A plataforma de baterias de reserva é uma característica importante dos sistemas de gestão de energia numa arquitetura OCP ORV3 e em aplicações de data center, especialmente na área dos sistemas de alimentação ininterrupta (UPS). Estas plataformas, com o seu design preciso focado em alojar e organizar as baterias de reserva, atuam como sentinelas essenciais, garantindo o funcionamento adequado de equipamentos críticos durante falhas de energia e flutuações de tensão.
A importância crítica de sistemas de energia de reserva fiáveis é inegável na nossa era moderna, caracterizada pela sofisticação tecnológica. A estabilidade dos centros de dados, nós de telecomunicações e salas de servidores é essencial para as operações comerciais, tornando indispensável um sistema de energia de reserva robusto. Neste contexto, as plataformas de baterias de reserva desempenham um papel fundamental como base destes sistemas. Atuando como um hub central para o armazenamento eficiente de BBUs (Unidades de Bateria de Reserva), estas plataformas criam uma ligação que aumenta a disponibilidade de reservas de energia críticas. O seu principal objetivo é alojar e gerir até seis módulos de BBU, cada um precisamente alinhado para acomodar baterias de iões de lítio combinadas com conversores de energia. A arquitetura destas plataformas foi meticulosamente ajustada, combinando na perfeição a eficiência do espaço com a acessibilidade, otimizando a manutenção e simplificando as operações de substituição.
Uma das principais vantagens destas plataformas de baterias de reserva é o inventário centralizado e organizado dos módulos de BBU. A disponibilidade de um sistema de armazenamento definido permite o fácil rastreio, etiquetagem e manutenção dos módulos de BBU, reduzindo o risco de perda ou confusão, especialmente em situações críticas. Além disso, este sistema centralizado revelou-se uma vantagem real para a monitorização da saúde da bateria. Esta estrutura facilita inspeções, testes e substituições de rotina.
A diversidade de tamanhos e configurações das plataformas BBU foi adaptada às necessidades específicas de vários setores e instituições. O design modular de algumas plataformas oferece flexibilidade, permitindo o desenvolvimento futuro para satisfazer as crescentes exigências energéticas. Além disso, estas plataformas contêm sistemas de monitorização integrados que fornecem informações em tempo real sobre a saúde da bateria. Detalhes como os níveis de tensão, temperatura, atividade do módulo e capacidade restante são apresentados de forma clara e concisa, possibilitando a manutenção preventiva e garantindo que as baterias estão sempre prontas para fornecer energia em momentos críticos.
Visão geral da plataforma BBU:
Conforme definido pela OCP para a sua nova arquitetura para ORV3, a arquitetura de alimentação de bastidor aberto consiste num bastidor de alimentação centralizado e escalável e num bastidor BBU que distribui a energia através de uma barra de barramento comum para os dispositivos de carga útil (equipamento de TI). Esta especificação definirá as plataformas BBU que se encaixam no bastidor aberto. A plataforma BBU conterá seis módulos BBU com redundância 5+1 para fornecer energia CC a todas as cargas úteis dentro do bastidor. Quando ocorre uma falha de energia CA, a plataforma BBU pode fornecer energia de reserva até à potência nominal máxima da plataforma durante um tempo de reserva especificado. O tempo de reserva da plataforma BBU permite que o bastidor seja movido entre fontes de alimentação sem interromper as operações de TI e possibilita que as aplicações sejam esvaziadas ou movidas antes que a energia seja perdida.
Figura 1. Configuração da plataforma BBU numa arquitetura OCP ORV3.1
Firmware do Microcontrolador da Plataforma
O microcontrolador da plataforma utilizado na aplicação BBU é o MAX32625, um microcontrolador Arm® Cortex®-M4 de ultrabaixo consumo. O microcontrolador é responsável por múltiplos processos:
1. Comunicação com o computador host através do protocolo Modbus
2. Comunicação com os módulos através do protocolo Modbus
3. Gestão do carregamento periódico dos módulos
4. Modos de controlo do sistema
Figura 2. (a) Diagrama de comunicação módulo-plataforma e (b) diagrama de blocos de comunicação plataforma-PC.
