路 煜,張 路,侯小鳳,鄭文立,李 超

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

1 引言

在如今科技快速發(fā)展的新時(shí)代，國(guó)家戰(zhàn)略強(qiáng)調(diào)要加快數(shù)據(jù)中心等“新型基礎(chǔ)設(shè)施”建設(shè)進(jìn)度，這使得數(shù)據(jù)中心的重要性更上一層樓。在數(shù)據(jù)中心成本中，電力建設(shè)成本是主要組成部分，其比例可達(dá)30%～50%[1]。如何節(jié)省這部分費(fèi)用是數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵問(wèn)題。研究表明，數(shù)據(jù)中心后備電源具有很大的使用潛力，將電池應(yīng)用于削峰填谷可極大地提升數(shù)據(jù)中心電能利用率。為節(jié)約數(shù)據(jù)中心電力建設(shè)成本，該方案已經(jīng)被許多大型數(shù)據(jù)中心所采用[2 - 4]。有調(diào)查顯示[5]，在數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能設(shè)備相關(guān)論文中，用儲(chǔ)能設(shè)備削峰填谷的研究已達(dá)到70%以上。在現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心中，分布式備電系統(tǒng)的應(yīng)用使數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行更加穩(wěn)定和高效，該方案改變了整個(gè)機(jī)房集中供電的模式，將后備電池與每個(gè)機(jī)柜或者每臺(tái)服務(wù)器對(duì)應(yīng)，更細(xì)粒度地提升了使用電池削峰填谷的效率，同時(shí)也減小了故障發(fā)生時(shí)的影響面積，提升了安全系數(shù)，成為了未來(lái)發(fā)展的主流趨勢(shì)。

后備電池的成本是數(shù)據(jù)中心電力成本的重要組成部分。過(guò)去，數(shù)據(jù)中心中備電成本的節(jié)約主要集中在如何利用電池和如何在空間上合理地布置電池。顯然，降低更換電池的頻率也是節(jié)約電池成本的一個(gè)重要研究方向。但是，我們發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)有關(guān)研究都忽略了電池在傳統(tǒng)意義上的老化后是否還具有使用潛力，也忽略了電池自身的老化問(wèn)題和該問(wèn)題可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)[1,4 - 8]。為了彌補(bǔ)這個(gè)空白，本文針對(duì)如何預(yù)測(cè)現(xiàn)有的“老化電池”是否還能繼續(xù)使用，如何評(píng)價(jià)老化電池的使用價(jià)值，以及如何使用才能發(fā)揮其最大使用價(jià)值等問(wèn)題進(jìn)行了研究。

本文建立了一個(gè)收益預(yù)測(cè)模型，比較延長(zhǎng)電池壽命的收益與這些老化電池帶來(lái)的性能下降和潛在風(fēng)險(xiǎn)的額外成本。為了平衡數(shù)據(jù)中心的安全性和成本，本文根據(jù)收益預(yù)測(cè)模型提出了老化感知的電池管理方式。該管理方式不僅可以保持電池的安全性和穩(wěn)定性，而且還可以降低數(shù)據(jù)中心的總成本，在電池的使用期內(nèi)實(shí)現(xiàn)二者的平衡。采用本文中的評(píng)價(jià)框架對(duì)比了現(xiàn)有的削峰方式，并提出了更具收益的控制方式，可以節(jié)約數(shù)據(jù)中心電池成本的24%。

本文的主要貢獻(xiàn)如下所示：

(1)本文提出了一種數(shù)據(jù)中心預(yù)測(cè)電池可用性的模型和方法——收益衡量法，該方法通過(guò)合理控制電池使用方式來(lái)達(dá)到電池使用與系統(tǒng)收益的平衡。

(2)本文建立了一種老化感知的電池管理系統(tǒng)ABMS(Aging-aware Battery Management System)，可以在每個(gè)老化階段合理控制電池的使用。

