锂离子电池系统的热管理控制的方法和系统与流程

1.本公开的实施例一般涉及在数据中心或信息技术(it)设备设置中使用的电池系统的热管理。可以优化电池系统的热管理以减少电池系统的退化以及在活动和非活动条件下冷却电池所需的努力。


背景技术：

2.信息技术(it)包括诸如通过互联网或本地网络可访问的计算机的技术，其提供对数据、网站、计算机程序等的存储或访问。
3.诸如服务器之类的it设备可以执行即使在电网电力不可用时(例如，在停电或维护期间)也需要操作的关键操作。锂离子电池提供必要的备用能源，当主电源(例如电网)断电时，它可以使it设备保持运行以进行关键操作。因此，此类锂离子备用电池的可用性和功能性极为重要，必须加以维护。
4.在一些场景中，“电池室”可以容纳所有这样的锂离子备用电池，以集中管理电池。当主电源断电时，室内的电池可为it设备提供备用电源。然而，众所周知，锂离子电池会随着时间的推移而退化(例如，能量存储容量降低)。
5.电池的退化率通常取决于电池的存储温度。较高的存储温度通常会导致更快的退化，但设施需要较少的冷却努力来维持此存储温度。因此，在数据中心的发展中需要以考虑电池退化以及电池的冷却努力的方式来管理电池。


技术实现要素：

6.第一方面，提供一种用于管理信息技术(it)设备的电池系统的方法，包括：
7.确定锂离子电池当前处于非活动状态；以及
8.响应于所述锂离子电池当前处于非活动状态，
9.a)使用主冷却系统将电池的温度保持在或低于所述电池的最佳存储温度，以及
10.b)响应于确定所述主冷却系统不足，使用包括压缩机的辅助冷却系统将所述电池的温度保持在或低于所述电池的最佳存储温度，其中基于冷却电池的努力和电池的退化确定所述电池的最佳存储温度。
11.第二方面，提供一种用于锂离子电池的冷却系统，所述锂离子电池为信息技术(it)设备提供备用电力，所述冷却系统包括：
12.主冷却系统；
13.辅助冷却系统；以及
14.耦接到主冷却系统和辅助冷却系统的控制器，所述控制器被配置为执行操作，所述操作包括：
15.确定所述锂离子电池当前处于非活动状态，以及
16.响应于确定所述锂离子电池当前处于非活动状态，
17.a)使用主冷却系统将电池温度保持在或低于电池的最佳存储温度，以及
18.b)响应于确定主冷却系统不足，利用包括压缩机的辅助冷却系统将电池的温度保持在或低于电池的最佳存储温度，其中基于冷却电池的努力和电池的退化确定电池的最佳存储温度。
19.第三方面，提供一种数据中心，包括：
20.与信息技术(it)设备耦接的锂离子电池；以及
21.如第二方面所述的冷却系统。
22.根据本公开，可以实现数据中心中锂离子备用电池的最佳管理，从而最小化管理电池的总成本。
附图说明
23.这些方面通过示例的方式示出并且不限于附图中的图，在附图中相同的附图标记表示相似的元件。应当注意，对本公开的“一”或“一个”方面的引用不一定是指相同的方面，它们意味着至少一个。此外，为了简洁和减少图的总数，可以使用给定的图来说明多于一个方面的特征，并且对于给定的方面可能不需要图中的所有元素。
24.图1示出了冷却努力和电池室温度之间的关系。
25.图2示出了根据一些实施例的电池存储容量、环境温度和存储时间之间的关系。
26.图3示出了充电或放电容量与电池温度之间的关系。
27.图4示出了根据一些实施例的数据中心。
28.图5示出了根据一些实施例的管理电池状况的方法。
29.图6示出了根据一些实施例的管理电池状况的流程图。
具体实施方式
30.现在参照附图解释本公开的几个方面。给定方面中描述的部件的形状、相对位置和其他方面没有明确定义时，本文公开的范围不仅限于仅用于说明的目的所示出的部件。此外，虽然阐述了许多细节，但应当理解，可以在没有这些细节的情况下实践某些方面。在其他情况下，没有详细示出众所周知的电路、结构和技术，以免混淆对本描述的理解。此外，除非有明显相反的含义，否则本文列出的所有范围均被视为包括每个范围的端点。
