Was ist eine Batterie-Backup-Einheit (BBU) und wie funktioniert sie?

Da Rechenzentren und KI-Berechnungssysteme immer anspruchsvoller werden, ist eine zuverlässige Stromversorgung entscheidend, um Server und andere kritische Geräte betriebsbereit zu halten. Selbst eine kurze Unterbrechung der Stromversorgung kann Berechnungsprozesse stören, die Datenverfügbarkeit beeinträchtigen und Geschäftsvorgänge unterbrechen.</p>

Eine Batterie-Backup-Einheit (BBU) stellt vorübergehend elektrische Energie für kritische Geräte bereit, wenn deren primäre Stromversorgung unterbrochen wird. In Rechenzentren sind BBUs üblicherweise in Server-Racks oder zugehörige Stromversorgungssysteme integriert, wodurch die Backup-Energie nahe bei den Geräten bereitgestellt werden kann, die sie benötigen.

Aber was genau ist eine BBU, wie funktioniert sie und aus welchen Komponenten besteht das System? Das Verständnis dieser Grundlagen hilft dabei, die Rolle der Batterietechnologie in der modernen Stromversorgungsinfrastruktur von Rechenzentren zu erläutern.

Was ist eine Batterie-Backup-Einheit (BBU)?

Eine Batterie-Backup-Einheit (BBU) ist ein batteriebetriebenes Notstromversorgungssystem, das dazu ausgelegt ist, kritische Geräte vorübergehend mit elektrischer Energie zu versorgen, wenn ihre primäre Stromquelle nicht verfügbar wird oder eine Unterbrechung erfährt.</p>

In Rechenzentren und Serverumgebungen werden BBUs üblicherweise innerhalb oder in der Nähe von Server-Racks und zugehörigen Stromversorgungssystemen eingesetzt. Diese Anordnung ermöglicht es, die Notstromversorgung nahe an den Geräten bereitzustellen, die sie benötigen, wodurch die Stromversorgungskontinuität bei unerwarteten Versorgungsunterbrechungen aufrechterhalten wird.

Eine BBU wird typischerweise an den Leistungsanforderungen der von ihr unterstützten Geräte ausgerichtet, statt als allgemeine Notstromquelle für eine gesamte Einrichtung zu dienen. Ihre Konfiguration und ihre Fähigkeiten hängen von der angeschlossenen Last und der umfassenderen Stromversorgungsinfrastruktur ab.

Im Gegensatz zu einer eigenständigen Batterie ist ein BBU ein integriertes System, das Batteriezellen, Batteriemanagement, Leistungswandlung und Schutzfunktionen kombiniert, um eine gesteuerte Notstromversorgung bereitzustellen.

Die Hauptzwecke einer BBU umfassen:

• Stromversorgung sicherstellen: Bereitstellung einer vorübergehenden Stromversorgung für kritische Geräte, wenn die primäre Stromversorgung unterbrochen wird.

• Unterstützung von Stromübergängen: Überbrückung kurzer Stromausfälle, während eine alternative Stromquelle verfügbar wird.

• Schutz kritischer Operationen: Unterstützt Server und Computerausrüstung dabei, während vorübergehender Stromausfälle weiterhin mit Strom versorgt zu werden.

• Unterstützung von kontrollierten Herunterfahren: Bereitstellung von Notstrom, wenn die verfügbare Leistung nicht ausreicht, um den normalen Betrieb aufrechtzuerhalten.

BBUs sind besonders relevant für KI-Rechenzentren, Unternehmens-Server-Racks und andere Rechenumgebungen, in denen Stromausfälle kritische Arbeitslasten beeinträchtigen können.

Die tatsächliche Backup-Dauer und die unterstützte Last hängen von mehreren Faktoren ab, darunter nutzbare Batterieenergie, Leistungsbedarf, Systemarchitektur und Betriebsbedingungen.

Wie funktioniert eine BBU?