(3)本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了收益衡量模型和ABMS電池管理系統(tǒng)的有效性。

2 有關(guān)研究

如今，分布式電池系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。Facebook采用的是將電池配置給單獨(dú)機(jī)柜的方式[2]。Google采用的是將電池配置給每臺(tái)服務(wù)器的方式[3]。圖1展示了集中式備電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖2表示了采取2種分布式供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心電力結(jié)構(gòu)(其中機(jī)柜1為機(jī)柜級(jí)，機(jī)柜2為服務(wù)器級(jí))。盡管在分布式備電系統(tǒng)中使用電池削峰的技術(shù)已經(jīng)得到廣泛研究[6,7,9]，但在此基礎(chǔ)上對(duì)于如何合理地發(fā)揮電池最大使用價(jià)值的研究還有所欠缺。

Figure 1 Centralized power hierarchy topology圖1 集中式備電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Figure 2 Distributed power hierarchy topology圖2 分布式備電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用場(chǎng)景中，如果后備電池僅用來(lái)保證備電安全性，事實(shí)上存在很大程度的浪費(fèi)現(xiàn)象。調(diào)查表明，美國(guó)企業(yè)的年平均停電次數(shù)在7次以下的概率為87%[8]。由于柴油發(fā)電機(jī)的存在，后備電源的主要功能為供給切換電源時(shí)的幾分鐘供電空缺，這意味著后備電源的年平均工作時(shí)間僅有幾十分鐘或更低。而磷酸鐵鋰電池的生命周期可達(dá)1 000次循環(huán)以上，因此使用電池進(jìn)行削峰可以發(fā)揮出電池的使用潛力，獲得更大收益，本文研究也是針對(duì)磷酸鐵鋰電池的。有的研究是通過(guò)電池的不充分配置來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本[8]，是一種空間上的最大化資源利用。有的工作是針對(duì)如何設(shè)置最佳的用于削峰的電池容量來(lái)獲取最大收益[10]。Narayanan等人[11]則通過(guò)優(yōu)化電池控制方式，研究了削峰收益與電池老化損失之間的平衡。還有一部分研究是針對(duì)使用新能源的綠色數(shù)據(jù)中心中電池配置優(yōu)化以及對(duì)應(yīng)的服務(wù)器性能提升[12,13]。

目前數(shù)據(jù)中心功耗管理的研究主要集中在使用電池進(jìn)行削峰填谷[14,15]，以及探索電池在峰值管理中擴(kuò)展性的應(yīng)用[16,17]。除此之外，還有虛擬機(jī)調(diào)度[18，19]和動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)等方法[20]。虛擬機(jī)調(diào)度是通過(guò)調(diào)度平衡任務(wù)對(duì)服務(wù)器各項(xiàng)資源的不平衡需求。DVFS是通過(guò)在面臨需求峰值時(shí)主動(dòng)降頻來(lái)減輕服務(wù)器壓力。但是，主動(dòng)降頻的方式會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器性能下降和處理能力降低。已有的數(shù)據(jù)中心削峰研究中所提到的削峰策略主要是以電池削峰和DVFS這 2種方法相結(jié)合，采用不同的調(diào)度策略。例如，Kontorinis等人[7]提出的控制策略針對(duì)低的峰值采用DVFS進(jìn)行削峰，而對(duì)于較高的峰值采用電池削峰的方式。當(dāng)電池的能力不足以支持削峰需求時(shí)，增大DVFS使用的頻率和比例會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器性能變差，即本文提出的性能損失。對(duì)于這部分性能損失，目前還沒(méi)有數(shù)據(jù)中心的相關(guān)研究對(duì)此進(jìn)行評(píng)估。所以，本文提出了一個(gè)新的量化評(píng)估方法，用損失時(shí)間進(jìn)行衡量。

