维谛UPS电源DC-Power锂电池管理应用案例及解决方案-维谛精密空调
摘要：本文简介了维谛UPS电源锂电池组的组成，BMS系统的构成和功能；梳理了直流电源系统电池管理的逻辑；剖析了直流电源系统配置锂电池时的电池管理实际运行状态；并基于一个实际维护案例，分析并确定了问题发生的根本原因；最后站在电源系统厂家的角度，提出了直流电源系统配置锂电池时的有效解决方案。关键词：直流电源系统，高压直流（HVDC），锂电池，BMS系统，维谛UPS电源电池管理，限流模式，调压模式
锂电池种类繁多，各个厂家都有各自的一些特点，但就其组成及功能而言，基本上都是大同小异。
（一）锂电池组的组成
维谛UPS电源电池组的基本结构如图1所示，功能上，电池组包括两部分：电池组模块和电池管理系统，其中电池组模块由一个或多个单体锂离子电池组合而成，电池管理系统（BMS）及充放电电路既可内置于维谛UPS电源电池组模块也可外置于电池组模块。（二）电池管理系统battery management system（BMS）
主要采集维谛UPS电源蓄电池的单体电压、总电压、充/放电电流、容量、蓄电池环境温度等参数，用于对蓄电池充电过程和放电过程进行管理，并辅助有效的保护与告警功能的电路系统的总称〔保护与告警功能〕，由采集和保护电路、电气和通讯接口及热管理装置等组成。
根据维谛UPS电源电池组组成结构形式不同，BMS可分为单元BMS和系统BMS。单元BMS是指内置在48V电池模块内部，用于采集单体电池的各种参数，如电压、电流、温度等。系统BMS是指独立安装在电池柜内，用于收集显示各个48V模块运行参数及状态，并与电源系统监控进行通信，实现对电池组的充、放电进行管理。
BMS系统的智能充电管理、维谛UPS电源电池的平衡管理、智能间歇式充放电管理、热系统管理、通讯管理，是提升锂电池组使用寿命的关键。
（三）保护功能
锂电池系统具有完善的过充电保护，过放电保护，短路保护，反接保护，过载保护，温度保护，电池均衡等功能，正常情况下能够保证系统的安全运行。
（一）直流电源系统监控单元电池管理方式
维谛UPS电源直流电源电池管理方式有自动管理和手动管理两种，用户可以通过后台或键盘对监控单元的管理方式进行更改。在手动管理方式下，允许用户通过后台或键盘进行各种电池管理操作和整流模块的控制，监控单元不进行电池的自动管理和整流模块控制。在自动管理方式下，监控单元将自动进行维谛UPS电源电池管理和整流模块控制。
在实际应用中监控一般使用自动管理方式，手动管理方式这里就不赘述。
（二）直流电源电池自动管理方式
1、预限流
当监控单元上电、系统交流停电、均充开始、维谛UPS电源电池测试结束时，进行预限流，保证整流模块输出不会导致电池充电过流。
2、均浮充管理
2.1维谛UPS电源电池浮充：当电池处于充满状态时，充电器不会停止充电，仍会提供恒定的浮充电压与很小浮充电流供给电池，因为一旦充电器停止充电，电池会自然地释放电能，所以利用浮充的方式，平衡这种自然放电。
2.2维谛UPS电源电池均充：以规定的较高的电压和恒定时间的方式对电池充电，充电较快。专业维护人员对电池保养时经常用的充电模式，这种模式有利于激活电池的化学特性。
2.3浮充管理：浮充主要是进行充电限流管理和电池温度补偿。
2.4均充管理：分为定时均充和放电后均充。定时均充指浮充持续时间超过设定的定时均充周期。放电后均充指电池放电容量比超过设定值或电池充电电流超过设定值规定时间。
电源系统对维谛UPS电源电池的均浮充及其转换，有严格的过程管理。比如：定时均充过程有限流均充和定时均充两个过程。放电后均充过程有限流均充和稳流均充两个过程。均充转浮充条件有定时均充时间到；达到稳流均充后稳流均充时间到；均充保护时间到；交流停电；电池支路断；电池温度过高；整流模块通信中断等。
3、负载下电和电池保护
负载下电：为了保证用户的重要负载长时间供电，断开一般负载的下电。
维谛UPS电源电池保护：为了防止电池深度放电，电源系统在电池电压下降到规定电压时切断电池，对电池进行保护。
4、充电电流管理
4.1、限流
如果维谛UPS电源电池以大电流充电将缩短电池的寿命，因此监控模块具有限制电池电流的功能，这一功能通过减少整流模块输出电流（设置电流限制）的方式实现。工程师需要定义一个蓄电池电池限流点。当电池充电电流超过这一限制时，监控模块将控制整流模块降低输出电流。
