Stroomvoorziening voor AI-datacenters in 2026: Waarom lithium-BBU- en BMS-ontwerp van belang zijn in het 800V HVDC-tijdperk

Snel antwoord

AI-datacenters stappen over op gelijkstroomdistributie met hogere spanningen, omdat het stroomverbruik van racks stijgt van tientallen kilowatts naar honderden kilowatts en in toekomstige systemen zelfs naar megawatts. De overgang naar 800V HVDC maakt batterijback-up niet overbodig. Integendeel, het verhoogt het belang van lithiumbatterijback-upunits (BBU's), snelle foutisolatie, nauwkeurige statusbepaling, thermisch beheer en gecoördineerde BMS-communicatie. Voor fabrikanten van apparatuur moeten batterijsystemen worden ontworpen als actieve onderdelen van de stroomvoorzieningsarchitectuur in plaats van passieve noodback-ups.

AI-computing verandert meer dan alleen de processorprestaties. Het transformeert ook de manier waarop elektriciteit wordt omgezet, gedistribueerd, opgeslagen, bewaakt en beveiligd binnen datacenters.

Traditionele serverracks zijn doorgaans afhankelijk van wisselstroomvoorziening op locatieniveau, ononderbroken stroomvoorzieningen (UPS), rackvoedingen en laagspanningsgelijkstroomdistributie. Deze architectuur wordt echter steeds moeilijker schaalbaar naarmate AI-accelerators het stroomverbruik van racks opdrijven tot honderden kilowatts.

NVIDIA heeft een 800V DC-architectuur geïntroduceerd die bedoeld is om toekomstige AI-infrastructuren te ondersteunen, waaronder racks met een vermogen van 1 MW en hoger. Een hogere spanningsverdeling vermindert de stroomsterkte, de benodigde koperhoeveelheid, het aantal conversiestappen en de kabelomvang. Het brengt echter ook nieuwe eisen met zich mee voor batterijback-up, elektrische isolatie, foutafhandeling, thermische regeling en communicatie.

Lithium-BBU's en hun batterijbeheersystemen (BMS) blijven daarom cruciaal voor de betrouwbaarheid van de volgende generatie AI-stroomsystemen.

Deel 1: Waarom AI-servers de energievoorziening van datacenters veranderen

1.1 De rekenkracht van AI-racks neemt snel toe.

Traditionele serverracks verbruikten vaak zo'n 5 tot 10 kW. Racks voor AI en high-performance computing kunnen 20 tot 30 kW of meer nodig hebben, terwijl geavanceerde racksystemen steeds meer vermogen verbruiken, vaak honderden kilowatts.

Bij deze vermogensniveaus genereert de distributie van energie via een laagspanningsbus een zeer hoge stroomsterkte.

Bijvoorbeeld:

Deze vereenvoudigde berekeningen sluiten conversieverliezen uit, maar ze illustreren de fundamentele technische uitdaging. Het verhogen van de distributiespanning vermindert de stroomsterkte aanzienlijk bij hetzelfde vermogensniveau.

Een lagere stroomsterkte kan het volgende verminderen:

• dwarsdoorsnede van de stroomrail
• Koperverbruik
• Geleidingsverliezen
• Kabelvolume
• Warmteopwekking
• Ruimte ingenomen door stroomapparatuur

Daarom wordt gelijkstroomdistributie met een hogere spanning een belangrijke optie voor toekomstige AI-datacenters.

1.2 De markt voor servervoeding groeit.

Volgens schattingen in een onderzoeksrapport van CICC zou de markt voor voedingsmodules voor AI-servers, waaronder PDU-, AC-DC- en DC-DC-modules, kunnen groeien van circa 7.4 miljard dollar in 2025 tot 32.5 miljard dollar in 2027.

Hetzelfde onderzoek wijst op verschillende belangrijke groeigebieden:

• Voedingseenheden (PSU's)
• Stroomverdelingseenheden (PDU's)
• Batterijback-upunits (BBU's)
• Stroomverdeelborden (PDB's)
• Spanningsregelaarmodules (VRM's)
• GaN- en SiC-vermogenscomponenten
• Intelligent energiebeheer
• 800V HVDC- en solid-state transformatorarchitecturen

Deze cijfers zijn voorspellingen en geen gegarandeerde uitkomsten. Niettemin illustreren ze hoe AI-computing de waarde en complexiteit van de gehele energieketen verhoogt.

