مرحبا يا اصدقاء!
بعد نشر المقال لقد كثرت التعليقات حول مخاطر حلول Li-Ion على الخوادم ومراكز البيانات. لذلك، سنحاول اليوم معرفة الاختلافات بين حلول الليثيوم الصناعية لـ UPS والبطارية الموجودة في أداتك، وكيف تختلف ظروف تشغيل البطاريات في غرفة الخادم، ولماذا لا تدوم البطارية في هاتف Li-Ion أكثر من 2-3 سنوات، وفي مركز البيانات سيزيد هذا الرقم إلى 10 سنوات أو أكثر. لماذا تكون مخاطر نشوب حريق الليثيوم في مركز البيانات/غرفة الخادم ضئيلة.
نعم، من الممكن وقوع حوادث بسبب بطاريات UPS بغض النظر عن نوع جهاز تخزين الطاقة، لكن أسطورة "خطر الحريق" لحلول الليثيوم الصناعية ليست صحيحة.
بعد كل شيء، لقد رأى الكثيرون ذلك مع بطارية الليثيوم في سيارة تسير على الطريق السريع؟ لذا، دعونا نرى، نكتشف ذلك، نقارن...
نرى هنا حالة نموذجية من التسخين الذاتي غير المنضبط، والانفلات الحراري لبطارية الهاتف، مما أدى إلى مثل هذه الحادثة. ستقول: هنا! إنه مجرد هاتف، فقط شخص مجنون يمكنه وضع شيء كهذا في غرفة الخادم!
وأنا متأكد من أنه بعد دراسة هذه المادة سيغير القارئ وجهة نظره حول هذه القضية.
الوضع الحالي في سوق مراكز البيانات
ليس سراً أن بناء مركز البيانات يعد استثمارًا طويل المدى. يمكن أن يصل سعر المعدات الهندسية وحدها إلى 50% من تكلفة جميع التكاليف الرأسمالية. أفق الاسترداد هو حوالي 10-15 سنة. وبطبيعة الحال، هناك رغبة في تقليل التكلفة الإجمالية للملكية طوال دورة حياة مركز البيانات بأكملها، وفي الوقت نفسه أيضًا المعدات الهندسية المدمجة، مما يوفر أكبر قدر ممكن من المساحة للحمولة.
الحل الأمثل هو تكرار جديد لأجهزة UPS الصناعية القائمة على بطاريات Li-Ion، والتي تخلصت منذ فترة طويلة من "أمراض الطفولة" في شكل مخاطر الحرائق، وخوارزميات تفريغ الشحن غير الصحيحة، واكتسبت كتلة من آليات الحماية.
ومع زيادة قدرة أجهزة الحوسبة والشبكات، يتزايد الطلب على UPS. وفي الوقت نفسه، تزداد متطلبات عمر البطارية في حالة حدوث مشكلات في مصدر الطاقة المركزي و/أو الأعطال عند بدء تشغيل مصدر طاقة احتياطي في حالة استخدام/توفر مجموعة مولدات الديزل.
وفي رأينا أن هناك سببين رئيسيين:
- النمو السريع في حجم المعلومات التي تتم معالجتها ونقلها
على سبيل المثال، أن
يحتاج إلى حفظها ومعالجتها. - النمو في ديناميات استهلاك الطاقة الكهربائية. على الرغم من الاتجاه العام لتقليل استهلاك الطاقة لمعدات تكنولوجيا المعلومات، والحد من استهلاك الطاقة المحددة للمكونات الإلكترونية.
رسم بياني لاستهلاك الطاقة لمركز بيانات واحد فقط
ويتجلى نفس الاتجاه من خلال توقعات سوق مراكز البيانات في بلدنا.حسب الموقع"، إجمالي عدد مساحات الرفوف التي تم تشغيلها يزيد عن 20 ألفًا. "ارتفع عدد مساحات الرفوف التي تم تشغيلها من قبل أكبر 20 مزودًا لخدمات مراكز البيانات في عام 2017 بنسبة 3٪ ووصل إلى 22,4 ألفًا (البيانات اعتبارًا من 1 أكتوبر 2017) 2021)"، - يقول تقرير CNews Analytics. ووفقا للوكالات الاستشارية، بحلول عام 49، من المتوقع أن يرتفع عدد مساحات الرف إلى XNUMX ألف. أي أنه خلال عامين يمكن أن تتضاعف القدرة الفعلية لمركز البيانات. ما علاقة هذا؟ بادئ ذي بدء، مع زيادة حجم المعلومات: المخزنة والمعالجة.