電池用于削峰時(shí)，其主要行為是頻繁地充放電，這會(huì)加快電池老化速度。鋰電池老化的主要表現(xiàn)為可用容量的下降。但是，目前數(shù)據(jù)中心鋰電池還缺乏一個(gè)通用更換標(biāo)準(zhǔn)，一般在剩余80%可用容量時(shí)視作其老化[21]。但有研究表明，80%剩余容量的老化電池，其放電性質(zhì)依然較為穩(wěn)定，可以滿足一定的供能需求[22,23]。Narayanan等人[11]研究了減少市電輸入、增加電池使用與電池老化之間的關(guān)系，其重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)電池老化與成本節(jié)約的平衡，但缺少對(duì)成本與電池老化影響的歸一量化分析。Aksanli 等人[24]提出了一種通過(guò)控制邏輯實(shí)現(xiàn)有效延長(zhǎng)數(shù)據(jù)中心備電電池使用壽命的電池管理方式。此外，還有些研究中也探討了電池壽命的管理機(jī)制[25,26]。但是，現(xiàn)有的研究都無(wú)法說(shuō)明電池最大的使用潛力，針對(duì)該研究空白，本文重點(diǎn)研究如何評(píng)估“老化電池”的可用性，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的合理利用，探尋其在數(shù)據(jù)中心使用背景下真正的壽命終點(diǎn)，最大化地發(fā)揮數(shù)據(jù)中心后備電池的使用價(jià)值，降低備電成本。

目前數(shù)據(jù)中心業(yè)內(nèi)先進(jìn)的分布式電池，通常都自帶電池管理系統(tǒng)，可以獲得各項(xiàng)參數(shù)值。本文所研究的電池管理系統(tǒng)，是在電池自帶管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，集成本文提出的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)成本收益更高的電池控制與調(diào)度。

3 數(shù)據(jù)中心后備電池建模

3.1 電池模型

在數(shù)據(jù)中心削峰中使用電池需要對(duì)電池的物理性質(zhì)進(jìn)行分析，本文根據(jù)Aksanli等人[24]的研究，采用如下電池模型：

計(jì)算放電量：

Creleased=Δt·Idischarge

(1)

計(jì)算放電深度DOD：

(2)

其中，Cap即當(dāng)前老化狀態(tài)下的可用容量:

(3)

其中，CR是額定容量;H為額定放電時(shí)間(一般為5 h);k體現(xiàn)了普克特定律，針對(duì)磷酸鐵鋰電池，k的值為1.05?？捎萌萘緾ap同時(shí)也受電池的健康水平SoH影響，隨著電池老化，可用容量不斷減小。

在每一次完整的充放電循環(huán)后，用式(4)計(jì)算新的SoH：

(4)

其中，SoHdead是目前通用的電池老化界限，并且通過(guò)DODfinal對(duì)高深度放電行為進(jìn)行懲罰。

3.2 收益模型

雖然電池的老化是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，電池處于不斷老化之中，但是數(shù)據(jù)中心的使用需求對(duì)電池的性質(zhì)并不敏感。同時(shí)，為了增加實(shí)際應(yīng)用的可操作性，本文將電池的使用劃分為若干個(gè)時(shí)間區(qū)間，每個(gè)區(qū)間內(nèi)電池的老化狀態(tài)視為穩(wěn)定。其中對(duì)于時(shí)間段i，其長(zhǎng)度為ti,起始和結(jié)束時(shí)間點(diǎn)分別為T(mén)1,i和T2,i。電池在使用的過(guò)程中，老化的速度不斷加快，長(zhǎng)度ti也不斷減小。

電池的功能包括備電和削峰2個(gè)部分。合理地使用老化電池，取決于如何在每個(gè)時(shí)間段i內(nèi)將可用容量Cap劃分為使用容量CapU與備電容量CapB,以最小化帶來(lái)的損失。而對(duì)于電池來(lái)說(shuō)，每個(gè)階段i的長(zhǎng)度ti和可用容量Capi都是可預(yù)測(cè)的，這代表可以在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)下一個(gè)階段的使用收益和損失，從而決定是否繼續(xù)使用該電池。