Deel 2: Wat verandert er met 800V HVDC?

2.1 Minder vermogensomzettingsfasen

Een conventioneel energiepad kan meerdere AC- en DC-conversiestappen omvatten voordat de energie de processor bereikt:

Netstroom → Transformator → UPS → AC-distributie → Rackvoeding → 54V DC-bus → DC-DC-conversie → GPU

Een toekomstige 800V DC-architectuur zou de AC-naar-DC-conversie kunnen centraliseren en de hoogspanningsgelijkstroom dichter bij de computerapparatuur kunnen distribueren:

Netstroom → Centrale AC-DC-conversie → 800V DC-distributie → Rack DC-DC-conversie → GPU

Door het aantal conversiestappen te verminderen, kan de efficiëntie worden verbeterd en het aantal componenten dat warmte genereert of potentiële storingspunten creëert, worden verlaagd.

NVIDIA meldt dat de voorgestelde architectuur bedoeld is om racks te ondersteunen met een vermogen van ongeveer 100 kW tot meer dan 1 MW. Het bedrijf heeft ook energieopslag geïdentificeerd als onderdeel van de architectuur om piekbelastingen en schommelingen in het GPU-vermogen van minder dan een seconde op te vangen.

2.2 800V HVDC maakt batterijback-up niet overbodig

Het zou onjuist zijn om te concluderen dat gelijkstroomdistributie met een hogere spanning batterijsystemen overbodig maakt.

Datacenters hebben nog steeds energieopslag nodig voor diverse functies:

Een BBU reageert snel op plotselinge veranderingen in belasting of ingangsvermogen. Een generator of een solid oxide brandstofcel kan deze onmiddellijke reactie normaal gesproken niet vervangen, omdat deze systemen op verschillende tijdschalen werken.

Lithiumbatterijen, UPS-systemen en energiebronnen met een lange levensduur moeten daarom als complementaire lagen worden beschouwd.

2.3 Bestaande datacenters zullen niet van de ene op de andere dag veranderen.

De nieuwe 800V DC-infrastructuur vereist compatibele componenten:

• Gelijkrichters
• Beveiligingsapparaten
• Connectoren
• Busbanen
• DC-stroomonderbrekers
• Vermogensmodules
• onderhoudsprocedures
• veiligheidsnormen
• Opleiding van technici

Bestaande installaties worden bovendien geconfronteerd met aanzienlijke moderniseringskosten. Daardoor zullen AC UPS-systemen, tussenliggende architecturen en 800V DC-systemen waarschijnlijk naast elkaar bestaan.

Fabrikanten zouden modulaire voedingsplatformen moeten ontwerpen die de huidige architecturen kunnen ondersteunen en tegelijkertijd rekening houden met toekomstige integratie van hoogspanningsgelijkstroom.

Deel 3: Waarom lithium-BBU's belangrijk zijn in AI-datacenters

3.1 Snelle respons op dynamische AI-belastingen

De trainingsbelasting voor AI kan leiden tot snelle veranderingen in de energiebehoefte. Duizenden accelerators kunnen vrijwel gelijktijdig overschakelen tussen verwerkingsfasen, wat steile pieken in de belasting veroorzaakt.

Een goed ontworpen lithium-BBU kan:

• Lever stroom tijdens korte piekbelastingen.
• Energie opnemen wanneer de vraag daalt
• Verminder de belasting van de stroomomzettingsapparatuur stroomopwaarts.
• Stabiliseer de DC-bus
• Zorg voor een ordelijke afsluiting bij stroomuitval.
• Overbrug de tijd die nodig is totdat een andere back-upbron is opgestart.

Dit verandert de rol van de batterij. Deze wordt niet langer alleen gebruikt bij stroomuitval. Het kan een actief onderdeel van de stroomregeling worden dat frequent wordt in- en uitgeschakeld.

3.2 Hogere energiedichtheid in beperkte rackruimte

Racks in datacenters hebben strikte ruimtebeperkingen. Elke rackunit die wordt gebruikt door stroomvoorzieningsapparatuur vermindert de beschikbare ruimte voor computer-, netwerk- of koelapparatuur.