Eine BBU arbeitet, indem sie elektrische Energie in ihren Batteriezellen speichert und diese Energie verfügbar macht, wenn die primäre Stromversorgung unterbrochen wird.

Obwohl der genaue Betriebsablauf je nach Stromversorgungsarchitektur variiert, durchläuft ein typisches BBU-System drei Hauptphasen: den Normalbetrieb, die Aktivierung der Notstromversorgung und die Wiederherstellung der Stromversorgung.

1. Normaler Betrieb: Akkuladung und Überwachung

Unter normalen Betriebsbedingungen versorgt das primäre Stromversorgungssystem angeschlossene Geräte wie Server oder stromverteilende Systeme auf Rack-Ebene mit elektrischer Energie.

Gleichzeitig wird die BBU-Batterie über ihre Ladeschaltung auf einem geeigneten Ladezustand gehalten. Das Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht kontinuierlich wichtige Batterieparameter, darunter Spannung, Strom, Temperatur und Ladezustand (SOC).

Dieses Monitoring hilft sicherzustellen, dass die Batterie innerhalb ihrer zulässigen Betriebsgrenzen bleibt und bei Bedarf Bereitschaftsstrom liefern kann.

2. Stromunterbrechung: Aktivierung der Notstromversorgung

Wenn die primäre Stromversorgung unterbrochen wird oder außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs liegt, leitet das BBU-Steuerungssystem den Notstrombetrieb ein.

Die Batterie gibt ihre gespeicherte elektrische Energie ab, während die Leistungswandlungsschaltung die Ausgabe regelt, um sie an die Anforderungen des angeschlossenen Stromversorgungssystems anzupassen.

In typischen Serveranwendungen versorgt die BBU den entsprechenden Gleichstrom-Verteilerbus mit Strom, sodass angeschlossene Geräte während der Unterbrechung weiterhin Strom erhalten.

Je nach Gesamtstromversorgung kann diese Backup-Zeit den Übergang zu einer anderen Stromquelle – beispielsweise einem vorgelagerten Backup-System – unterstützen oder ausreichend Zeit für eine geordnete Herunterfahrt bereitstellen.

Die verfügbare Backup-Dauer hängt von der nutzbaren Energie der Batterie und der angeschlossenen Last ab.

3. Wiederherstellung der Stromversorgung: Aufladen und Systemwiederherstellung

Sobald die primäre Stromversorgung wiederhergestellt ist und das System in den normalen Betriebszustand zurückkehrt, verlässt die BBU den Backup-Betrieb.

Das Batterieladesystem gleicht die während der Unterbrechung verbrauchte Energie wieder aus. Inzwischen überwacht das BMS weiterhin den Zustand der Batterie, um sicherzustellen, dass das Laden innerhalb der zulässigen Spannungs- und Temperaturgrenzen erfolgt.

Nach dem Aufladen kehrt die BBU in ihren Bereitschaftszustand zurück und ist bereit für eine weitere Stromunterbrechung.

Dieser Betriebszyklus ermöglicht es der BBU, bei Bedarf Notstrom bereitzustellen, während sie weiterhin in den normalen Stromversorgungsmanagementprozess integriert bleibt.

Was bestimmt die Backup-Dauer einer BBU?

Die von einer BBU bereitgestellte Backup-Zeit hängt von mehr als nur ihrer nominalen Batteriekapazität ab. Die nutzbare Batterieenergie, Verluste bei der Leistungsumwandlung, die Lastanforderung des angeschlossenen Geräts sowie die Betriebsgrenzen der Batterie beeinflussen alle, wie lange das System die Ausrüstung stützen kann.

Zum Beispiel verbraucht eine höhere angeschlossene Last im Allgemeinen die gespeicherte Energie schneller, während Umwandlungsverluste die für die Geräte verfügbare Energie reduzieren. Aus diesem Grund muss die Leistung der BBU im Kontext des gesamten Stromversorgungssystems und nicht allein anhand der Batteriekapazität bewertet werden.

