精衛(wèi)蓄電池6-GFM-120YT 12V120AH參數(shù)尺寸

圖10是微軟的12V電池BBU集中式市電直供方案,微軟在2010年推出該ITPAC的機(jī)柜服務(wù)器供電方案,從概念圖上看,機(jī)柜采用集中電源供電,并在12V母排集中掛鋰電池備份方案。分為上半?yún)^(qū)和下半?yún)^(qū)單獨(dú)供電,單機(jī)柜達(dá)到18.6kW功率給96臺(tái)服務(wù)器供電。選用的4.5kW服務(wù)器電源也是高效率的電源模塊,通過12V集中母排給服務(wù)器子機(jī)單元供電。市電正常時(shí),直接給設(shè)備供電,市電中斷時(shí),靠鋰電池短時(shí)間放電過渡,直至柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)承擔(dān)全部負(fù)載。

精衛(wèi)蓄電池6-GFM-120YT 12V120AH參數(shù)尺寸
(3) 隨著功率增加,12V將不再適合于數(shù)據(jù)中心

從前面的兩個(gè)案例可以看出,不管是Google的12V帶電池分布式小UPS供電方案,還是微軟的12V鋰電池BBU半集中式供電方案,都實(shí)現(xiàn)了市電直供近100%的供電效率。但12V電池要么直接掛在IT設(shè)備內(nèi),要么就安裝在服務(wù)器機(jī)柜內(nèi),主要的目的都是為了盡量減少12V低壓供電的傳輸損耗。谷歌12V分布式供電雖然12V傳輸損耗較小,但電源和電池?cái)?shù)量大、成本高、電源負(fù)載率、效率偏低;而微軟的12V集中式供電的電源和電池?cái)?shù)量少、成本稍低、負(fù)載率高、電源效率高,但12V傳輸損耗大,兩者都存在一定不足。

隨著業(yè)界IT機(jī)柜功率的不斷增加,以及對(duì)能效的更高要求,12V低壓傳輸損耗及成本會(huì)成為嚴(yán)重的限制。例如,對(duì)于12kW的機(jī)柜,如果采用12V集中單母線供電,那么供電電流可以高達(dá)1000A,假設(shè)電源插框和母線等的接觸電阻為1mΩ,僅接觸電阻的損耗也會(huì)高達(dá)1kW,若算上銅排上的大電流傳輸損耗及電源插框的電源轉(zhuǎn)換效率損耗,總損耗高達(dá)3～4kW。而采用較高電壓的48V供電方案,則可以大大降低傳輸及接觸電阻損耗,且48V電源的效率也比12V電源的效率高2%以上,圖11為兩者損耗對(duì)比分析。采用12V集中供電方案,機(jī)柜的總功率不宜超過6～8kW,如果超過10kW以上,傳輸及接觸電阻損耗就會(huì)很大。而采用48V供電方案則沒有這個(gè)問題,整機(jī)柜的總功率可以高達(dá)30kW以上,傳輸及接觸損耗都可以做到較小。

當(dāng)然采用類似前面微軟的做法,將總功率分散在兩個(gè)甚至更多的電源插框中,可以減少母線電流,但仍會(huì)帶來更多電源插框占用寶貴機(jī)柜空間,以及更多電源和電池帶來更大投資成本等問題。

后,對(duì)于12V低壓市電直供,還存在電源及電池BBU設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的問題,畢竟通常允許5%的電壓波動(dòng),以及至少幾分鐘電池掉電備份時(shí)間要求等,對(duì)于電源及電池的設(shè)計(jì)和選擇都是很大挑戰(zhàn)。總體而言,目前業(yè)界采用12V直掛電池市電直供方案的用戶較少,且在未來會(huì)逐步往48V市電直供技術(shù)方向上發(fā)展。

 5 面向未來的48V市電直供架構(gòu)