Lithium-ionbatterijen bieden over het algemeen een hogere energiedichtheid (zowel per gram als per volume) dan loodzuurbatterijen. Dit kan ontwerpers van apparatuur helpen bij:

• Verklein de afmetingen en het gewicht van de BBU.
• Verleng de back-upduur binnen een vaste behuizing.
• Ontwerp modulaire, onderhoudbare accubakken.
• Plaats de energieopslag dichter bij de belasting.
• Ondersteuning voor hot-swappable ontwerpen

De chemische samenstelling van een batterij moet nog steeds worden gekozen op basis van de toepassing, en niet alleen op basis van de energiedichtheid.

Bij BBU's die frequent worden in- en uitgeschakeld, kunnen de levensduur, het vermogen, de warmteontwikkeling en de veiligheid belangrijker zijn dan de maximale energiedichtheid op het typeplaatje.

3.3 BBU-ontwerpen moeten aansluiten op de stroomarchitectuur

Een BBU kan niet alleen op basis van capaciteit worden geselecteerd. Ingenieurs moeten het volgende definiëren:

• Nominale en maximale busspanning
• Continue en pulserende ontladingsstroom
• Vereiste doorrijtijd
• Maximale aanvaardbare spanningsval
• Hersteltijd van de lading
• Verwachte fietsfrequentie
• Beschikbare koelmethode
• Afmetingen van het rek
• Service- en vervangingsvereisten
• Communicatie protocol
• Redundantiestrategie

Een accupakket dat is ontworpen voor incidentele noodontladingen, presteert mogelijk niet betrouwbaar bij frequent gebruik voor het stabiliseren van de belasting. De inschakelduur moet worden vastgesteld voordat cellen worden geselecteerd of het accupakket wordt geconfigureerd.

Deel 4: Waarom het ontwerp van een gebouwbeheersysteem cruciaal is voor de betrouwbaarheid

4.1 Monitoring op celniveau

Een BMS bewaakt de spanning van individuele cellen of parallelle groepen, de stroomsterkte van het accupakket en de temperatuur van de batterij.

Dit stelt het systeem in staat om het volgende te identificeren:

• Celonbalans
• Abnormale spanningsstijging
• Overmatige spanningsval
• overstroom
• Interne resistentiegroei
• Temperatuurvariatie
• Problemen met connectoren of stroomrails
• Capaciteitsvermindering

In een groot AI-voedingssysteem moet een batterijfout worden gedetecteerd voordat deze de DC-bus of omliggende apparatuur beïnvloedt.

Meer informatie over BMS- en PCM-ontwerp.

4.2 Nauwkeurige schatting van SOC en SOH

De laadstatus (SOC) geeft de resterende bruikbare energie aan. De gezondheidsstatus (SOH) schat in hoe de batterijcapaciteit is veranderd door veroudering.

Een eenvoudige SOC-schatting op basis van spanning is mogelijk niet voldoende voor een BBU die wordt blootgesteld aan:

• Snelle stroomveranderingen
• Ondiep fietsen
• Variabele temperaturen
• Lange wachttijden
• Hoge pulsbelastingen
• Parallelle modules met verschillende verouderingsgeschiedenissen

Een robuustere schattingsstrategie kan de volgende elementen combineren:

• Coulomb-telling
• Correctie van de nullastspanning
• Temperatuur compensatie
• Impedantievolging
• Historische cyclusgegevens
• Modelgebaseerde schatting
• Periodieke capaciteitskalibratie

Een onjuiste schatting van de laadstatus (SOC) kan een vals gevoel van zekerheid geven. Een systeem kan bijvoorbeeld een beschikbare back-uptijd rapporteren die de batterij onder de vereiste belasting niet meer kan leveren.

4.3 Thermisch beheer

Racks met een hoge dichtheid genereren aanzienlijke warmte. Batterijsystemen kunnen zich in de buurt van vermogenselektronica, koelcircuits en processoren bevinden, waardoor temperatuurregeling een vereiste op systeemniveau is.

