如如上所述的冷却单元)耦合到外部冷却单元(例如，房间cdu)和/或数据中心的设施回路。机架cdu的次回路耦合到机架岐管单元的上游端口，其中机架岐管的一个或多个下游端口耦合到至少一些服务器架903，由液体分配回路925表示。
[0053]
利用使用歧管/cdu单元901的灵活液体冷却构造，任何服务器架903都可以与歧管/cdu单元901联结以接收液体冷却，只要冷板在服务器架中实施即可。在该示例中，服务器903b-903c和903e通过与歧管/cdu 901连接而被液体冷却，而服务器903a和903d被空气冷却。在机架中没有实施固定或专用机架岐管。利用机架歧管/cdu单元901，传统的空气冷却电子机架可以容易地转换为液体冷却机架。
[0054]
各个服务器刀片903可以包括一个或多个it部件(例如，cpu、gpu、存储器和/或存储装置)。各个it部件可以执行数据处理任务，其中it部件可以包括安装在存储装置中、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。服务器刀片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)的主机服务器(称为主节点)。主机服务器(具有一个或多个cpu)通常通过网络(例如，因特网)与客户端接口连接，以接收对特定服务的请求，特定服务诸如为存储服务(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)。响应于该请求，主机服务器将任务分配给由主机服务器管理的计算服务器中的一个或多个(具有一个或多个gpu)。计算服务器执行实际任务，这可能在操作期间生成热量。
[0055]
电子机架900还包括rmu 902，该rmu被配置为提供并管理供应到服务器刀片903和歧管/cdu 901的电力。rmu 902可以耦合到电源单元(未示出)，以管理电源单元的功耗以及电源单元的其他热管理(例如，冷却风扇931a-931d)。电源单元可以包括必要的电路(例如，交流(ac)到直流(dc)或dc到dc功率转换器、电池、变压器或调节器等)，以向电子机架900的其余部件供电。
[0056]
在一个实施方式中，电子机架900还包括用于向电子机架900的服务器供电的电源单元(psu)950以及在psu 950不可用时提供备用电力的备用电池单元(bbu)951。bbu 951可以包括用于监测和控制bbu 951的一个或多个电池的放电的电池管理单元。bbu 951还可以包括用于bbu 951的电池的热管理的风扇单元(例如，图1的110)或与之耦合。例如，电池管理单元可以向风扇单元提供来自电池的操作的监测数据。风扇单元可以包括控制逻辑，该控制逻辑确认用于冷却电池的最小风扇速度，如上文关于图1至图6所述。
[0057]
在前述说明书中，已经参考本发明的具体示例性实施方式描述了本发明的实施方式。但是很明显，在不背离所附权利要求书所阐述的本发明的更宽泛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例示性的而不是限制性的。