3.2.1 使用收益

顯而易見(jiàn)，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間會(huì)減少電池的使用成本。由于電池本身最基本的功能是備電，為了簡(jiǎn)化電池基本的使用收益的復(fù)雜情況，將一般數(shù)據(jù)中心的電池使用情況設(shè)置為基準(zhǔn)線。在一般情況下，電池在使用到80%剩余容量時(shí)會(huì)被更換，記其使用年限為tB(即為電池使用的基準(zhǔn)時(shí)間)。由此可以得到某個(gè)階段i的收益(C0為單位時(shí)間電池的使用收益):

CB,i=ti·C0

(5)

設(shè)CBattery為電池成本，tb為電池使用的基準(zhǔn)時(shí)間，則C0可以表示為：

(6)

3.2.2 性能損失

雖然延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間會(huì)節(jié)約大量更換電池的費(fèi)用，但是也可能會(huì)因?yàn)殡姵乩匣鴰?lái)供電不足的現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致DVFS等手段的使用比例升高，從而導(dǎo)致服務(wù)器性能下降。為了衡量服務(wù)器性能下降帶來(lái)的損失，本文將性能下降轉(zhuǎn)化為運(yùn)行時(shí)間的損失，不同規(guī)模和類(lèi)型的數(shù)據(jù)中心損失運(yùn)行時(shí)間也會(huì)導(dǎo)致不同的成本損失。

設(shè)新電池用于削峰時(shí)，使用電池削峰的比例為β，即使用DVFS削峰的比例為(1-β)。β的大小取決于用于削峰的電池容量，即CapU的大小。β與CapU存在正比例關(guān)系：

β=k′·CapU

(7)

J是單位時(shí)間吞吐量(/h)，是本文用來(lái)衡量服務(wù)器性能的指標(biāo);r是時(shí)間損失率，是衡量性能損失的指標(biāo)，r和J有如下關(guān)系:

(8)

其中，Jfresh是完全使用新電池削峰條件下的每小時(shí)吞吐量，Jold是相同負(fù)載下使用老化電池之后導(dǎo)致性能降低后的每小時(shí)吞吐量。Δt是進(jìn)行比較的時(shí)間段的長(zhǎng)度，考慮到服務(wù)器負(fù)載具有周期性，通常周期為一天或者一周，處于周期中的不同位置時(shí)相對(duì)吞吐量也會(huì)有差異，所以Δt的取值最好為周期的整數(shù)倍。因此，在某個(gè)階段i內(nèi)，因性能下降造成的時(shí)間損失tp,i為：

tp,i=ti·r

(9)

而r與β之間存在以下關(guān)系：

r=g′(β)

(10)

即：

tp,i=ti·g(CapU,i)

(11)

3.2.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

在電池的使用中，備電可靠性取決于備電容量。這里保留CapB的電量留作備電容量，假設(shè)使用的電池滿電量Cap0所能供給的時(shí)間為t0，可能發(fā)生的停電事故宕機(jī)時(shí)間為x,那么發(fā)生停電事故時(shí)電池可供電時(shí)長(zhǎng)tB為：

(12)

對(duì)于低于該時(shí)長(zhǎng)的停電事故，實(shí)際可以完全解決。而對(duì)于高于該時(shí)長(zhǎng)的停電事故，損失的時(shí)間為tloss=x-tB。斷電時(shí)間的模型可以考慮為正態(tài)分布模型，假設(shè)斷電時(shí)間服從正態(tài)分布N(μ,σ2)，其概率密度函數(shù)為h(x)，那么由此可以得到一次斷電損失的期望為：

(13)

所以,可以得到階段i內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)損失時(shí)間tr,i為:

tr,i=mEtloss(CapB,i)-mtB

(14)