Het batterijmanagementsysteem (BMS) moet meer dan één temperatuurpunt bewaken wanneer het accupakket groot is of thermisch ongelijkmatig verdeeld. Sensoren kunnen nodig zijn in de buurt van:

• Hoogstroomklemmen
• Centrale celgroepen
• Buitenste celgroepen
• MOSFET's of contactoren
• verzamelrails
• Luchtinlaten en -uitlaten

Een thermische regelstrategie kan bestaan ​​uit stroomreductie, coördinatie van ventilator- of vloeistofkoeling, laadbeperking, waarschuwingsdrempels en nooduitschakeling.

4.4 Snelle en selectieve foutisolatie

Een 800V DC-systeem brengt andere beveiligingsuitdagingen met zich mee dan een conventionele laagspannings-BBU.

Gelijkstroombogen gaan niet vanzelf door een nulpunt zoals wisselstroombogen dat wel doen. Beveiligingsapparatuur moet daarom de foutstroom snel en betrouwbaar onderbreken.

Afhankelijk van de architectuur kan de beveiliging het volgende omvatten:

• DC-geclassificeerde zekeringen
• Magneetschakelaars
• Voorlaadcircuits
• Isolatiebewaking
• Pyrotechnische ontkoppelingen
• Solid-state stroomonderbrekers
• Huidige sensoren
• Isolatiebewaking
• Nooduitgangen

Het BMS moet met deze componenten samenwerken. Een enkele defecte module moet worden geïsoleerd zonder onnodig gezonde racks of batterijreeksen uit te schakelen.

4.5 Communicatie met het energiesysteem

Een server-BBU moet communiceren met het bredere energiebeheersysteem in plaats van als een geïsoleerde module te functioneren.

Gangbare communicatiemogelijkheden zijn onder andere CAN-bus, RS485, SMBus, Ethernet-gateways of klantspecifieke protocollen.

Het systeem moet mogelijk het volgende rapporteren:

• SOC en SOH
• Beschikbaar ontladingsvermogen
• Beschikbaar laadvermogen
• Geschatte back-upduur
• Maximale en minimale celspanning
• Temperatuurverdeling
• Alarmgeschiedenis
• Contactstatus
• Isolatiestatus
• Onderhoudsaanbevelingen

Nauwkeurige gegevens stellen de facility controller in staat om de belasting te verdelen, onderhoud in te plannen en onverwachte batterijstoringen te voorkomen.

Deel 5: Belangrijkste veiligheids- en betrouwbaarheidseisen

5.1 Voorkomen van verspreiding

Een veilige BBU moet zo ontworpen zijn dat een defect in één cel zich niet door de module of het rack verspreidt.

Technische maatregelen kunnen onder meer het volgende omvatten:

• Celafstand
• Thermische barrières
• Vlamvertragende materialen
• Gecontroleerde ventilatiekanalen
• Mechanische scheiding
• Hittebestendige busbar-isolatie
• Fusie op cel- of groepsniveau
• Vroege temperatuur- en spanningsdetectie

Conformiteitstesten moeten betrekking hebben op het complete batterijsysteem, niet alleen op de afzonderlijke cel.

5.2 Mechanische en elektrische integratie

De betrouwbaarheid van een batterij kan worden verminderd door problemen buiten de cel zelf, waaronder:

• Losse terminals
• Hoogwaardige lasverbindingen
• Onvoldoende kruip- en speling
• Slechte connectorbevestiging
• Ongelijkmatige compressie
• Koelobstructie
• Schade door trillingen
• Onjuist koppel
• Verslechtering van de isolatie

De behuizing, het batterijbeheersysteem (BMS), het aansluitsysteem, het thermische ontwerp en de celconfiguratie moeten als één product worden ontworpen.

5.3 Normen en kwalificaties

De toepasselijke vereisten zijn afhankelijk van de batterijgrootte, het installatietype, de markt en of de BBU wordt beschouwd als een IT-component, een stationair energieopslagsysteem of onderdeel van een groter, geregistreerd product.

Mogelijk relevante normen en vereisten zijn onder meer:

• UN 38.3 voor het vervoer van lithiumbatterijen
• IEC 62619 voor industriële secundaire lithiumcellen en -batterijen
• UL 1973 voor batterijen die worden gebruikt in stationaire en hulpstroomtoepassingen
• UL 9540 voor complete energieopslagsystemen, indien van toepassing.
• NFPA 855 voor stationaire energieopslaginstallaties
• Relevante IEC- of UL-vereisten voor server- en datacenterapparatuur

Fabrikanten dienen het uiteindelijke certificeringsproces aan het begin van de ontwikkeling af te stemmen met een gekwalificeerd laboratorium. Testvereisten kunnen van invloed zijn op de cel, de behuizing, de onderlinge afstand, de bescherming en de communicatiearchitectuur.