31.说明书中参考“一个实施例”或“实施例”是指结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包括在本公开的至少一个实施例中。说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定都指同一个实施例。
32.可以保持最佳电池存储温度和操作电池温度以实现数据中心中锂离子备用电池的最佳管理，从而最小化管理电池的总成本。数据中心中锂离子电池使用的总成本可以基于1)冷却电池存储室的成本，2)由于电池的退化导致的成本，以及3)处于活动状态(例如，充电或放电)时电池冷却的成本确定。每个“成本”可以描述为功耗(例如，操作冷却设备，诸如风扇、泵或压缩机所需的功率)、货币价值和/或指示一般努力或损害的标准化值。
33.考虑到用于存储的设施冷却成本和电池退化之间的权衡，确定最佳存储温度。通过将电池温度保持在电池的温度上限，可以实现在电池充电或放电时冷却电池的最低成本。可以在多个位置监控实时电池室环境温度和电池温度。然后可以控制主冷却系统，诸如风扇或基于冷却剂的系统，在操作期间对电池进行足够的冷却，从而使电池温度保持在温
度上限。此温度限制可能因电池规格(例如，电池单元结构和化学性质)而异，并且通常由电池单元或电池模块制造商提供。
34.在一些实施例中，数据中心包括锂离子备用电池，其可包括一个或多个电池模块，每个电池模块包含多个锂离子电池。电池可保存在电池室用于集中管理。将电池维持在所需温度的成本可以根据风扇、压缩机或基于冷却剂的冷却系统的泵所需的功耗来确定。此类成本可能基于数据中心设施的基础设施、电池数量、电池室大小和室外空气温度而变化。通常，随着所需温度的降低，冷却设施的成本会增加。
35.对于给定的数据中心，可以假设室外空气温度与历史数据一致。因此，设施的年操作成本可以被视为电池存储温度的函数，由下式给出：
36.c
facility
(t
storage
)＝c
fan
(t
storage
) c
compressor
(t
storage
)
37.其中t
storage
是电池室环境温度，c
facility
是设施冷却，c
fan
(t
storage
)是操作风扇以维持t
storage
的成本，c
compressor
(t
storage
)是操作压缩机以将环境温度维持在t
storage
的成本。如所讨论的，在一些实例中，系统可以包括基于冷却剂的冷却系统代替风扇，基于冷却剂的冷却系统包括泵，泵使冷却剂循环通过从电池传送热能的冷板。
38.图1示出了描绘年努力(例如成本)与电池室温度之间关系的图表。如图所示，温度设定点越低，冷却电池室所需的努力就越大。相反，随着温度设定点的升高，冷却电池室所需的努力会减少。在数据中心中，锂离子电池可以保存在一个公共电池室进行统一管理。电池室的环境温度由设施冷却设置控制。
39.图2示出了电池容量(电池可以存储多少能量)、电池存储的环境温度和总存储时间之间的关系。可以根据图进行一些观察。
40.首先，锂离子电池在存储时放电容量会下降。即使不使用电池，每个电池也会随着时间的推移而退化。最终，电池容量将变得很低，无法满足数据中心的要求。例如，数据中心可能需要能够提供24小时备用的能量存储。一定天数后，由于退化，需要更换电池。
41.其次，较低的环境温度有助于延长电池的存储时间。通常，锂离子电池的使用寿命为15年。但电池存储的较高环境温度会显著缩短电池的使用寿命。因此，虽然增加了用于冷却电池室的功耗，但在改善电池状况方面是节省的。
42.捕获电池退化成本的一种方法是作为资本开销。电池资本开销记为c
battery,capex
，标称寿命记为t
battery,nominal
(例如t
