快速回答
隨著機架功率從數十千瓦成長到幾百千瓦，未來系統甚至將達到兆瓦級，人工智慧資料中心正朝著更高電壓的直流配電方向發展。向 800V 高壓直流 (HVDC) 的過渡並不意味著電池備用電源的淘汰。相反，它提升了鋰電池備用單元 (BBU)、快速故障隔離、精確狀態估計、熱管理以及協調的電池管理系統 (BMS) 通訊的重要性。對於設備製造商而言，電池系統必須被設計為電源架構的主動組成部分，而非被動的緊急備用電源。
人工智慧運算帶來的改變遠不止處理器效能。它也正在改變資料中心內部電力轉換、分配、儲存、監控和保護的方式。
傳統伺服器機架通常依賴機房級交流電源、不間斷電源 (UPS)、機架電源和低壓直流配電。然而，隨著人工智慧加速器將機架功率推向數百千瓦，這種架構的擴展性變得越來越差。
NVIDIA 推出了 800V 直流架構，旨在支援未來的 AI 基礎設施，包括運行功率達 1MW 及以上的機架。更高的電壓分配可以減少電流、銅材用量、轉換級數和電纜體積。然而，這也對電池備用、電氣隔離、故障響應、散熱控制和通訊提出了新的要求。
因此，鋰電池 BBU 及其電池管理系統 (BMS) 對於下一代 AI 電源系統的可靠性仍然至關重要。
第一部分：為什麼 AI 伺服器正在改變資料中心電源架構
1.1 AI機架功率正在快速成長
傳統伺服器機架的運作功率通常在 5-10 千瓦左右。人工智慧和高效能電腦架可能需要 20-30 千瓦或更多，而先進的機架級系統正在朝向數百千瓦的目標邁進。
在這樣的功率等級下，透過低電壓母線分配能量會產生非常大的電流。
例如：
| 機架電源 | 配電電壓 | 近似電流 |
|---|---|---|
| 100千瓦 | 50V DC | 2,000A |
| 200千瓦 | 50V DC | 4,000A |
| 1 MW | 50V DC | 20,000A |
| 1 MW | 800V DC | 1,250A |
這些簡化的計算沒有考慮轉換損耗，但它們展示了基本的工程挑戰。提高配電電壓會大幅降低相同功率等級下的電流。
降低電流可以減少：
- 母線橫截面積
- 銅消耗量
- 傳導損耗
- 電纜音量
- 發熱
- 電力設備所佔用的空間
這就是為什麼高壓直流配電正成為未來人工智慧資料中心的重要選擇。
1.2 伺服器電源市場正在擴張
根據中金公司研究報告中的估計，包括 PDU、AC-DC 和 DC-DC 模組在內的 AI 伺服器電源模組市場，可能會從 2025 年的約 7.4 億美元成長到 2027 年的 32.5 億美元。
同一項研究也指出了幾個主要成長領域：
- 電源裝置 (PSU)
- 電源分配單元 (PDU)
- 備用電池單元（BBU）
- 配電板（PDB）
- 電壓調節模組（VRM）
- 氮化鎵和碳化矽功率元件
- 智慧電源管理
- 800V高壓直流輸電和固態變壓器架構
這些數據是預測結果，而非保證結果。儘管如此，它們仍然顯示人工智慧運算如何提升整個能源鏈的價值和複雜性。
第二部分：800V高壓直流輸電會帶來哪些變化
2.1 更少的功率轉換級數
傳統的電源路徑可能包括多個交流和直流轉換階段，之後能量才能到達處理器：
電網供電 → 變壓器 → UPS → 交流配電 → 機架式電源 → 54V 直流母線 → 直流-直流轉換 → GPU
未來的 800V 直流架構可能會集中進行交流到直流的轉換，並將高壓直流電分配到更靠近計算設備的位置：
電網供電 → 中央交流-直流轉換 → 800V 直流配電 → 機架式直流-直流轉換 → GPU
減少轉換階段可以提高效率，並減少產生熱量或造成潛在故障點的組件數量。
NVIDIA表示，其提出的架構旨在支援功率範圍從約100千瓦到超過1兆瓦的機架。該公司也指出，該架構將採用儲能技術來應對負載峰值和亞秒的GPU功率波動。
2.2 800V 高壓直流供電並不代表電池備用電源就變得不必要