Für eine verwandte Erklärung zur Akkukapazität und zu Berechnungen der Notlaufzeit siehe unser Leitfaden zu UPS-Akku-Dimensionierung.

Was sind die Hauptkomponenten einer BBU?

Eine Batterie-Notstromversorgungseinheit besteht aus mehreren miteinander verbundenen Komponenten, die gemeinsam Energie speichern, den Batteriebetrieb steuern, Notstrom liefern und das System schützen.</p>

Obwohl die spezifische Konfiguration je nach Anwendung und Hersteller variiert, umfassen die meisten BBU-Systeme die folgenden funktionellen Komponenten.

1. Akkuzellen

BatteriezellenSind die primären Energiespeicherkomponenten einer BBU. Sie speichern elektrische Energie während des normalen Betriebs und geben sie ab, wenn Notstrom erforderlich ist.

Die Batteriechemie, die Zellkonfiguration und die elektrischen Eigenschaften beeinflussen die Energiespeicherkapazität, die Leistungsabgabe, die Betriebsgrenzen und die Lebensdauer des Systems.

Je nach Anwendung und Systemkonzept können Lithium-Ionen-Batterietechnologien in BBU-Systemen eingesetzt werden. Die ausgewählten Zellen müssen mit der erforderlichen Spannung, dem erforderlichen Strom, dem Temperaturbereich sowie den Lade- und Entladebedingungen kompatibel sein.

ACE Battery bietet außerdem Lithium-UPS-Akku-Lösungen für Rechenzentren und andere Anwendungen mit Notstromversorgung. Die Eignung einer bestimmten Batteriekonfiguration hängt von den elektrischen und Integrationsanforderungen des Ziel-Systems ab.

2. Batteriemanagementsystem (BMS)

Die Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht und steuert die Betriebsbedingungen des Akkupacks.

Seine Hauptfunktionen umfassen:

• Überwachung der Einzelzell- oder Zellgruppenspannungen.

• Batteriestrom und -temperatur messen.

• Schätzung Lagerzustand (SOC) und Zustand der Gesundheit (SOH).

• Verwaltung der Lade- und Entladebegrenzungen.

• Überwachung abnormaler Batteriezustände.

• Unterstützung des Zellenausgleichs, wo zutreffend.

Durch die kontinuierliche Überwachung des Batteriezustands trägt das BMS zur Aufrechterhaltung eines sicheren Betriebs bei und liefert die für das Batteriemanagement und die Systemkoordination erforderlichen Informationen. Für eine genauere Betrachtung seiner grundlegenden Funktionen lesen Sie unseren Leitfaden zum Batteriemanagementsystem (BMS).

3. Stromumwandlungsschaltung

Die Leistungswandlungsschaltung steuert die Übertragung elektrischer Energie zwischen der Batterie und den angeschlossenen Geräten.

Weil sich die Batteriespannung während des Ladens und Entladens ändern kann, ist möglicherweise eine Leistungswandlerschaltung erforderlich, um die Ausgangsspannung zu regeln und die Kompatibilität mit dem Gleichstrom-Stromnetz des Systems aufrechtzuerhalten.

Je nach BBU-Architektur kann diese Funktion eine DC-DC-Wandlung, eine Spannungsregelung oder andere Stromversorgungsmanagement-Anordnungen umfassen.

Seine Hauptaufgabe besteht darin sicherzustellen, dass die elektrische Leistungsabgabe den Anforderungen des angeschlossenen Stromversorgungssystems entspricht.

4. Schutzschaltung

Die Schutzschaltung bietet eine zusätzliche Ebene des elektrischen Schutzes für die BBU.

Es hilft bei der Steuerung abnormaler Betriebsbedingungen und schützt die Batterie sowie angeschlossene Geräte vor möglichen elektrischen Fehlern.

Schutzfunktionen können Folgendes umfassen:

• Überstromschutz.