如圖12所示,從電網(wǎng)側(cè)到CPU的整個(gè)供電路徑上,采用傳統(tǒng)12V供電方式帶來的供電損耗會(huì)比采用48V供電方式的損耗高出很多,特別是在未來高功率密度應(yīng)用場(chǎng)合,12V已經(jīng)不再適宜采用了。48V市電直供方案在通訊行業(yè)已經(jīng)非常成熟,只是傳統(tǒng)的48V供電方案是集中式電源系統(tǒng),而未來發(fā)展的48V市電直供方案是分布式電源和IT融合的方案,電源和電池就近放在IT機(jī)柜邊上,甚至放到IT機(jī)柜內(nèi)部,大大減少供電傳輸損耗及線纜投資等。且允許48V電池電壓有個(gè)很寬的波動(dòng)范圍,電池備電時(shí)間也可以得到較大提高。目前,48V電源率也高達(dá)97%以上,成本也比12V電源要低得多,是個(gè)低成本高效率的解決方案,帶來的問題是部分IT設(shè)備需要定制。但目前在數(shù)據(jù)中心行業(yè),很多IT設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了48V供電架構(gòu),推動(dòng)起來難度比采用380V高壓直流要小很多,目前業(yè)界已經(jīng)有較多互聯(lián)網(wǎng)等公司已采用48V供電架構(gòu)了。

(1)Facebook的48V半集中供電及下一代架構(gòu)

從Facebook的公開資料上看,采用了分布式服務(wù)器電源加分布式48V電池的方案,每臺(tái)服務(wù)器配一個(gè)277Vac和48Vdc雙輸入、單輸出為12.5V的定制電源。其中,277Vac接口直接接到市電交流PDU上,而48Vdc接口連接到48V直流PDU。市電正常的時(shí),市電直供,48V電池作為后備,當(dāng)市電異常或者中斷時(shí),48V電池瞬間放電短時(shí)備份,直至柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)承擔(dān)負(fù)載。

在實(shí)際的物理布局上,由于分布式48V備份電源不能長距離傳輸供電,因此電池就近擺放在IT機(jī)柜邊上,每個(gè)電池柜覆蓋6個(gè)IT機(jī)柜。如前面所述,市電正常情況下市電承擔(dān)了全部負(fù)載,所以48V電源只作為充電器使用,保證對(duì)備份電池的充電即可,因此48V電源只是個(gè)小充電插框,直接放置在電池柜頂部即可,如圖13所示。

Facebook的這個(gè)市電直供48V備份方案由于采用的是鉛酸電池作為后備,考慮鉛酸電池的功率密度低、對(duì)溫度敏感且存在漏夜等風(fēng)險(xiǎn),因此把電池放在了IT機(jī)柜之外但靠近IT機(jī)柜安裝。其每個(gè)市電+48V雙輸入服務(wù)器電源內(nèi)部實(shí)際還是兩個(gè)電源并聯(lián)在一起,數(shù)量多,定制成本高等,投資造價(jià)還是很大,所以在后續(xù)的整機(jī)柜版本中Facebook改用了電源更少的集中電源插框方式供電。且隨著電池技術(shù)的發(fā)展,比如更高密度、放電能力及高溫特性更好的鋰電池等價(jià)格下來,那么電源及電池會(huì)更為分布,直接從IT機(jī)柜外轉(zhuǎn)移到IT機(jī)柜內(nèi)部,如OpenRack的V2.0版本。

如前面的12V供電分析,Facebook的這個(gè)V2版本雖然電源適當(dāng)集中,且電池和電源就近匹配安裝,但單機(jī)柜內(nèi)仍采用了三個(gè)電源插框,以及多根供電母線排等,并沒有解決電源數(shù)量多,12V低壓傳輸損耗大等問題。而48V供電架構(gòu),可以只用一個(gè)電源插框及一根母線排搞定,且48V鋰電池包較為成熟且容易設(shè)計(jì),因此這個(gè)V2應(yīng)該只是個(gè)過渡版本,未來一定會(huì)向48V供電架構(gòu)切換(數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施可以基本保留不變,只是將電池柜替換成整機(jī)柜即可完成升級(jí))。

圖14為市電轉(zhuǎn)48V再直接降壓到1.2V的供電架構(gòu),如前述,具有*的供電效率,且很低的傳輸損耗,技術(shù)成熟度高,且可選的供應(yīng)商非常多,因此已經(jīng)是未來數(shù)據(jù)中心的供電架構(gòu)方向。據(jù)不可靠資料,目前業(yè)界的Google、Amazon和思科等公司已經(jīng)在采用此方案。當(dāng)然,這個(gè)架構(gòu)的不足之處在于需要修改傳統(tǒng)服務(wù)器主板上的12V輸入供電,改用48V輸入供電,但技術(shù)難度很小,比如很多刀片服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)板卡等都是48V輸入供電。且對(duì)于服務(wù)器白牌化、深度定制的今天,對(duì)于前述互聯(lián)網(wǎng)*而言,定制48V輸入供電的服務(wù)器已經(jīng)*不是問題了。