battery,nominal
＝15年)，电池的实际寿命记为η
·
t
battery,nominal
，其中η是表示存储温度对电池寿命的影响的系数。η是温度(例如，存储温度)的函数，η＝1可以使用20℃的标称存储温度来定义。
43.例如，当电池容量降至低于初始容量的70％(数量取决于具体技术要求)时，公司需要更换电池。考虑存储温度的影响，电池寿命可以用η
·
t
battery,nominal
来描述。因此，由于电池退化c
battery,degrade
导致的年开销可以表示为
[0044][0045]
如前所述，η是存储温度t
storage
的函数，η的值随着电池存储温度的升高而降低。因此，较高的年电池成本导致较高的存储温度。
[0046]
如前所述，图2示出了电池存储时间、存储温度和剩余电池能量存储容量之间的关系。对于不同的环境存储温度(例如，20℃、30℃、40℃等)，存储时间和存储容量之间可以存
在唯一的关系。
[0047]
图3示出了操作期间电池容量和电池温度之间的关系。通常，随着操作期间电池温度的升高，电池容量也增加。换句话说，电池性能可以从升高的电池温度中受益。因此，在操作期间，可以最小化冷却努力以将电池保持在阈值诸如电池的温度上限以下。温度上限可以是制造商定义的温度，使得电池可以在没有电池过热风险的情况下操作。温度上限可以通过测试和重复来确定，并且通常由电池制造商提供。
[0048]
使用锂离子电池的操作成本可以确定为电池充电/放电过程中冷却电池的成本。这可以使用主冷却设备诸如，例如风扇或液体/冷板技术来执行。操作成本可以是主冷却系统的功耗，例如风扇或用于循环冷却剂的泵的功耗。主冷却系统可以在尽可能最低的设置下应用，以将电池保持在最高允许温度以下。这是因为较高的电池温度会增加电池的充电/放电容量，从而实际上提高性能，同时最小化冷却努力。
[0049]
因此，基于上述，电池操作的总成本c
total
可以确定如下：
[0050]ctotal
＝c
facility
c
battery,degrade
c
operation
。
[0051]
换句话说，总成本取决于a)电池处于非活动状态(非充电/放电)时的冷却成本，b)电池退化的成本，以及c)电池处于活动状态时冷却电池的成本。较高的存储温度导致较低的c
facility
但增加c
battery,degrade
。另一方面，较低的存储温度导致较高的c
facility
但降低c
battery,degrade
。对于c
operation
，较高的电池温度导致较高的电池充电/放电容量，从而提高性能。请注意，电池温度应低于其上限，以防止过热。
[0052]
在一些实施例中，优化的存储温度t
storage
被确定为使得a)冷却电池室的努力或成本和b)由于电池退化导致的努力或成本的总和被最小化。电池退化可以拟合为以下解析关系：y＝a
·
exp(-x/b)，其中x是存储时间，y是剩余电池容量。诸如剩余电池容量y和存储时间x的历史数据可以通过测试收集。可以使用此数据应用最小二乘法来拟合常数a和b。使用此等式可以预测电池的实际寿命，并且可以获得η。
[0053]
然后，可以得到用于每个可能的温度设置的电池室的设施冷却成本和电池退化成本的和。一个示例如下所示，其中对于不同的存储温度，存在相应的设施冷却成本，以及由于电池退化的相应的成本。
[0054]
t
storage,1
:c
facility,1
c
battery,degrade,1
[0055]
t
storage,2
:c
facility,2
c
battery,degrade,2
[0056]
…
[0057]
t
storage,10
:c
facility,10
c
battery,degrade,10
[0058]