Comunicação com o computador host através do protocolo Modbus.
Na Figura 2, o microcontrolador da plataforma desempenha um papel fundamental no estabelecimento de uma comunicação perfeita com o computador host através da robusta interface RS-485, atuando como um servidor Modbus especializado. A sua principal função é recolher dados de diversos módulos em tempo real, o que faz incansavelmente. Estes dados acumulados são enviados para o computador host, onde são utilizados para preencher uma aplicação GUI dinâmica, proporcionando uma representação visual melhorada. Quando as comunicações são recebidas do computador anfitrião, o microcontrolador da plataforma atua como um guardião, autenticando metodicamente a validade e a integridade de cada mensagem. Assim que o microcontrolador se convence da autenticidade da mensagem, formula rapidamente a sua resposta, com base na quantidade de informação armazenada nos registos de retenção. Esta resposta cuidadosamente elaborada contém a informação necessária ao computador host, apresentada de forma estruturada.
Contudo, o microcontrolador da plataforma não falha quando a mensagem recebida é contaminada por anomalias. Assume rapidamente o papel de um comunicador eficaz, respondendo com uma mensagem de erro baseada no protocolo Modbus. Esta notificação de erro alerta o computador anfitrião sobre a anomalia, permitindo-lhe tomar as medidas corretivas adequadas.
Essencialmente, a importância do microcontrolador da plataforma reside no seu papel multifacetado como condutor de dados, guardião da integridade dos dados e informante responsivo. Tudo isto contribui para orquestrar uma estrutura de comunicação robusta e fiável nas interações baseadas em Modbus.
Comunicação com Módulos via Protocolo Modbus.
Na Figura 2, torna-se evidente o papel fundamental do microcontrolador da plataforma, alternando perfeitamente entre as funções de cliente e servidor Modbus, coordenando um ecossistema de comunicação complexo e eficiente. Ao interagir com múltiplos módulos BBU, o microcontrolador da plataforma atua como cliente Modbus, iniciando e mantendo a comunicação com cada módulo. Estes módulos BBU atuam como servidores Modbus, atualizando continuamente os seus registos com as informações mais recentes. O microcontrolador da plataforma realiza um percurso cíclico enquanto opera em sincronia. Percorre o ambiente dos módulos BBU, capturando os dados de telemetria de cada módulo a uma cadência cíclica. Estes dados, que fornecem informações úteis, são armazenados cuidadosamente na memória do microcontrolador, prontos a responder caso surja uma consulta do computador anfitrião.
No entanto, a função do microcontrolador da plataforma não se limita às interações cliente-servidor dentro do sistema BBU. Transforma-se num servidor Modbus, enviando os dados recolhidos para o computador host mediante pedido, criando uma ponte crucial entre o computador host e os inúmeros módulos BBU. Simultaneamente, continua a funcionar como cliente Modbus, organizando as interações com os módulos BBU e garantindo que a informação está atualizada e precisa.
Essencialmente, o microcontrolador da plataforma incorpora versatilidade e adaptabilidade, funcionando habilmente como cliente e servidor, promovendo a interação entre o computador host e os módulos BBU. Esta interligação demonstra a sua capacidade de manter uma estrutura de comunicação robusta, aumentando a eficiência e a fiabilidade global do sistema.
Gestão de Carregamento Periódico de Módulos:
De acordo com os requisitos do OCP, um módulo BBU deve ser carregado periodicamente, uma vez que a bateria perde corrente em modo de espera. Como um módulo BBU só pode ser carregado uma vez a cada 10 dias, o microcontrolador da plataforma deve monitorizar e gerir quais os módulos BBU que serão carregados. Consequentemente, o carregamento periódico é iniciado pelo microcontrolador da plataforma, que utiliza um comando específico do protocolo Modbus para determinar quais os módulos BBU que necessitam de carregamento periódico. Um requisito fundamental para os módulos BBU na arquitetura do sistema decorre dos padrões rigorosamente definidos pelo OCP. Estes módulos, que são componentes-chave da configuração, devem ser carregados periodicamente. Este requisito surge da fuga de corrente que a bateria sofre durante os períodos de espera. Portanto, o carregamento periódico é necessário para manter o desempenho ideal e a fiabilidade operacional.