监控模块能够通过控制整流模块的电流输出限制电池的充电电流。
监控模块能够根据维谛UPS电源电池限流点计算整流模块的限流点，并控制整流模块使得电池充电电流不超过电池限流点。
当交流断电时，监控模块将向整流模块发送限制电流的命令，以确保交流电源恢复时维谛UPS电源电池充电电流不超过电池限流点。
4.2电流限制参数和告警见表1所示。
5.1温度补偿参数如表2所示
维谛UPS电源电池对环境温度的变化是敏感的。为确保电池容量和寿命，当环境温度变化时，电池浮充电压也要改变。浮充电压是正常电压，当室温为25℃时。环境温度越高，浮充电压越低，反之亦然。温补系数的设置范围是0～5000mV/℃，应根据实际电池参数设置。对于2V电池单体的电池，当环境每升高1℃，每电池单体的浮充电压将降低3mV～7mV。因此，48V电池的“温补系数”应设置为72mV/℃～168mV/℃，240V电池的“温补系数”应设置为360mV/℃～840mV/℃。
系统电压根据图2所示的曲线特征变化：
温补功能只在浮充状态下有效。
如果温度补偿的电压差大于0.1V，就会触发“温补激活”告警。
如果系统出现“输出欠压”或“输出过压”告警，或者没有电池温度参数，温补功能将自动失效，温度补偿无法使用。
6、电池容量计算
6.2电源系统电池容量说明:
电源系统不允许出现两种（或以上）维谛UPS电源电池，即用户在多种电池种类中只能选用一种。
如果测量电池电流，监控模块可以估算电池剩余容量。根据剩余容量和标称容量可以估算剩余容量百分比。根据所有电池的剩余容量和负载电流，可以估算电池剩余放电时间。
监控模块根据维谛UPS电源电池类型（包括标称容量、电流系数和放电曲线信息）和电池电流计算电池剩余容量。
监控模块根据所有电池的剩余容量和负载电流，可以估算电池剩余放电时间。
当自动均充或定时均充变为标称充电时，监控模块可以根据标称容量更改剩余容量。
7、电池测试管理
7.1测试目的
维谛UPS电源电池测试的目的是检查电池的状态。在电池测试过程中，监控模块控制整流模块的电池和电压，使得电池负担全部或部分负载。监控模块监控电池，并将测试结果存储在电池测试日志中。
7.2测试方法
监控模块通过控制整流模块实现维谛UPS电源电池测试。监控模块具有两种电池测试方法：恒流测试、满负载测试。如果恒流测试允许设置为否，则进行满负载测试。在恒流测试过程中，监控模块对整流模块进行限流控制，使得电池负担一部分负载（这部分负载的大小已预先设定）。如果负载小于恒流测试的测试电流值，监控模块就执行满负载测试。
在计划测试或短测试过程中，监控模块降低整流模块的输出电压使得电池负担全部负载。不同之处是短测试的测试时间较短。
7.3测试启动条件
测试启动和终止条件如表4所示：
7.4测试记录
如果由于测试电压的状况结束维谛UPS电源电池测试，监控模块将产生“坏电池告警”（不告警）。
图3为电池测试示意图：
（三）电源系统电池的管理是一个很复杂的管理体系，有一套很复杂的、完善的控制和管理逻辑。
从上面的两个章节我们已经知道，锂电池有自身的BMS，直流电源系统也有自身的电池管理体系和逻辑，它们是两套相互独立的维谛UPS电源电池管理系统。然而，实际应用中，直流电源系统和锂电池很大可能性分别来自不同的厂家，锂电池的BMS基本上不能与直流电源系统监控模块进行通信，也就是说，两套系统的电池管理逻辑很难实现真正的协调统一，甚至会出现逻辑和管理上的冲突。不同厂家的直流电源系统和锂电池配套使用的场合，电源厂家一般建议使用锂电池BMS系统的维谛UPS电源电池管理和保护功能，而屏蔽电源系统的电池管理功能。此时，直流电源系统不再参与锂电池的充放电管理和保护，仅仅提供一个直流电源供电的端口。但有的锂电池厂家出于对电池多重保护的考虑，仍然希望电源系统部分参与锂电池的管理。因此，现场的工程应用经验就显得非常的重要，系统参数设置如果没有匹配好，可能会导致系统冲突，严重时会出现系统崩溃的情况，最终导致负载掉电。
现场如果出现直流电源系统配置锂电池使用的情况，请一定要与锂电池厂家充分沟通，同时找有经验的电源工程师确认并指导安装调试，VERTIV统一要求将类似现场应用反馈回公司研发确认。
（一）事件描述（Executive Summary）
某数据中心，因磷酸铁锂电池容量显示异常，在维谛UPS电源电池容量复位过程中电源系统掉电，导致客户负载中断约1小时。