• Kurzschlussschutz.

• Überspannungs- und Unterspannungsschutz.

• Elektrische Trennung und Fehlerunterbrechung, falls erforderlich.

Einige Schutzfunktionen sind in das BMS integriert, während andere über separate Hardwarekomponenten implementiert werden, je nach Systemdesign. Die spezifische Anordnung bestimmt, wie das System elektrische Fehler erkennt und darauf reagiert.

5. Thermisches Managementsystem

Die Leistung und Sicherheit der Batterie werden von der Betriebstemperatur beeinflusst. Ein thermisches Managementsystem hilft dabei, die Batterie innerhalb ihres vorgeschriebenen Temperaturbereichs zu halten.

Je nach Batteriekonfiguration und Leistungsanforderungen kann das thermische Management passive Kühlung, Zwangsluftkühlung oder Flüssigkeitskühlung verwenden.

Ein effektives Temperaturmanagement hilft, thermische Belastung zu reduzieren, eine konsistente Batterieleistung zu gewährleisten und einen zuverlässigen Betrieb aufrechtzuerhalten.

6. Überwachungs- und Kommunikationsschnittstelle

Die Überwachungs- und Kommunikationsschnittstelle ermöglicht es der BBU, Betriebsinformationen mit der umfassenderen Stromversorgungs- oder Serverinfrastruktur auszutauschen.

Typische Informationen können umfassen:

• Batteriespannung und -strom.

• Ladezustand (SOC).

• Batterietemperatur.

• Betriebsstatus.

• Fehler- und Alarminformationen.

Diese Informationen helfen Systemoperatoren und Stromverwaltungssteuerungen dabei, den Batteriezustand zu überwachen und den Betrieb des Notstromversorgungssystems abzustimmen.

Zusammen ermöglichen diese Komponenten es der BBU, als integriertes Notstromversorgungssystem zu funktionieren. Ihre Zuverlässigkeit hängt nicht nur von den Batteriezellen selbst ab, sondern auch davon, wie die Funktionen Batteriemanagement, Leistungsumwandlung, Schutz und Überwachung zusammenarbeiten.

Fazit

Eine Batterie-Notstromversorgung (BBU) stellt eine vorübergehende Notstromversorgung für kritische Geräte bereit, wenn die primäre Stromversorgung unterbrochen wird. Durch die Kombination von Batteriezellen, einem Batteriemanagementsystem (BMS), Leistungswandlungsschaltungen, Schutzfunktionen und Überwachungsfunktionen trägt eine BBU zur Aufrechterhaltung der Stromversorgung in Rechenzentren und Serverumgebungen bei.

Die Backup-Funktion einer BBU hängt vom Verhältnis zwischen nutzbarer Batterieenergie, angeschlossenem Lastbedarf, Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung und der gesamten Systemarchitektur ab. Die Auswahl geeigneter Batteriezellen und die Abstimmung der verschiedenen Systemfunktionen sind daher wichtige Aspekte bei der Entwicklung einer BBU.

Für OEMs, die batteriebasierte Notstromsysteme entwickeln, müssen die Auswahl der Batterie und die Systemintegration gemeinsam mit den elektrischen Anforderungen der Zielanwendung berücksichtigt werden. Faktoren wie Spannungsbereich, Leistungsbedarf, Betriebstemperatur, Schutzfunktionen und Kommunikationsanforderungen können die Konfiguration des Batteriepacks beeinflussen. Unser Leitfaden zu Entwicklung eines kundenspezifischen Lithium-USV-Batteriesystems erläutert, wie diese Anforderungen während eines OEM- oder ODM-Projekts bewertet werden können.

ACE Battery bietet maßgeschneiderte Lithium-Batterielösungen für industrielle Anwendungen und Notstromversorgung sowie Unterstützung der OEM-Anforderungen hinsichtlich anwendungsspezifischer Batterieleistung und Systemintegration.