بالإضافة إلى السحابة، يعتبر اللاعبون أن تطوير قدرات مراكز البيانات في المناطق يمثل نقاط نمو: فهي القطاع الوحيد الذي يوجد فيه احتياطي لتطوير الأعمال. وفقًا لشركة IKS-Consulting، في عام 2016، شكلت المناطق 10٪ فقط من جميع الموارد المعروضة في السوق، في حين احتلت العاصمة ومنطقة موسكو 73٪ من السوق، وسانت بطرسبرغ ومنطقة لينينغراد - 17٪. في المناطق، لا يزال هناك نقص في موارد مراكز البيانات مع درجة عالية من التسامح مع الأخطاء.
وبحلول عام 2025، من المتوقع أن يزيد إجمالي كمية البيانات في العالم 10 مرات مقارنة بعام 2016.
ومع ذلك، ما مدى أمان استخدام الليثيوم لخادم أو مركز بيانات UPS؟
العيب: التكلفة العالية لحلول Li-Ion.
لا يزال سعر بطاريات الليثيوم أيون مرتفعًا مقارنة بالحلول القياسية. وفقًا لتقديرات SE، ستكون التكاليف الأولية لوحدات UPS عالية الطاقة التي تزيد عن 100 كيلو فولت أمبير لحلول Li-Ion أعلى بمقدار 1,5 مرة، ولكن في النهاية سيكون التوفير في الملكية بنسبة 30-50%. إذا قمنا بإجراء مقارنات مع المجمع الصناعي العسكري في البلدان الأخرى، فإليك الأخبار حول الإطلاق مع بطاريات ليثيوم أيون. في كثير من الأحيان، يتم استخدام بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP في الصورة) في مثل هذه الحلول بسبب رخصتها النسبية وزيادة سلامتها.
يذكر المقال أنه تم إنفاق 100 مليون دولار على بطاريات جديدة للغواصة، فلنحاول تحويلها إلى قيم أخرى...4,2 ألف طن هو الإزاحة تحت الماء لغواصة يابانية. الإزاحة السطحية - 2,95 ألف طن. كقاعدة عامة، 20-25٪ من وزن القارب يتكون من البطاريات. من هنا نأخذ حوالي 740 طنًا من بطاريات الرصاص الحمضية. علاوة على ذلك: تبلغ كتلة الليثيوم حوالي ثلث كتلة بطاريات الرصاص الحمضية -> 1 طنًا من الليثيوم. عند 3 كيلووات ساعة/كجم من Li-Ion نحصل على ما يقرب من 246 ميجاوات ساعة من طاقة مجموعة البطارية. والفرق في كتلة البطاريات يقارب 70 طن... وهنا لا نأخذ في الاعتبار والتي تتطلب 14,5 طنًا من الفضة لكل غواصة، وتكلف 4 أضعاف تكلفة بطاريات الرصاص الحمضية. اسمحوا لي أن أذكرك أن بطاريات Li-Ion أصبحت الآن أكثر تكلفة بمقدار 1,5-2 مرة فقط من بطاريات VRLA، اعتمادًا على قوة المحلول.
ماذا عن اليابانيين؟ لقد تذكروا بعد فوات الأوان أن "تفتيح القارب" بمقدار 700 طن يستلزم تغييرًا في صلاحيته للإبحار واستقراره. ربما اضطروا إلى إضافة أسلحة على متن الطائرة من أجل إعادة توزيع الوزن التصميمي للقارب.
تزن بطاريات الليثيوم أيون أيضًا أقل من بطاريات الرصاص الحمضية، لذلك كان لا بد من إعادة تصميم تصميم الغواصة من فئة سوريو إلى حد ما للحفاظ على الصابورة والاستقرار.
في اليابان، تم إنشاء نوعين من بطاريات أيون الليثيوم ووضعهما في حالة تشغيلية: ليثيوم-نيكل-كوبالت-أكسيد الألومنيوم (NCA) من إنتاج شركة GS Yuasa وتيتات الليثيوم (LTO) من إنتاج شركة توشيبا. وستستخدم البحرية اليابانية بطاريات NCA، بينما عُرضت على أستراليا بطاريات LTO لاستخدامها في الغواصات من طراز Soryu في مناقصة حديثة، وفقًا لكوباياشي.
ومن خلال معرفة الموقف الموقر تجاه السلامة في أرض الشمس المشرقة، يمكننا أن نفترض أن مشكلات سلامة الليثيوم قد تم حلها واختبارها واعتمادها.
الخطر: خطر الحريق.