如果就此斷定高壓直流配電系統會取代電池系統，那就不準確了。
資料中心仍需要儲能來實現多種不同的功能：
| 需求 | 典型反應持續時間 | 相關電源解決方案 |
| GPU負載波動平滑 | 毫秒到秒 | 機架級 BBU 或其他快速存儲 |
| 切換過程中的穿越 | 秒 | BBU 或 UPS 電池 |
| 發電機啟動過渡 | 秒到分鐘 | UPS 或電池櫃 |
| 長時間停電 | 分鐘到小時 | 發電機、燃料電池或大型儲能係統 |
| 電網支援和峰值管理 | 多樣看板 | 固定式儲能 |
電池供電單元 (BBU) 能快速回應負載或輸入功率的突變。發電機或固態氧化物燃料電池通常無法取代這種即時反應，因為這些系統的時間尺度不同。
因此，鋰電池、UPS 系統和長時電源應被視為互補層。
2.3 現有資料中心不會在一夜之間發生改變。
新的 800V 直流基礎設施需要相容的：
- 整流器
- 保護裝置
- 資訊插座
- 公車專用道
- 直流斷路器
- 電源模塊
- 保養程序
- 安全標準
- 技術員培訓
現有設施也面臨巨大的改造成本。因此，交流UPS系統、中間架構和800V直流系統很可能並存。
製造商應設計模組化電源平台，既能支援當前架構，又能為未來高壓直流整合做好準備。
第三部分：為什麼鋰電池BBU在人工智慧資料中心中至關重要
3.1 快速響應動態 AI 負載
人工智慧訓練工作負載會導致電力需求快速變化。數千個加速器可能幾乎同時在不同處理階段之間切換，從而產生陡峭的負載變化。
設計合理的鋰電池BBU可以：
- 在短時負荷高峰期間提供電力
- 需求下降時吸收能量
- 減輕上游電力轉換設備的壓力
- 穩定直流母線
- 支援在斷電期間有序關機
- 填補另一個備份來源啟動所需的時間
這改變了電池的作用。它不再僅在市電斷電時才使用，而是可以成為一個頻繁循環工作的主動電源控制組件。
3.2 在有限的機架空間內實現更高的能量密度
資料中心機架的空間限制非常嚴格。每個用於電力設備的機架單元都會減少可用於計算、網路或冷卻設備的空間。
鋰離子電池通常比鉛酸電池具有更高的質量能量密度和體積能量密度。這有助於設備設計人員：
- 縮小 BBU 的尺寸和重量
- 延長固定機櫃內的備份時間
- 製造模組化、易於維護的電池托盤
- 將儲能裝置放置在更靠近負載的位置
- 支援熱插拔設計
電池化學成分的選擇仍然需要根據應用場景來決定，而不僅僅是能量密度。
| 化學 | 主要優勢 | 工程考量 |
| NMC | 高能量密度和緊湊尺寸 | 需要強大的熱保護和電氣保護 |
| 磷酸鐵鋰 | 循環壽命長，熱穩定性好 | 能量密度低於NMC |
| LTO | 超長的循環壽命和高充電接受能力 | 能量密度降低，成本升高 |
| 液態二氧化碳 | 高能量密度 | 通常不太適用於高循環工業用電池更換單元 (BBU)。 |
對於頻繁循環的 BBU 而言，循環壽命、功率能力、發熱量和安全性可能比最大銘牌能量密度更重要。
3.3 BBU 設計必須與電源架構相符
僅憑容量無法選擇適當的BBU。工程師必須定義：
- 標稱和最大母線電壓
- 連續和脈衝放電電流
- 所需通行時間
- 最大可接受電壓降
- 充電恢復時間
- 預期循環頻率
- 可用的冷卻方法
- 機架尺寸
- 服務和更換要求
- 通訊協議
- 冗餘策略
專為偶爾緊急放電而設計的電池組，如果用於頻繁的負載平滑，可能無法可靠地工作。在選擇電芯或配置電池組之前，必須確定其占空比。
第四部分：為什麼電池管理系統設計對可靠性至關重要
4.1 單元級監測
電池管理系統 (BMS) 監控單一電芯或併聯電池組的電壓、電池組電流和電池溫度。
這使得系統能夠識別：
- 細胞失衡
- 異常電壓升高
- 電壓降過大
- 過電流
- 內部阻力成長
- 溫度變化
- 連接器或母線問題
- 容量下降
在大型人工智慧電力系統中，應在電池故障影響直流母線或周圍設備之前檢測到該故障。
進一步了解 BMS和PCM設計.