其中m為停電發(fā)生次數(shù)的期望。

3.2.4 模型優(yōu)化

將可用容量Cap如何劃分為使用容量CapU與備電容量CapB會(huì)影響帶來(lái)的損失，當(dāng)劃分的使用容量較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致性能損失tp,i較小而風(fēng)險(xiǎn)損失tr,i較大；反之，tp,i較大時(shí)tr,i會(huì)較小。

某個(gè)階段i內(nèi)的損失總和CL,i來(lái)自于tp,i和tr,i2部分，可以表示為：

CL,i=α·(tp,i+tr,i)

(15)

即：

CL,i=α·(ti·g(CapU,i)+

mEtloss(CapB,i)-mtr,0)

(16)

其中，α為系數(shù)，它反映的是經(jīng)濟(jì)損失與時(shí)間損失之間的關(guān)系。α的值可以通過(guò)擴(kuò)大問(wèn)題規(guī)模獲取，如數(shù)據(jù)中心停止運(yùn)行1天所造成的損失為L(zhǎng)1，則有α=L1/24，其值因數(shù)據(jù)中心的具體情況而異。

由此可以預(yù)測(cè)下一階段的Cap和ti，然后將損失函數(shù)轉(zhuǎn)化為CapB,i的一元函數(shù)：

CL,i=α·(ti·g(Cap-CapB,i)+

mEtloss(CapB,i)-mtr,0)

(17)

求解該一元函數(shù)，可以得到使得損失最小的容量分配比例以及最小的損失。

3.2.5 凈收益評(píng)估

經(jīng)過(guò)上文分析得到了ti時(shí)間段內(nèi)的收益CB,i與損失CL,i，由此可以得到ti時(shí)間段內(nèi)的凈收入Yi:

Yi=CB,i-CL,i

(18)

當(dāng)凈收益大于0時(shí)，表明使用者在該時(shí)間段內(nèi)繼續(xù)使用電池可以為數(shù)據(jù)中心帶來(lái)收益;而當(dāng)凈收益小于0時(shí)，則表明繼續(xù)使用會(huì)造成損失。數(shù)據(jù)中心根據(jù)凈收益決定電池在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的可用性。完整的使用過(guò)程由若干個(gè)時(shí)間段組成，總凈收益為：

(19)

其中n∈Z,滿足Yn>0，Yn+1≤0。電池使用到T2,n時(shí)間時(shí)，可以獲得最大的凈收益Ytotal。

3.2.6 模型結(jié)構(gòu)總覽

圖3所示為本文提出的收益模型結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)模型分別計(jì)算某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的使用收益、性能損失和風(fēng)險(xiǎn)損失得到凈收益，從而判斷電池可用性。

Figure 3 Topology of benefit model圖3 收益模型結(jié)構(gòu)圖

4 老化感知的電池管理系統(tǒng)ABMS

根據(jù)上文提到的優(yōu)化，本文可以實(shí)現(xiàn)在老化的不同階段得到對(duì)應(yīng)的最優(yōu)電池容量配置方案，以此來(lái)管理電池的使用。在某個(gè)老化階段，可以通過(guò)得到的配置方案，確定電池在削峰中可以使用的容量，并通過(guò)得到的最大容量限制電池充放電的行為。

在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心電池管理系統(tǒng)中，電池的老化是一個(gè)非常模糊的界限，這導(dǎo)致電池在使用中無(wú)法發(fā)揮其最大潛力。其次，電池在不同的老化階段的性質(zhì)與能力有所不同，而現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)對(duì)于不同老化狀態(tài)的電池使用方法相同，這顯然并不合理。本文提出的老化感知的電池管理系統(tǒng)ABMS，不僅可以明確地檢測(cè)電池收益的最大界限，而且針對(duì)不同狀態(tài)的電池采取更科學(xué)合理的使用方法，從而最大化使用收益。