Deel 6: Waar passen SOFC en langdurig vermogen bij elkaar?

Vaste-oxidebrandstofcellen (SOFC's) winnen aan populariteit nu datacenters op zoek zijn naar schonere en flexibelere energiebronnen voor een langere levensduur.

SOFC-systemen kunnen continu of langdurig stroom leveren, maar ze nemen de noodzaak van een snelle batterijrespons niet weg.

Een hybride ontwerp kan lithiumbatterijen gebruiken om plotselinge veranderingen in de belasting op te vangen, terwijl een SOFC zorgt voor een constante stroomvoorziening. Dit vermindert de noodzaak om de langdurige stroombron voor elke tijdelijke storing te overdimensioneren.

Het besturingssysteem moet de laadstatus van de batterij, het vermogen van de brandstofcel, de status van het elektriciteitsnet en de computerbelasting coördineren. Ook hier zijn batterijcommunicatie en de nauwkeurigheid van het batterijmanagementsysteem cruciaal voor de betrouwbaarheid van het systeem.

Deel 7: Een ontwerpchecklist voor fabrikanten van apparatuur

Voordat u een lithium-BBU ontwikkelt voor een AI-server of een stroomrack met hoge dichtheid, dient u het volgende te definiëren:

1. Wat is de gelijkspanning op de bus?
2. Welk continu en piekvermogen moet de BBU leveren?
3. Hoe snel moet het reageren?
4. Hoe lang moet het de belasting kunnen dragen?
5. Hoe vaak zal het een cyclus doorlopen?
6. Welke batterijchemie past het beste bij de gebruiksduur?
7. Welke koelmethoden zijn beschikbaar?
8. Hoe schat het systeem de SOC- en SOH-waarden in?
9. Welke communicatieprotocollen zijn vereist?
10. Hoe worden defecte modules geïsoleerd?
11. Kunnen modules veilig worden onderhouden of vervangen terwijl de computer draait?
12. Welke transport- en productcertificeringen zijn van toepassing?
13. Hoe voorkomt het ontwerp warmteoverdracht?
14. Hoe zal de BBU samenwerken met UPS, HVDC of langdurige stroomopwekking?
15. Welke productietests zullen de kwaliteit van elke voltooide verpakking controleren?

Door deze eisen vroegtijdig vast te leggen, worden kostbare herontwerpen tijdens de validatie en certificering voorkomen.

Deel 8: Batterijsystemen voorbereiden op het 800V DC-tijdperk

De overgang naar 800V DC is geen simpele spanningsverhoging. Het verandert de relatie tussen energieomzetting, energieopslag, beveiliging, thermisch beheer en softwarebesturing.

Batterijfabrikanten en server-energietechnici moeten zich voorbereiden door zich te richten op:

• Modulaire batterijarchitectuur
• Cellen met een hoge cyclusfrequentie
• Nauwkeurige schatting van SOC en SOH
• Snelle stroommeting
• Temperatuurmeting op meerdere punten
• DC-foutonderbreking
• Redundante communicatie
• Predictief onderhoud
• Traceerbare productietests
• Validatie van de veiligheid op systeemniveau

Naarmate AI-racks krachtiger worden, nemen ook de kosten van een onverwachte uitval toe. De betrouwbaarheid van de batterij moet daarom worden beoordeeld op basis van beschikbaar vermogen, reactiesnelheid, fouttolerantie en onderhoudbaarheid – en niet alleen op basis van capaciteit en levensduur.

Conclusie

De AI-infrastructuur versnelt de overgang naar krachtigere, hogerspannings- en intelligentere stroomvoorzieningssystemen voor datacenters. De roadmap van NVIDIA voor 800V DC laat zien waarom traditionele laagspanningsdistributie moeilijk schaalbaar zal worden voor toekomstige racks in de megawattklasse.

800V HVDC vermindert echter het belang van lithiumbatterijback-up niet. Het maakt de integratie van batterijen juist complexer.