4.2 準確的SOC和SOH估算
荷電狀態 (SOC) 表示剩餘可用能量。健康狀態 (SOH) 則評估電池性能隨老化而發生的變化。
對於暴露於以下情況的電池供電單元 (BBU)，簡單的基於電壓的 SOC 估算可能不夠充分：
- 快速的電流變化
- 淺騎行
- 溫度變化
- 長時間待機
- 高脈衝負載
- 具有不同老化歷史的平行模組
更穩健的估算策略可以結合以下幾點：
- 庫侖計數
- 開路電壓校正
- 溫度補償
- 阻抗追蹤
- 歷史週期數據
- 基於模型的估計
- 定期容量校準
錯誤的SOC（電池電量）估計會造成虛假的信心。系統可能會報告電池在所需功率負載下無法提供的可用備用時間。
4.3 熱管理
高密度機架會產生大量熱。電池系統可能位於電力電子設備、冷卻迴路和處理器附近，因此溫度控制是系統級要求。
當電池組體積較大或溫度分佈不均勻時，電池管理系統 (BMS) 應監控多個溫度點。可能需要在以下位置安裝感測器：
- 高電流端子
- 中央細胞群
- 外層細胞群
- MOSFET 或接觸器
- 母線
- 進氣口和出氣口
熱控制策略可以包括電流降額、風扇或液體冷卻協調、充電限制、警告閾值和緊急隔離。
4.4 快速選擇性故障隔離
800V 直流系統與傳統的低壓 BBU 相比，在保護方面面臨不同的挑戰。
直流電弧不像交流電弧那樣自然地經過零電流點。因此，保護設備必須快速可靠地切斷故障電流。
根據架構的不同，保護措施可能包括：
- 直流額定保險絲
- 接觸器
- 預充電電路
- 絕緣監測
- 煙火斷路器
- 固態斷路器
- 電流傳感器
- 隔離監測
- 緊急疏散通道
電池管理系統（BMS）必須與這些組件協調工作。單一異常模組應被隔離，而無需不必要地關閉正常的機架或電池組。
4.5 與電力系統的通信
伺服器 BBU 應該與更廣泛的電源管理系統通信，而不是作為孤立的元件運作。
常用的通訊方式包括 CAN 總線、RS485、SMBus、乙太網路閘道或客戶客製化協定。
系統可能需要報告：
- SOC和SOH
- 可用放電功率
- 可用充電功率
- 預計備份持續時間
- 電池最大和最小電壓
- 溫度分佈
- 警報歷史記錄
- 聯絡人狀態
- 絕緣狀態
- 維護建議
準確的數據使設施控制器能夠分配負載、安排維護並避免意外的電池故障。
第五部分：關鍵安全性和可靠性要求
5.1 防止傳播
安全的BBU應該設計成單一電池故障不會擴散到整個模組或機架。
工程措施可能包括：
- 細胞間距
- 熱障
- 阻燃材料
- 可控通風路徑
- 機械分離
- 耐熱母線絕緣
- 細胞級或組級融合
- 早期溫度和電壓檢測
合規性測試必須反映整個電池系統，而不僅僅是單一電池單元。
5.2 機械和電氣集成
電池可靠性可能因電池本身以外的問題而降低，包括：
- 端子鬆動
- 高強度焊接
- 爬升高度和淨空不足
- 連接器保持力差
- 壓縮不均勻
- 冷卻障礙
- 振動損傷
- 扭力不正確
- 絕緣性能下降
外殼、電池管理系統、連接系統、散熱設計和電池配置必須作為一個產品來設計。
5.3 標準和資格
適用要求取決於電池尺寸、安裝類型、市場，以及 BBU 是否被視為 IT 組件、固定式儲能係統或更大的上市產品的一部分。
可能相關的標準和要求包括：
- 聯合國第38.3號條例（鋰電池運輸）
- IEC 62619 工業二次鋰電池標準
- UL 1973 適用於固定式和輔助電源應用的電池
- UL 9540認證適用於所有適用的儲能係統
- NFPA 855 固定式儲能裝置
- 伺服器和資料中心設備的相關IEC或UL要求
製造商應在研發初期就與合格實驗室確認最終認證方案。測試要求可能會影響電池單元、外殼、間距、防護和通訊架構。
第六部分：固體氧化物燃料電池與長時功率的契合點
隨著資料中心尋求更清潔、更靈活的長時電源，固態氧化物燃料電池（SOFC）正受到越來越多的關注。
SOFC 系統可以提供持續或延長的電力，但這並不能消除對電池快速反應的需求。
| 科技 | 主要功能 |
| 鋰基體單元 | 毫秒級響應、負載平滑、短行程 |
| UPS電池系統 | 設施級備份和過渡支持 |
| 固體燃料電池 | 連續或長時間分散式電源 |
| 柴油或燃氣發電機 | 擴展緊急發電 |
| 電網級電池儲能 | 高峰管理和更長的備用時間 |
混合式設計可以利用鋰電池來應對突發的負載變化，同時由固態氧化物燃料電池（SOFC）提供持續電力。這樣就減少了為因應每個瞬態事件而增加長時電源容量的需求。