本文提出的老化感知的電池管理系統(tǒng)所得到的收益，是通過(guò)合理使用電池而節(jié)約的數(shù)據(jù)中心電池成本。通過(guò)使用該管理系統(tǒng)，可以最大化地節(jié)約備電系統(tǒng)費(fèi)用。電池的老化是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程，發(fā)生較為明顯的變化可能要經(jīng)歷幾個(gè)月的時(shí)間，因此只需要建立檢查點(diǎn)對(duì)電池進(jìn)行老化檢測(cè)，測(cè)量其內(nèi)部參數(shù)，以確定其老化階段。每個(gè)檢查點(diǎn)之間只需相隔數(shù)月，這對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言只是一筆微小的開(kāi)銷(xiāo)。檢查點(diǎn)間的時(shí)間間隔是可變的，因?yàn)殡姵乩匣潭仍絿?yán)重，其老化速度越快，時(shí)間間隔應(yīng)逐漸縮短。

本文提出的ABMS可以分為以下幾個(gè)步驟。

(1)詳細(xì)檢查電池以確認(rèn)老化階段和有效容量并判斷電池是否可以繼續(xù)使用。由于電池老化是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程，因此該步驟不需要高頻率執(zhí)行。ABMS設(shè)置了檢查點(diǎn)以檢查電池狀態(tài)。電池老化時(shí)，2個(gè)檢查點(diǎn)之間的時(shí)間間隔會(huì)越來(lái)越短。數(shù)據(jù)中心中設(shè)置檢查點(diǎn)的成本很低。檢查點(diǎn)還具有校正充電和放電的作用。

(2)根據(jù)有效容量和本文模型，找到最合理的容量配置。

(3)使用得到的容量配置限制電池操作。由可用容量確定電池工作的電荷狀態(tài)SoC(State of Charge)的范圍,并使用該范圍限制電池操作。ABMS使用電流積分方法來(lái)估計(jì)SoC，使用電池自帶的管理系統(tǒng)進(jìn)行輔助修正，并在檢查點(diǎn)處消除誤差。

圖4描述了應(yīng)用ABMS的數(shù)據(jù)中心備電管理結(jié)構(gòu)。

Figure 4 Datacenter power hierarchy with ABMS圖4 應(yīng)用ABMS的數(shù)據(jù)中心備電管理結(jié)構(gòu)圖

圖5描述了ABMS流程圖。

Figure 5 Flow chart of ABMS圖5 ABMS流程圖

5 仿真實(shí)驗(yàn)

5.1 模型有效性驗(yàn)證

本文根據(jù)第3節(jié)的模型分析方法和第4節(jié)的控制方法搭建了仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了ABMS系統(tǒng)的控制邏輯。

在同樣的參數(shù)條件下測(cè)試了2組有代表性的模擬放電狀態(tài)(穩(wěn)定放電和峰值放電)。其中穩(wěn)定放電為周期性輕度放電，峰值放電則代表了備電電池在應(yīng)對(duì)峰值突發(fā)削峰場(chǎng)景中的表現(xiàn)，即峰值高但持續(xù)時(shí)間短。圖6和圖7分別給出了2種放電狀態(tài)下模擬系統(tǒng)從開(kāi)始到檢測(cè)到電池不可用時(shí)的整個(gè)放電過(guò)程中的SoC和SoH變化曲線，其中橫軸為循環(huán)周期數(shù)，縱軸為當(dāng)前SoC或SoH占初始水平的百分比，實(shí)線為電池在使用中SoC的變化情況，虛線為SoH的變化情況，SoC不會(huì)過(guò)低的原因是控制系統(tǒng)中預(yù)留了用于備電的部分。此外，本實(shí)驗(yàn)還使用實(shí)際測(cè)量得到的功耗需求數(shù)據(jù)在仿真平臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試，在同一條件下進(jìn)行模擬，其結(jié)果如圖8所示。