基于不同存储温度的不同值，可以选择最佳存储温度。此最佳存储温度是导致最低成本(例如，计算为冷却成本和电池退化的总和)的存储温度。图2中示出的关系可以在制造商的电池规格中提供，然后可用于获得最佳在一些不易于提供关系的实施例中，可以随着时间的推移在不同的存储温度下监控未使用的电池的数量，以在给定的存储温度下产生存储容量和存储时间之间的对应关系。在任何一种情况下，可以通过最小的组合成本(c
facility
c
battery,degrade
)获得最佳存储温度
[0059]
换句话说，电池的最佳存储温度可以通过最小化a)冷却电池(当不活动时)的努力和b)电池退化的总和来确定，这是电池存储温度的函数。冷却电池的努力可以是a)主冷却系统(诸如风扇或基于冷却剂的系统)和b)压缩机的估计操作努力的总和。此外，电池的退
化至少基于标称电池温度(例如，20℃)和最佳存储温度来确定，如关于关系的其他部分所讨论的
[0060][0061]
可以在电池活动(例如，充电/放电)期间确定并应用主冷却系统的最佳控制(例如，最佳风扇速度或泵速度)。这种在活动持续时间内的最佳控制导致锂离子电池的总操作成本。可以在多个位置监控实时电池温度。例如，温度传感器可位于一个或多个电池单元、电池外壳、底盘、热板等上。在一些实施例中，最高温度值可用于执行对冷却系统的控制。主冷却系统受到控制，以使电池温度保持在电池的温度上限以下。
[0062]
图4示出了根据一些实施例的数据中心400的框图。数据中心可以包括冷却系统，冷却系统包括控制器401、主冷却系统414和辅助冷却系统404。主冷却系统可以包括比辅助冷却系统更低成本和/或更高效率的技术。因此，主冷却系统用作默认冷却系统，而辅助冷却系统用作补充(例如，当主冷却系统不足或需要帮助时)。
[0063]
主冷却系统414可以包括一个或多个风扇416，其将空气吹过锂电池404所在的电池室402。替代地或附加地，主冷却系统包括泵418，其使冷却剂循环到电池并从电池循环。例如，冷却剂可以热耦接到冷板403以从电池吸收热能。
[0064]
辅助冷却系统404可以包括压缩机和使用压缩机/冷凝器技术冷却电池室的空气的其他标准空调组件。如前所述，此辅助冷却系统常常比主冷却系统需要更多的努力(例如，功耗)。阀杆，并且因此除了主冷却系统外，还用作备用。在一些实施例中，代替压缩机，使用另一种设施冷却解决方案，诸如例如使用idec(indirect evaporative cooling，间接蒸发冷却)。在一些实施例中，可以使用产生比外部空气温度更冷的空气的任何辅助冷却系统。
[0065]
传感器406可包括监控电池单元的温度和/或电池室的环境温度的一个或多个温度传感器。传感器还可以包括其他信息，诸如电压、电流和/或其他遥测技术。
[0066]
控制器401可以包括被配置为执行本文(例如，图5中)描述的控制操作的硬件(例如，处理器、可编程逻辑阵列、计算机可读存储器)的组合。控制器可以包括一个或多个输出信号，其基于从传感器406接收到的输入来控制主冷却系统和辅助冷却系统(例如，命令它们开启/关闭，或者以不同的速度或努力)。输入可以包括感测的电池单元的温度，以及确定电池是活动的(例如，充电或放电)还是非活动的(不充电和不放电)的电流测量。输入和输出可以通过已知技术进行通信，诸如tcp/ip、rs232、rs485、can-bus、wi-fi、lte等。
[0067]
在一些实施例中，主冷却系统和/或辅助冷却系统可以具有可变的控制级别。例如，主冷却系统可以具有可变的风扇速度或泵速度。类似地，辅助冷却系统可以具有可变的压缩机速度控制。在其他实施例中，主冷却系统和/或辅助冷却系统具有简单的二进制位的控制(例如，开/关)接口。
[0068]
应当理解，电池404可以包括多个电池模块。每个电池模块可以包括多个锂电池单元。电池可以电连接到it设备410以用作备用电源，以防主电源(例如，电网)丢失。在一些实施例中，虽然未示出，但电池可以连接到电力逆变器以将dc转换为ac(例如，120vac、240vac等)以为it设备供电。