控制系統必須協調電池荷電狀態 (SOC)、燃料電池輸出、電網狀態和計算負載。電池通訊和電池管理系統 (BMS) 的準確性再次成為系統可靠性的關鍵。
第七部分：設備製造商設計檢查清單
在為人工智慧伺服器或高密度電源機架開發鋰電池BBU之前，請先定義以下內容：
- 直流母線電壓是多少？
- BBU必須提供多大的持續功率和峰值功率？
- 它必須以多快的速度做出反應？
- 它必須承受這種負荷多久？
- 它多久循環一次？
- 哪一種電池化學成分最適合佔空比？
- 有哪些冷卻方法可供選擇？
- 系統將如何估算SOC和SOH？
- 需要哪些通訊協定？
- 如何隔離故障模組？
- 模組是否可以安全地進行維修或熱插拔？
- 適用哪些運輸和產品認證？
- 該設計將如何防止熱傳導？
- BBU 將如何與 UPS、HVDC 或長時發電系統互動？
- 生產過程中會進行哪些測試來驗證每一包成品？
儘早明確這些要求有助於防止在驗證和認證過程中進行代價高昂的重新設計。
第八部分：為800V直流時代準備電池系統
過渡到 800V 直流電並非簡單的電壓升級。它改變了功率轉換、能量儲存、保護、散熱和軟體控制之間的關係。
電池製造商和伺服器電源工程師應重點關注以下方面：
- 模組化電池架構
- 高循環細胞
- 準確的SOC和SOH估算
- 高速電流測量
- 多點溫度感測
- 直流故障中斷
- 冗餘通信
- 預測性維護
- 可追溯的生產測試
- 系統級安全驗證
隨著人工智慧機架效能的提升，意外關機的成本也隨之增加。因此，評估電池可靠性時，不僅要考慮容量和循環壽命，還必須考慮可用功率、反應速度、容錯性和可維護性。
結語
人工智慧基礎設施正在加速向更高功率、更高電壓和更智慧的資料中心電源系統轉型。 NVIDIA 的 800V 直流路線圖表明，傳統的低壓配電方式將難以滿足未來兆瓦級機架的擴展需求。
然而，800V高壓直流輸電並沒有降低鋰電池備用電源的重要性，反而對電池整合提出了更高的要求。
鋰電池單元必須能夠回應快速的負載變化，提供可靠的持續供電，與設備控制器通信，並在不影響正常設備運作的情況下隔離故障。其電池管理系統必須在電池的整個使用壽命中提供精確的狀態估計、溫度監控、診斷和保護。
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常見問題
AI伺服器中的備用電池單元是什麼？
電池備用單元 (BBU) 可為伺服器或機架提供短時電源。它能夠支援在輸入中斷期間的持續供電，平穩應對 GPU 負載的快速變化，並實現有序關機。與大型 UPS 不同，BBU 的設計通常圍繞著特定運算設備的響應速度和功率需求。
800V高壓直流輸電系統會取代UPS系統嗎？
短期內不會實現。新型 800V 直流架構可以減少轉換級數，並將電源轉換移至電腦架之外，但現有資料中心仍依賴交流配電和 UPS 系統。在漫長的過渡期內，UPS、中間直流架構和 800V 直流系統很可能會共存。
哪種鋰電池化學成分適合用於伺服器BBU？
NMC 具有高能量密度，適用於空間受限的系統；LiFePO4 具有優異的熱穩定性和長循環壽命；LTO 則可能適用於循環次數極高的應用。正確的選擇取決於放電功率、可用空間、循環頻率、溫度、備用時間以及認證要求。
為什麼電池管理系統（BMS）對人工智慧伺服器電池系統很重要？
A 電池管理系統 它監控電壓、電流、溫度、荷電狀態 (SOC) 和健康狀態 (SOH)。它控制充電和放電，平衡電池單元，報告可用功率，並協調故障隔離。當電池支援快速變化的高價值運算負載時，這些功能至關重要。
鋰電池可以與固體氧化物燃料電池（SOFC）動力系統一起使用嗎？
是的。鋰電池能夠提供即時響應並吸收短時功率波動，而固態氧化物燃料電池（SOFC）則提供持續能量。協調的混合系統可以提高反應速度、可靠性和長時電源的使用率。
製造商如何開發客製化的BBU？
首先確定母線電壓、峰值功率、穿越時間、循環頻率、冷卻方式、尺寸、通訊協定、冗餘度和認證要求。 Large Power 可以發展 客製化鋰電池組 以及圍繞這些系統級需求的樓宇管理系統解決方案。
參考
- NVIDIA，“800 VDC 架構將為下一代 AI 工廠提供動力”，2025 年。
- NVIDIA GTC 2026，「800 VDC 和模組化資料中心解決方案」。
- 中金公司研究部，《人工智慧演進（15）：伺服器算力，下一個千億元市場》。
- 中金公司研究部，《GTC 2026 觀察：液冷升級與 800V HVDC 解決方案的正式發布》。
- 中金公司研究報告，《資料中心新型電源解決方案：固態氧化物燃料電池進入快速增長期》。