هذا هو المكان الذي سنكتشف فيه الغرض من النشر، نظرًا لوجود آراء متعارضة تمامًا حول سلامة هذه الحلول. ولكن هذا كله مجرد كلام، ولكن ماذا عن الحلول الصناعية المحددة؟
لقد ناقشنا بالفعل القضايا الأمنية في منطقتنا ، ولكن دعونا نتناول هذه المسألة مرة أخرى. دعنا ننتقل إلى الشكل الذي يفحص مستوى حماية الوحدة وخلية LMO/NMC للبطارية المصنعة بواسطة Samsung SDI والمستخدمة كجزء من UPS من شنايدر إلكتريك.
تمت مناقشة العمليات الكيميائية في مقالة المستخدم . دعونا نحاول فهم المخاطر المحتملة في حالتنا الخاصة ومقارنتها بالحماية متعددة المستويات في خلايا Samsung SDI، والتي تعد جزءًا لا يتجزأ من حامل Type G Li-Ion الجاهز كجزء من حل شامل يعتمد على Galaxy VM .
لنبدأ بمخطط انسيابي عام لمخاطر وأسباب نشوب حريق في خلية أيون الليثيوم.
تحت المفسد يمكنك دراسة القضايا النظرية المتعلقة بمخاطر الحريق لبطاريات الليثيوم أيون وفيزياء العملياترسم تخطيطي أولي لمخاطر وأسباب الحريق (مخاطر السلامة) لخلية أيونات الليثيوم سنوات 2018.
نظرًا لوجود اختلافات في الخصائص الحرارية للخلية اعتمادًا على التركيب الكيميائي لخلية أيون الليثيوم، فسنركز هنا على العملية الموضحة في المقالة في خلية الليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم (استنادًا إلى LiNiCoAIO2) أو NCA.
يمكن تقسيم عملية تطور الحادث في الخلية إلى ثلاث مراحل:
- المرحلة 1 (البداية). التشغيل الطبيعي للخلية عندما لا يتجاوز تدرج درجة الحرارة 0,2 درجة مئوية في الدقيقة، ولا تتجاوز درجة حرارة الخلية نفسها 130-200 درجة مئوية، اعتمادًا على التركيب الكيميائي للخلية؛
- المرحلة الثانية: الإحماء (التسارع). في هذه المرحلة، ترتفع درجة الحرارة، ويزيد التدرج الحراري بسرعة، ويتم إطلاق الطاقة الحرارية بشكل نشط. بشكل عام، تكون هذه العملية مصحوبة بإطلاق الغازات. يجب تعويض تطور الغاز المفرط عن طريق تشغيل صمام الأمان؛
- المرحلة الثالثة، الهروب الحراري (الهروب). تسخين البطارية أكثر من 3-180 درجة. في هذه الحالة، تدخل مادة الكاثود في تفاعل عدم التناسب وتطلق الأكسجين. هذا هو مستوى الهروب الحراري، لأنه في هذه الحالة قد يحدث خليط من الغازات القابلة للاشتعال مع الأكسجين، مما يؤدي إلى الاحتراق التلقائي. ومع ذلك، يمكن التحكم في هذه العملية في بعض الحالات، وقراءة - عندما يتغير نظام العوامل الخارجية، يتوقف الانفلات الحراري في بعض الحالات دون عواقب وخيمة على المساحة المحيطة. لا يتم أخذ صلاحية وأداء خلية الليثيوم نفسها في الاعتبار بعد هذه الأحداث.
تعتمد درجة الحرارة الحرارية الجامحة على حجم الخلية، وتصميم الخلية، والمادة. يمكن أن تتراوح درجة الحرارة الحرارية الجامحة من 130 إلى 200 درجة مئوية. يمكن أن يختلف وقت الهروب الحراري ويتراوح من دقائق أو ساعات أو حتى أيام...
ماذا عن الخلايا من النوع LMO/NMC في وحدات UPS أيون الليثيوم؟
– لمنع تلامس الأنود مع الإلكتروليت، يتم استخدام طبقة سيراميك كجزء من الخلية (SFL). يتم حظر حركة أيونات الليثيوم عند 130 درجة مئوية.
- بالإضافة إلى صمام التنفيس الواقي، يتم استخدام نظام حماية جهاز الشحن الزائد (OSD)، الذي يعمل بالتزامن مع منصهر داخلي ويقوم بإيقاف تشغيل الخلية التالفة، مما يمنع عملية الانفلات الحراري من الوصول إلى مستويات خطيرة. علاوة على ذلك، سيتم تشغيل نظام OSD الداخلي مبكرًا، عندما يصل الضغط إلى 3,5 كجم ثقلي/سم2، أي أقل بمقدار النصف من ضغط استجابة صمام أمان الخلية.