问题过程详细描述：
1、某年某月某日，维谛工程师到客户现场维护保养时，发现电源系统配套的锂电池BMS系统上4组维谛UPS电源电池中有1组容量显示异常（这种显示异常情况以前多次出现，跟电池厂家咨询过需要在BMS系统上进行维谛UPS电源电池容量复位，之前也处理过多次），维谛工程师随即在BMS上对电池容量进行复位。
2、复位后锂电池BMS系统出现卡顿死机，大概10秒左右系统自动重启，并在重启过程中突然黑屏，此时维谛UPS电源电池模块上的指示灯也全部熄灭；电源系统监控模块也同时出现黑屏，模块输出中断，后端所有负载全部掉电。
3、大概1分钟后，维谛UPS电源电池BMS和电源系统监控两套系统都自动恢复工作，服务器陆续重启，因有部分负载需要人为重启，前后耗时约一小时，所有设备正常启动。BMS系统恢复后电池容量显示仍然异常，电源系统监控M822E运行正常。
（二）事件检查和处理过程（Check and Procedures）
1、系统基本信息：
交、整、直一体化机柜：系统型号NetSureHVTE02C71-T3
监控模块：型号M822E，软件版本v2.04
整流模块：型号R400-15000e
BMS型号：****
维谛UPS电源电池型号：****-4850back-uplifebatterymodule
2、系统配置情况：
R400-15000e模块7个、磷酸铁锂电池50AH*4组（带BMS系统）、系统总负载38A。
3、维谛技术工程师第一时间赶到现场协助恢复系统运行。
4、维谛UPS电源电池厂家技术人员随后也赶到了现场，对电池进行了放电测试，对落后/单体差异较大的电池进行了更换。
（三）事件原因分析（Analysis）
1、故障的直接原因很清楚，可以确定是锂电池的问题：
（1）维谛UPS电源电池容量复位后，锂电池BMS系统出现卡顿死机，大概10秒左右系统自动重启并在重启过程中突然黑屏，此时电池模块上的指示灯也全部熄灭，说明电池已经从系统上异常脱离。
（2）维谛UPS电源电池容量校正之前，电池端实际电压和实际容量不确定，电池容量复位操作后，电池充电回路打开，电池开始充电，系统电压因充电电流过大会被拉低。（M822E监控模块上报电池充电过流告警，并记录了充电电流为56.63A。）
（3）因这套系统电池在安装之前受过损伤，电池组内各单体之间离散性很差，在充电瞬间电池组中个别电池单体电压被拉低到2.5V的保护电压以下，此时放电回路保护。
2、从电源系统的角度分析掉电原因：
（1）根据现场提供的历史数据，历史数据中记录到了在监控掉电前出现了充电电流为56.63A的大电流充电，这个充电电流是由于锂电池BMS管理策略导致，锂电池在判断充满后会断开充电回路，当需要充电时才会连接电源，连接电源时就会出现超出限流点的大电流充电，充电电流由BMS配置的限流板决定，由于电池的BMS系统与电源监控直接没有通信协议，这一动作电源监控是无法知道，因此无法提前预限流。
（2）由于维谛UPS电源电池过流，监控开始对模块输出进行限流，此时需要电池带一部分负载。如果此时电池供不了电，电源系统的母排电压会被拉低。而现场的实际情况是锂电池出现了异常，同时其自身的保护策略断开了放电回路，导致锂电池实际上断开了与电源的连接，这导致了系统的最终掉电。
（3）针对这样的情况我们在实验室做了问题验证的模拟实验，复现了这种情况：
图4是系统不带维谛UPS电源电池，带负载情况下，监控发限流指令，系统输出的电压和电流波形。
模块先是正常工作，然后手动发一个很低的限流点，此时模块工作在限功率状态，不足以带动负载，母排电压跌落到100V，监控掉电，监控掉电后，模块判断到与监控通信失败就会恢复默认输出，系统恢复，与现场描述问题情况一致。
图5是系统带维谛UPS电源电池，带负载情况下，监控发限流指令，系统输出的电压和电流波形。模块先是正常工作，然后手动发一个很低的限流点，此时模块工作在限功率状态，不足以带动负载，此时由电池带载，电压轻微跌落，系统正常运行。
（四）事件总结（Conclusion）
综上所述，系统掉电的根本原因：
1、这套锂电池系统在安装之前受过机械损伤（跌落），当时虽然做了测试并更换了部分锂电池单元，但很显然为系统的安全运行留下了隐患。故障发生时，锂电池性能出现了异常，且其自身保护策略断开了放电回路。
2、锂电池的BMS不能与直流电源系统监控模块进行通信，两套系统独立运行，电池管理逻辑不能实现协调统一。
