精卫蓄电池6-GFM-120YT 12V120AH参数尺寸

图10是微软的12V电池BBU集中式市电直供方案,微软在2010年推出该ITPAC的机柜服务器供电方案,从概念图上看,机柜采用集中电源供电,并在12V母排集中挂锂电池备份方案。分为上半区和下半区单独供电,单机柜达到18.6kW功率给96台服务器供电。选用的4.5kW服务器电源也是高效率的电源模块,通过12V集中母排给服务器子机单元供电。市电正常时,直接给设备供电,市电中断时,靠锂电池短时间放电过渡,直至柴油发电机起动承担全部负载。

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(3) 随着功率增加,12V将不再适合于数据中心

从前面的两个案例可以看出,不管是Google的12V带电池分布式小UPS供电方案,还是微软的12V锂电池BBU半集中式供电方案,都实现了市电直供近100%的供电效率。但12V电池要么直接挂在IT设备内,要么就安装在服务器机柜内,主要的目的都是为了尽量减少12V低压供电的传输损耗。谷歌12V分布式供电虽然12V传输损耗较小,但电源和电池数量大、成本高、电源负载率、效率偏低;而微软的12V集中式供电的电源和电池数量少、成本稍低、负载率高、电源效率高,但12V传输损耗大,两者都存在一定不足。

随着业界IT机柜功率的不断增加,以及对能效的更高要求,12V低压传输损耗及成本会成为严重的限制。例如,对于12kW的机柜,如果采用12V集中单母线供电,那么供电电流可以高达1000A,假设电源插框和母线等的接触电阻为1mΩ,仅接触电阻的损耗也会高达1kW,若算上铜排上的大电流传输损耗及电源插框的电源转换效率损耗,总损耗高达3～4kW。而采用较高电压的48V供电方案,则可以大大降低传输及接触电阻损耗,且48V电源的效率也比12V电源的效率高2%以上,图11为两者损耗对比分析。采用12V集中供电方案,机柜的总功率不宜超过6～8kW,如果超过10kW以上,传输及接触电阻损耗就会很大。而采用48V供电方案则没有这个问题,整机柜的总功率可以高达30kW以上,传输及接触损耗都可以做到较小。

当然采用类似前面微软的做法,将总功率分散在两个甚至更多的电源插框中,可以减少母线电流,但仍会带来更多电源插框占用宝贵机柜空间,以及更多电源和电池带来更大投资成本等问题。

后,对于12V低压市电直供,还存在电源及电池BBU设计挑战的问题,毕竟通常允许5%的电压波动,以及至少几分钟电池掉电备份时间要求等,对于电源及电池的设计和选择都是很大挑战。总体而言,目前业界采用12V直挂电池市电直供方案的用户较少,且在未来会逐步往48V市电直供技术方向上发展。

 5 面向未来的48V市电直供架构

如图12所示,从电网侧到CPU的整个供电路径上,采用传统12V供电方式带来的供电损耗会比采用48V供电方式的损耗高出很多,特别是在未来高功率密度应用场合,12V已经不再适宜采用了。48V市电直供方案在通讯行业已经非常成熟,只是传统的48V供电方案是集中式电源系统,而未来发展的48V市电直供方案是分布式电源和IT融合的方案,电源和电池就近放在IT机柜边上,甚至放到IT机柜内部,大大减少供电传输损耗及线缆投资等。且允许48V电池电压有个很宽的波动范围,电池备电时间也可以得到较大提高。目前,48V电源率也高达97%以上,成本也比12V电源要低得多,是个低成本高效率的解决方案,带来的问题是部分IT设备需要定制。但目前在数据中心行业,很多IT设备及基础设施都已经实现了48V供电架构,推动起来难度比采用380V高压直流要小很多,目前业界已经有较多互联网等公司已采用48V供电架构了。

(1)Facebook的48V半集中供电及下一代架构

从Facebook的公开资料上看,采用了分布式服务器电源加分布式48V电池的方案,每台服务器配一个277Vac和48Vdc双输入、单输出为12.5V的定制电源。其中,277Vac接口直接接到市电交流PDU上,而48Vdc接口连接到48V直流PDU。市电正常的时,市电直供,48V电池作为后备,当市电异常或者中断时,48V电池瞬间放电短时备份,直至柴油发电机起动承担负载。

在实际的物理布局上,由于分布式48V备份电源不能长距离传输供电,因此电池就近摆放在IT机柜边上,每个电池柜覆盖6个IT机柜。如前面所述,市电正常情况下市电承担了全部负载,所以48V电源只作为充电器使用,保证对备份电池的充电即可,因此48V电源只是个小充电插框,直接放置在电池柜顶部即可,如图13所示。

Facebook的这个市电直供48V备份方案由于采用的是铅酸电池作为后备,考虑铅酸电池的功率密度低、对温度敏感且存在漏夜等风险,因此把电池放在了IT机柜之外但靠近IT机柜安装。其每个市电+48V双输入服务器电源内部实际还是两个电源并联在一起,数量多,定制成本高等,投资造价还是很大,所以在后续的整机柜版本中Facebook改用了电源更少的集中电源插框方式供电。且随着电池技术的发展,比如更高密度、放电能力及高温特性更好的锂电池等价格下来,那么电源及电池会更为分布,直接从IT机柜外转移到IT机柜内部,如OpenRack的V2.0版本。

如前面的12V供电分析,Facebook的这个V2版本虽然电源适当集中,且电池和电源就近匹配安装,但单机柜内仍采用了三个电源插框,以及多根供电母线排等,并没有解决电源数量多,12V低压传输损耗大等问题。而48V供电架构,可以只用一个电源插框及一根母线排搞定,且48V锂电池包较为成熟且容易设计,因此这个V2应该只是个过渡版本,未来一定会向48V供电架构切换(数据中心基础设施可以基本保留不变,只是将电池柜替换成整机柜即可完成升级)。

图14为市电转48V再直接降压到1.2V的供电架构,如前述,具有*的供电效率,且很低的传输损耗,技术成熟度高,且可选的供应商非常多,因此已经是未来数据中心的供电架构方向。据不可靠资料,目前业界的Google、Amazon和思科等公司已经在采用此方案。当然,这个架构的不足之处在于需要修改传统服务器主板上的12V输入供电,改用48V输入供电,但技术难度很小,比如很多刀片服务器、网络板卡等都是48V输入供电。且对于服务器白牌化、深度定制的今天,对于前述互联网*而言,定制48V输入供电的服务器已经*不是问题了。