بالمناسبة، سيعمل منصهر الخلية عند تيارات أعلى من 2500 ألف في مدة لا تزيد عن ثانيتين. لنفترض أن التدرج في درجة الحرارة يصل إلى قراءة 2 درجات مئوية/دقيقة. في غضون 10 ثوانٍ، سيكون لدى الخلية الوقت الكافي لإضافة حوالي 10 درجة إلى درجة حرارتها أثناء وجودها في وضع رفع تردد التشغيل.
- فاصل ثلاثي الطبقات في الخلية في وضع إعادة الشحن سوف يمنع انتقال أيونات الليثيوم إلى أنود الخلية. درجة حرارة الحجب هي 250 درجة مئوية.
الآن دعونا نرى ما لدينا مع درجة حرارة الخلية؛ دعونا نقارن في أي مراحل يتم تفعيل أنواع مختلفة من الحماية على مستوى الخلية.
— نظام OSD – 3,5+-0,1 كجم قوة/سم2 <= الضغط الخارجي
حماية إضافية ضد التيارات الزائدة.
— صمام الأمان 7,0+-1,0 كجم قوة/سم2 <= الضغط الخارجي
- فتيل داخل الخلية 2 ثانية عند 2500 أمبير (أكثر من الوضع الحالي)
يعتمد خطر الهروب الحراري للخلية بشكل مباشر على درجة/مستوى شحن الخلية، مزيد من التفاصيل هنا...دعونا ننظر في تأثير مستوى شحن الخلية في سياق مخاطر الانفلات الحراري. لنفكر في جدول المراسلات بين درجة حرارة الخلية ومعلمة SOC (حالة الشحن، درجة شحن البطارية).
يتم قياس مستوى شحن البطارية كنسبة مئوية ويظهر مقدار الشحن الإجمالي الذي لا يزال مخزنًا في البطارية. في هذه الحالة، نحن نفكر في وضع إعادة شحن البطارية. يمكن أن نستنتج أنه اعتمادًا على كيمياء خلية الليثيوم، قد تتصرف البطارية بشكل مختلف عند الشحن الزائد وتكون لها قابلية مختلفة للهروب الحراري. ويرجع ذلك إلى اختلاف السعة المحددة (A*h/gram) لأنواع مختلفة من خلايا Li-Ion. كلما زادت السعة النوعية للخلية، زادت سرعة إطلاق الحرارة أثناء إعادة الشحن.
بالإضافة إلى ذلك، عند 100% SOC، غالبًا ما يتسبب قصر الدائرة الخارجية في الهروب الحراري للخلية. من ناحية أخرى، عندما تكون الخلية عند 80٪ SOC، فإن درجة الحرارة الحرارية القصوى للخلية تنتقل إلى أعلى. تصبح الخلية أكثر مقاومة لظروف الطوارئ.
أخيرًا، بالنسبة لـ 70% من SOC، فإن الدوائر القصيرة الخارجية قد لا تسبب انفلاتًا حراريًا على الإطلاق. أي أن خطر اشتعال الخلايا ينخفض بشكل كبير، والسيناريو الأكثر ترجيحًا هو فقط تشغيل صمام أمان بطارية الليثيوم.
بالإضافة إلى ذلك، يمكننا أن نستنتج من الجدول أن LFP (المنحنى الأرجواني) للبطارية عادةً ما يكون به ارتفاع حاد في درجة الحرارة، أي أن مرحلة "الإحماء" تنتقل بسلاسة إلى مرحلة "الهروب الحراري"، واستقرار هذا النظام للشحن الزائد هو أسوأ إلى حد ما. تتمتع بطاريات الكائنات الحية المحورة، كما نرى، بخاصية تسخين أكثر سلاسة عند إعادة الشحن.
هام: عند تشغيل نظام OSD، تتم إعادة ضبط الخلية للتجاوز. وبالتالي، يتم تقليل الجهد على الحامل، لكنه يظل قيد التشغيل ويوفر إشارة إلى نظام مراقبة UPS من خلال نظام BMS الخاص بالحامل نفسه. في حالة نظام UPS الكلاسيكي المزود ببطاريات VRLA، قد يؤدي حدوث ماس كهربائي أو انقطاع داخل بطارية واحدة في سلسلة إلى فشل UPS ككل وفقدان وظائف معدات تكنولوجيا المعلومات.