3、电源监控的电池管理相关参数依旧是按照铅酸电池进行设置，电源系统对锂电池的管理逻辑依旧是采用对铅酸电池的管理逻辑。
(一)电源监控能与BMS通信的情况
1、目前VERTIV技术已经与部分锂电池厂家合作，定义了电源监控与BMS通信的协议，支持该协议的BMS可以与电源监控通过485总线通信，将BMS信息上送给监控显示。
2、对于可以通信的锂电池，我们可以直接使用BMS提供的电流，电压，容量等信息进行相关电池管理，不存在逻辑冲突问题。
（二)电源监控与BMS不能通信的情况
当前锂电池种类繁多，我们以BMS是否配置有限流单元为基础，将锂电池分为带有限流板的锂电池和不带限流板的锂电池，维谛技术提出了两种解决方案：
1、方案一：针对带有限流板的锂电池
（1）对于带有限流板的锂电池，电源监控只需要禁用自身限流功能；
（2）同时将均浮充电压按照锂电池厂家建议设置成一样的电压；（相当于作为免均充电池对待）
（3）监控将不参与锂电池的充电限流，锂电池的充电限流将由锂电池BMS自带的限流板控制。
2、方案二：针对不带限流板的锂电池
（1）对于不带限流板的锂电池，电源监控使用调压的方式进行充电限流控制，通过控制模块的输出电压来控制对锂电池的充电电流，确保不发生过流和系统限流的情况；
（2）将均浮充电压按照锂电池厂家建议设置成一样的电压；（相当于作为免均充电池对待）
（3）同时配合模块默认电压的设置来完成对锂电池充电限流的管理，当监控掉电，模块判断到与监控通信失败，模块将按照设置的默认电压运行，防止电压偏高导致锂电池过充保护。
锂电池管理调压控制逻辑和实测波形：
1.电压调节控制逻辑：根据电池充电电流反馈，逐步调节模块输出电压以达到限流目的。
2.锂电池管理调压控制实测波形：（负载：240A；整理模块：R240-15K6个）
a)顺序启动时间间隔：8s，软起动时间：125s，采用调压方式进行充电限流，实测波形如图6，能够完美实现充电限流。
b)关闭顺序启动，关闭软起，采用调压方式进行充电限流，实测波形如图7，能够完美实现充电限流。
结论：对于直流电源系统配锂电池应用场景，建议使用调压的方式进行电池限流管理，以防止锂电池内部保护机制与电源系统的电池管理方案相冲突。
（一）首先要详细了解现场锂电池的基本参数
如标称容量、浮充电压、均充电压、电池限流点、电池保护点等。
（二）针对方案一（符合配置要求，即带有限流板的锂电池）
（1）电池容量按实际值设置；
（2）均、浮充电压按照锂电池厂家建议的值进行设置；
（3）对于带有限流板的锂电池，电源监控只需要禁用限流功能；
（4）监控将不参与锂电池的充电限流，锂电池的充电限流将由锂电池BMS自带的限流板控制。
（三）针对方案二（不符合配置要求，不带限流板的锂电池）
此种情况不符合我司建议的配置要求，可能存在电池管理的风险，提醒用户应谨慎使用。但为了尽可能的保证系统运行安全，此时系统应设置为电压限流模式。
（1）电池容量按实际值设置：
（2）均、浮充电压按照锂电池厂家建议的值进行设置；
（3）对于不带限流板的锂电池，电源监控模块的限流方式应该选“调压方式”，即通过控制模块的输出电压来控制对锂电池的充电电流，确保不发生过流情况。
（4）限流点按锂电池厂家建议的限流点设置。
电池限流点=锂电池的限流点。
充电过流点=锂电池的限流点+0.20C。
（5）HVDC电源监控其他涉及参数，可以参考表5设置：
说明：锂电池的保护点，指的是限流板的最大输出，而不是锂电池脱开的保护点。
（6）当监控掉电，模块判断到与监控通信失败，模块将按照设置的默认电压运行，防止电压偏高导致锂电池过充保护。说明：锂电池的保护点，指的是限流板的最大输出，而不是锂电池脱开的保护点。
相对于铅酸蓄电池，磷酸铁锂电池具有重量轻、高倍率放电、循环寿命长以及绿色环保等特点，部分运营商开始引入磷酸铁锂电池作为电源的后备电池。但是因为技术和管理上存在的漏洞，实际应用过程中还是出现了一些问题。
为了保证直流电源系统的安全性和可靠性，VERTIV技术对配置锂电池的直流电源系统的开机调试做出了明确规定，需要参照执行。两个文件分别为《技术服务及软件函XX号DC电源配置锂电池的开机管理规》和《DC电源系统配置锂电池的开机调试操作指导》。
摘自： vertiv公众号，如有涉权，联系删除
详情请来电咨询：020-22074194、13318871889（微信）