Modos de controlo do sistema
Por fim, o OCP sugere a adição de um controlo de utilizador para substituir as operações do módulo BBU. Utilizando o Modbus, o utilizador pode configurar a operação de uma única BBU para determinar se necessita de ser carregada ou descarregada.
Interface gráfica do utilizador para estantes BBU
Figura 3. Um módulo BBU. Um módulo BBU.
A interface gráfica do utilizador do módulo BBU está dividida em várias secções que fornecem informações importantes ao utilizador. Estes componentes e funções são detalhados abaixo. Ver Figura 3.
1. Indicador de estado de funcionamento do módulo
2. Leituras de temperatura interna do módulo
3. Tabela de indicadores de avaria do módulo
4. Indicador de velocidade do ventilador (em rpm)
5. Informação métrica do conversor de potência
6. Informação da célula (tensão e temperatura)
Indicador de estado operacional do módulo.
Na interface gráfica do utilizador, existem pelo menos quatro indicadores LED:
► O LED azul indica que o módulo BBU está a funcionar no modo de carregamento.
► O primeiro LED âmbar indica que o módulo BBU está no modo de descarga e a fornecer energia de reserva ao backplane do centro de dados.
► O segundo LED âmbar indica que o módulo BBU necessita de ser substituído e chegou ao fim da sua vida útil (EOL).
► O LED vermelho informa o utilizador que o módulo BBU está a apresentar uma falha.
Leituras de temperatura interna do módulo
Além do estado de funcionamento da BBU, a temperatura interna do módulo também é apresentada na interface gráfica do utilizador. Pelo menos nove sensores de temperatura estão localizados na pilha de baterias e na placa de alimentação. O LTC2991 fornece leituras digitais de temperatura para o microcontrolador principal, enquanto o ADBMS6948 fornece leituras analógicas da temperatura da pilha de baterias.
Tabela de Indicadores de Falhas do Módulo
A GUI possui uma tabela de falhas que indica os diferentes tipos de falhas que ocorrem durante o funcionamento do módulo. As avarias do módulo são as seguintes:
► Proteção contra Sobretensão (OVP)
► Proteção contra Sobrecorrente (OCP)
► Proteção contra Sobretemperatura (OTP)
► Proteção contra Sobrecarga e Descarga
► Desligar o Ventilador
Métricas do Conversor de Potência:
Enquanto o módulo está em funcionamento, a interface gráfica do utilizador (GUI) é uma característica importante, fornecendo métricas vitais tanto para a pilha de baterias como para o backplane. Estas métricas são abrangentes, englobando dados cruciais como as tensões de entrada e de saída, bem como as correntes. Esta interação dinâmica entre a operação do módulo e a GUI fornece aos utilizadores uma visão completa e em tempo real do desempenho e da dinâmica energética do sistema.
Informação das Células:
A interface gráfica do utilizador apresenta a tensão e o nível de temperatura das células da pilha de baterias. Estes dados são fundamentais para determinar o estado de saúde (SOH) e o estado de carga (SOC) da pilha de baterias.
Figura 4. GUI de resumo do módulo BBU.
A interface gráfica do utilizador do módulo BBU inclui uma janela com uma breve visão geral e controlos do utilizador. Este separador específico da interface gráfica permite a monitorização de todos os seis módulos BBU, além de fornecer um controlo individual sobre um BBU específico, incluindo a capacidade de implementar decisões operacionais.
Consulte a Figura 4 para uma representação visual.