[0069]
图5示出了可由诸如控制器401的冷却系统控制器执行以管理被布置为信息技术
(it)设备的备用电源的电池系统的方法。
[0070]
在操作501，确定电池是否处于活动状态。例如，来自一个或多个电流传感器的信息可用于确定电池是在充电、放电还是空闲。换句话说，如果电流为零，则电池处于非活动状态。如果电流大于或小于零，则电池正在放电或充电(活动)。
[0071]
响应于锂离子电池当前不活动，方法可以进行到操作502。在操作502，方法包括使用主冷却系统将电池的温度保持在或低于电池的最佳存储温度。例如，控制器可以命令风扇(或泵)以最大速度操作，直到电池温度在或低于最佳存储温度。当达到最佳存储温度时，可以关闭风扇或将风扇降速，并且控制可以转到操作101以重复维持最佳存储温度的循环。
[0072]
在一些实施例中，可以向风扇或泵给出变速命令，变速命令与电池温度和最佳存储温度之间的差成比例。例如，如果电池温度仅略高于最佳存储温度(例如1度、2度)，则风扇或泵只需在较低设置(例如25％、50％)下操作。如果电池温度显著高于最佳存储温度(例如，5度或更高)，则可以命令风扇或泵调至高设置(例如，80％或100％)。电池温度可以基于在不同电池单元处取得的多个温度中的最热温度或电池单元的加权平均值来确定。
[0073]
在某些情况下，诸如，例如，当外部空气非常热时，仅风扇或泵不足以冷却电池。可以监控电池温度，使得如果它没有降低或没有以期望的速率降低，则主冷却系统可以被认为不足以维持最佳存储温度。如果认为主冷却系统不足，则方法可以进行到块503。
[0074]
在块503，方法包括利用辅助冷却系统，诸如压缩机或其他等效的空气冷却技术，将电池的温度保持在或低于电池的最佳存储温度。在此阶段，主冷却系统和辅助冷却系统都可以工作，以保持电池的最佳存储温度。可以随时间监控电池温度，如果电池温度降低到等于或低于最佳存储温度，则可以关闭或减弱辅助冷却系统。主冷却系统也可以被关闭或减弱。方法可以进行到操作501，从而重复保持最佳存储温度的过程。如果电池温度没有降低或没有以令人满意的速率降低，则系统可以进行到故障处理操作504。
[0075]
在块505，响应于电池被认为是活动的，方法包括使用主冷却系统的最小努力将电池的温度维持在电池的温度上限。换言之，系统可以使用将电池维持在安全操作条件下所需的最低风扇速度或泵速度。这减少了冷却努力(例如，成本、功耗)，同时还提高了电池的充电和放电容量。在一些实施例中，如果超过温度上限，则方法可以进行到块504以执行故障处理。否则，方法可以返回操作501，以在电池处于活动状态时重复维持电池上限温度。
[0076]
以这种方式，方法使用主冷却系统(例如，风扇或泵)来维持存储温度，并且仅在需要时，例如当最佳存储温度低于室外空气温度并且设施风扇速度已达到最大值时，才使用压缩机。然后启动压缩机，尽可能降低压缩机的工作频率，以保持最佳的存储温度。
[0077]
如上所述，基于a)冷却电池的努力和b)电池的退化来确定电池的最佳存储温度。考虑到冷却电池的努力随着最佳存储温度的降低而增加，但电池的退化随着最佳存储温度的增加而增加，所以最佳存储温度导致冷却努力和退化之和的最小值。此最佳存储温度可以在操作530确定，和/或作为设置存储在控制器的计算机可读存储器中，操作可以在任何时间离线执行。
[0078]
在操作504，方法可以包括响应于a)当超过电池的温度上限或b)当在压缩机和主冷却系统操作的情况下超过电池的最佳存储温度时，报告电池的错误(例如，将故障记录到故障日志和/或云)或执行系统关闭。系统关闭可以包括切断it设备的电源，这可以防止电池过热。如果电池不处于活动状态，则只需要报告错误。在一些实施例中，补救响应可以包