Figure 6 SoC&SoH in stable discharging圖6 穩(wěn)定放電下電池SoH和SoC變化曲線

Figure 7 SoC&SoH in violent discharging圖7 峰值放電下電池SoH和SoC變化曲線

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在平穩(wěn)放電這種低需求的條件下，電池能夠使用的時(shí)間較長(zhǎng)。設(shè)定條件下的電池可以使用接近 800次循環(huán)，而此時(shí)的電池容量已經(jīng)不足60%。而在高需求高損耗的脈沖放電條件下，電池剩余容量在高于80%時(shí)已達(dá)到最大收益，用于削峰的電池容量不足以支撐削峰需求，導(dǎo)致DVFS頻率上升，繼續(xù)使用會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的性能損失，應(yīng)當(dāng)停止使用。而在圖8中的實(shí)際負(fù)載下，電池的使用壽命界限為67%。相比于簡(jiǎn)單地在其80%剩余容量時(shí)更換電池，優(yōu)化后的管理方法可以節(jié)約電池成本約24%?？梢?jiàn)，本文提出的模型對(duì)于不同場(chǎng)景中的應(yīng)用情況，可以得到不同的電池使用壽命。用于削峰的電池并沒(méi)有明確的最大壽命，而是隨著不同的使用情況變化。

Figure 8 SoC&SoH under real load圖8 實(shí)際負(fù)載下電池SoH和SoC變化曲線

5.2 ABMS管理系統(tǒng)分析

圖9展示了在實(shí)際負(fù)載下，本文的ABMS系統(tǒng)對(duì)于備電容量和削峰容量的均衡控制。在每個(gè)檢查點(diǎn)，電池管理系統(tǒng)會(huì)檢查電池的狀態(tài)同時(shí)預(yù)估下個(gè)階段的使用收益，如果收益為正則按模型計(jì)算分配容量，否則終止使用。值得注意的是，由于電池的性能隨著老化越來(lái)越不穩(wěn)定，容量的衰減也越來(lái)越快,因此檢查點(diǎn)之間的間隔會(huì)越來(lái)越短，這也是為了保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性。該特性在圖9中也有體現(xiàn)。

Figure 9 ABMS dynamic management of battery backup capacity and peak-shaving capacity under real load圖9 實(shí)際負(fù)載下ABMS系統(tǒng)對(duì)于 電池備電容量和削峰容量的動(dòng)態(tài)管理

圖10比較了上述3種模式采用ABMS控制系統(tǒng)和自然控制模式的收益對(duì)比。從圖10可以分析得到，本文提出的ABMS系統(tǒng)對(duì)于平穩(wěn)的削峰需求優(yōu)化效果更好，相對(duì)而言對(duì)于高容量的削峰需求優(yōu)化效果則不明顯。實(shí)際場(chǎng)景中，2種情況都存在，所以收益介于二者之間。

Figure 10 Benefits comparison between ABMS and natural control mode in three modes圖10 3種削峰模式下采用ABMS控制系統(tǒng) 和自然控制模式的收益對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一個(gè)數(shù)據(jù)中心削峰電池使用成本模型，通過(guò)模型進(jìn)行收益和損失分析預(yù)測(cè)電池在未來(lái)一段時(shí)間的使用價(jià)值，從而得到電池的最優(yōu)使用終點(diǎn)。對(duì)于性能下降的量化問(wèn)題，本文提出了一種將性能下降轉(zhuǎn)化為運(yùn)行時(shí)間損失再轉(zhuǎn)化為成本損失的量化方式。實(shí)驗(yàn)表明，根據(jù)不同的負(fù)載情況，該模型可以給出不同收益的最大有效壽命。

ABMS是數(shù)據(jù)中心中一種全新的電源管理方式，通過(guò)設(shè)立檢查點(diǎn)的方式了解電池狀態(tài)以及根據(jù)成本模型重新評(píng)估來(lái)衡量電池的可用性，并根據(jù)模型合理地劃分電池的有效容量，從而最大化電池的使用壽命，節(jié)約數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本。在仿真實(shí)驗(yàn)的條件下，該系統(tǒng)可節(jié)約電池成本約24%，是一種有效的備電成本節(jié)約方式。