► Seletor de direção
► Controlo do sistema da plataforma ►
Parâmetros do sistema da plataforma
► Partilha de falhas e corrente da plataforma
Seletor de Endereços:
Os utilizadores podem aceder a módulos BBU específicos de forma integrada, selecionando estrategicamente o endereço preciso do slot BBU. Esta atribuição estratégica não é aleatória; trata-se de uma medida de precaução para evitar conflitos de comunicação Modbus, obtida pela predefinição de um endereço fixo para o slot da plataforma BBU.
Controlo do Sistema da Plataforma:
Permite aos utilizadores modificar as operações da BBU (Unidade de Backup de Bateria). Podem solicitar que um módulo específico da BBU carregue ou descarregue durante o seu período de funcionamento. Se for selecionado o modo de descarga forçada, a tensão de reforço é aumentada de 48 V para 51 V, facilitando a alimentação do backplane e mantendo o funcionamento ininterrupto da fonte de alimentação (PSU) no centro de dados. Este controlo preciso garante um equilíbrio otimizado entre a funcionalidade da BBU e o funcionamento ininterrupto da infraestrutura em geral.
Falha na Plataforma e na Partilha de Energia:
A tabela de resumo apresenta quaisquer falhas detetadas nos seis módulos BBU e notifica o utilizador. Esta é a forma mais rápida de localizar quaisquer falhas na plataforma BBU. Além disso, durante o funcionamento paralelo ou redundante dos módulos BBU, o indicador de barramento de partilha de energia mostra uma tensão de barramento de 7 V quando a carga da motherboard está no máximo e de 10,5 V quando opera sob carga máxima.
Resumo:
A plataforma BBU (Unidade de Backup de Bateria) serve como um componente crucial num sistema de gestão de energia fiável. Estas plataformas estão interligadas de forma segura para criar um ambiente estável para um sistema de bateria de reserva, atuando como um hub central para uma gestão eficiente. O resultado é o funcionamento ininterrupto, onde os sistemas críticos permanecem alimentados e protegidos contra falhas de energia e flutuações de tensão. A plataforma BBU oferece uma proteção significativa em centros de dados, redes de telecomunicações ou qualquer ambiente onde um UPS (Sistema de Alimentação Ininterrupta) seja essencial. A sua principal missão é garantir a continuidade do negócio, melhorar a fiabilidade e manter uma infraestrutura elétrica robusta. Um artigo subsequente desta série explicará como selecionar componentes para os circuitos auxiliares da BBU. Este servirá como critério e vantagem na seleção de peças para alimentar dispositivos críticos e reduzir inconsistências de projeto.
Referência:
David Sun. "Open Compute Project Open Rack V3 BBU Shelf Rev 1.1". Open Compute Project, setembro de 2022.
Sobre o autor:
Christian Cruz é engenheiro de desenvolvimento de aplicações na Analog Devices, Inc., nas Filipinas. É licenciado em engenharia eletrónica pela Universidade do Leste, em Manila, Filipinas. Tem mais de 12 anos de experiência em engenharia de projetos analógicos e digitais, projetos de firmware e eletrónica de potência, incluindo o desenvolvimento de circuitos integrados para gestão de energia, bem como conversão de energia CA-CC e CC-CC. Ingressou na ADI em 2020 e atualmente suporta os requisitos de gestão de energia para aplicações de computação em nuvem e comunicação de sistemas.
Sobre o autor:
Marvin Neil Solis Cabueñas é licenciado em Engenharia Eletrónica pela Universidade De La Salle, em Manila, Filipinas. Antes de se juntar à Analog Devices em 2021, Marvin trabalhou como Engenheiro de Sistemas na Azeus Systems Philippines, Inc., como Engenheiro de Redes na Technistock Philippines, Inc. de 2014 a 2017 e como Engenheiro de Investigação e Desenvolvimento no Nokia Technology Center Filipinas de 2017 a 2020. Tem mais de 10 anos de experiência em áreas como programação de sistemas embebidos, processamento digital de sinais e modelação de simulação, entre outras. Atualmente trabalha como Engenheiro de Sistemas de Software Sénior em diversos projetos de tecnologia relacionados com a energia. Está a frequentar o mestrado em Engenharia Elétrica na Universidade das Filipinas.