Lithium-BBU's moeten snel kunnen reageren op veranderingen in de belasting, betrouwbare stroomvoorziening bieden tijdens stroomuitval, communiceren met de besturingssystemen van de installatie en storingen isoleren zonder de goed functionerende apparatuur te verstoren. Hun BMS moet nauwkeurige statusinschattingen, thermische bewaking, diagnose en beveiliging bieden gedurende de gehele levensduur van de batterij.

Large Power ontwikkelt aangepaste batterijoplossingen battery Met op maat gemaakte celconfiguraties, beveiligingssystemen, communicatieprotocollen, thermische ontwerpen en ondersteuning bij kwalificatie. Bespreek uw eisen met betrekking tot spanning, vermogen, looptijd, behuizing en batterijbeheersysteem (BMS) met ons engineeringteam. Contact.

FAQ

Wat is een batterijback-upunit in een AI-server?

Een batterijback-upunit (BBU) levert kortstondige stroom dicht bij de server of het serverrack. Het kan stroom leveren tijdens onderbrekingen in de invoer, snelle veranderingen in de GPU-belasting opvangen en een ordelijke afsluiting mogelijk maken. In tegenstelling tot een UPS voor een groot gebouw, is een BBU doorgaans ontworpen op basis van de reactie- en stroomvereisten van specifieke computerapparatuur.

Zal 800V HVDC UPS-systemen vervangen?

Niet direct. Nieuwe 800V DC-architecturen kunnen het aantal conversiestappen verminderen en de stroomconversie buiten het serverrack plaatsen, maar bestaande datacenters zijn nog steeds afhankelijk van wisselstroomdistributie en UPS-systemen. UPS-systemen, tussenliggende DC-architecturen en 800V DC-systemen zullen waarschijnlijk gedurende een lange overgangsperiode naast elkaar blijven bestaan.

Welke lithiumbatterijtechnologie is geschikt voor een server-BBU?

NMC biedt een hoge energiedichtheid voor systemen met beperkte ruimte, terwijl LiFePO4 een sterke thermische stabiliteit en een lange levensduur garandeert. LTO is mogelijk geschikt voor toepassingen met een uitzonderlijk hoog aantal laad- en ontlaadcycli. De juiste keuze hangt af van het ontlaadvermogen, de beschikbare ruimte, de laad- en ontlaadfrequentie, de temperatuur, de back-upduur en de certificeringsvereisten.

Waarom is een BMS belangrijk voor batterijsystemen van AI-servers?

A Batterijbeheersysteem Het systeem bewaakt spanning, stroom, temperatuur, laadstatus (SOC) en gezondheidsstatus (SOH). Het regelt het laden en ontladen, balanceert de cellen, rapporteert het beschikbare vermogen en coördineert foutisolatie. Deze functies zijn essentieel wanneer batterijen snel wisselende, hoogwaardige computerbelastingen ondersteunen.

Kunnen lithiumbatterijen gebruikt worden in SOFC-energiesystemen?

Ja. Lithiumbatterijen kunnen direct reageren en korte stroomschommelingen opvangen, terwijl een SOFC zorgt voor een constante energievoorziening. Een gecoördineerd hybride systeem kan de reactiesnelheid, betrouwbaarheid en benutting van de energiebron voor de lange termijn verbeteren.

Hoe kunnen fabrikanten een op maat gemaakte BBU ontwikkelen?

Begin met het definiëren van de busspanning, het piekvermogen, de doorrijtijd, de schakelfrequentie, de koeling, de afmetingen, het communicatieprotocol, de redundantie en de certificeringsvereisten. Large Power kan ontwikkelen aangepaste lithium-batterijpakketten en BMS-oplossingen die aansluiten op deze systeemvereisten.

Referenties

• NVIDIA, “800 VDC-architectuur zal de volgende generatie AI-fabrieken aandrijven”, 2025.
• NVIDIA GTC 2026, “800 VDC en modulaire datacenteroplossingen.”
• CICC Research, “AI-evolutie (15): Serverkracht, de volgende markt van honderd miljard yuan.”
• CICC Research, “GTC 2026-observaties: upgrades voor vloeistofkoeling en de officiële introductie van de 800V HVDC-oplossing.”
• CICC Research, “Nieuwe energieoplossingen voor datacenters: SOFC betreedt een periode van snelle groei.”