بناءً على ما سبق، بالنسبة لحالة استخدام محاليل الليثيوم في UPS، تظل المخاطر التالية ذات صلة:
- الهروب الحراري للخلية أو الوحدة نتيجة ماس كهربائي خارجي - عدة مستويات من الحماية.
- الهروب الحراري للخلية أو الوحدة نتيجة عطل في البطارية الداخلية - عدة مستويات من الحماية على مستوى الخلية أو الوحدة.
- الشحن الزائد - الحماية بواسطة BMS بالإضافة إلى جميع مستويات الحماية للحامل والوحدة والخلية.
- الأضرار الميكانيكية ليست ذات صلة بحالتنا، وخطر الحدث لا يكاد يذكر.
- ارتفاع درجة حرارة الحامل وجميع البطاريات (الوحدات والخلايا). غير حرجة تصل إلى 70-90 درجة. إذا ارتفعت درجة الحرارة في غرفة تركيب UPS عن هذه القيم، فهذا يعني أن هناك حريقًا في المبنى. في ظل ظروف التشغيل العادية لمركز البيانات، تكون مخاطر وقوع حدث ما ضئيلة.
- تقليل عمر البطارية في درجات حرارة الغرفة المرتفعة - يُسمح بالتشغيل طويل الأمد عند درجات حرارة تصل إلى 40 درجة دون انخفاض ملحوظ في عمر البطارية. تعتبر بطاريات الرصاص حساسة للغاية لأي زيادة في درجة الحرارة وتقلل من عمرها المتبقي بما يتناسب مع الزيادة في درجة الحرارة.
دعونا نلقي نظرة على مخطط انسيابي لمخاطر الحوادث مع بطاريات الليثيوم أيون في مركز البيانات لدينا، وحالة استخدام غرفة الخادم. دعونا نبسط الرسم البياني قليلاً، لأنه سيتم تشغيل UPS الليثيوم في ظروف مثالية، إذا قارنا ظروف تشغيل البطاريات في أداتك، هاتفك.
الخلاصة: تتمتع بطاريات الليثيوم المتخصصة لمراكز البيانات وغرفة الخوادم UPS بمستوى كافٍ من الحماية ضد حالات الطوارئ، وفي حل شامل، يسمح لنا عدد كبير من درجات الحماية المتنوعة وأكثر من خمس سنوات من الخبرة في تشغيل هذه الحلول بالتحدث عنها مستوى عال من السلامة للتقنيات الجديدة. من بين أمور أخرى، يجب ألا ننسى أن تشغيل بطاريات الليثيوم في قطاعنا يشبه ظروف "الدفيئة" لتقنيات Li-Ion: على عكس هاتفك الذكي في جيبك، لن يقوم أحد بإسقاط البطارية في مركز البيانات، أو ارتفاع درجة حرارتها، أو تفريغها كل يوم، استخدم بنشاط في وضع المخزن المؤقت.
لمعرفة المزيد ومناقشة حل بطارية Li-Ion محدد لغرفة الخادم أو مركز البيانات ، يرجى إرسال طلب عبر البريد الإلكتروني. أو عن طريق تقديم طلب على موقع الشركة .
التقنيات المفتوحة - حلول متكاملة موثوقة من قادة العالم ، تتكيف خصيصًا مع أهدافك وغاياتك.
المؤلف: كوليكوف أوليغ
مهندس تصميم رئيسي
قسم حلول التكامل
شركة التقنيات المفتوحة
يمكن للمستخدمين المسجلين فقط المشاركة في الاستطلاع. ، من فضلك.
ما هو رأيك في سلامة وقابلية تطبيق الحلول الصناعية المعتمدة على تقنيات Li-Ion؟
-
16,2%خطير، يشتعل ذاتيًا، لن أضعه تحت أي ظرف من الظروف في غرفة الخادم الخاصة بي.11
-
10,3%أنا لست مهتمًا بهذا، لذلك نقوم بتغيير البطاريات الكلاسيكية بشكل دوري، وكل شيء على ما يرام.7
-
16,2%علينا أن نفكر فيما إذا كان الأمر آمنًا وواعدًا أم لا
-
23,5%ومن المثير للاهتمام، وسوف ننظر في الاحتمالات.16
-
13,2%مهتم! استثمر مرة واحدة - ولا تخف من إرباك مركز البيانات بأكمله بسبب عطل بطارية واحدة.9
-
20,6%مثير للاهتمام! المزايا تفوق بكثير العيوب والمخاطر.14
صوت 68 مستخدمين. امتنع 25 مستخدما عن التصويت.
المصدر: www.habr.com