Добры дзень, сябры!
Пасля публікацыі артыкула было шмат каментароў з нагоды небяспекі Li-Ion рашэнняў для серверных і ЦАД. Таму сёння паспрабуем разабрацца, у чым адрозненні прамысловых рашэнняў на літыі для КБС ад батарэйкі ў вашым гаджэце, як адрозніваюцца ўмовы эксплуатацыі батарэй у сервернай, чаму ў тэлефоне Li-Ion батарэя служыць не больш за 2-3 гадоў, а ў ЦАД гэта лічба ўзрасце да 10 і больш гадоў. Чаму рызыкі ўзгарання літыя ў ЦАД/сервернай мінімальныя.
Так, аварыі на батарэях КБС магчымыя па-за залежнасцю ад тыпу назапашвальнікаў энергіі, а вось міф "пажаранебяспекі" прамысловых рашэнняў на літыі не адпавядае рэчаіснасці.
Бо многія бачылі той c літыевым акумулятарам у якая рухаецца па шашы машыне? Такім чынам, паглядзім, разбярэмся, параўнаем…
Тут бачым тыповы выпадак некантралюемага саманагрэву, цеплавога разгону батарэі тэлефона, які прывёў да такога інцыдэнту. Вы скажаце: ВОСЬ! Гэта ўсяго толькі тэлефон, у серверную паставіць такое толькі вар'ят!
Упэўнены, вывучыўшы дадзены матэрыял, чытач зменіць свой пункт гледжання па гэтым пытанні.
Бягучая сітуацыя на рынку ЦАД
Ні для каго не сакрэт, што будаўніцтва ЦАД - гэта доўгатэрміновае капіталаўкладанне. Кошт толькі інжынернага абсталявання можа складаць 50% ад кошту ўсіх капітальных затрат. Гарызонт акупнасці - прыкладна 10-15 гадоў. Заканамерна ўзнікае жаданне знізіць поўны кошт валодання на ўсім жыццёвым цыкле ЦАД, а адначасна яшчэ і ўшчыльніць інжынернае абсталяванне, максімальна вызваліўшы пляцы пад карысную нагрузку.
Аптымальнае рашэнне – прамысловыя КБС новай ітэрацыі на базе Li-Ion акумулятараў, якія ўжо даўно пазбавіліся ад «дзіцячых хвароб» у выглядзе пажаранебяспекі, некарэктных алгарытмаў зарада-разраду, абраслі масай ахоўных механізмаў.
З павелічэннем магутнасцяў вылічальнага і сеткавага абсталявання расце попыт на КБС. Адначасова павялічваюцца патрабаванні да часу аўтаномнай працы ад акумулятарных батарэй у выпадку праблем з цэнтралізаваным электразабеспячэннем і/ці збоямі пры запуску рэзервовай крыніцы харчавання ў выпадку прымянення/наяўнасці ДДУ.
Асноўных прычын, на наш погляд, тут дзве:
- Імклівы рост аб'ёмаў апрацоўванай і перадаваемай інфармацыі
Напрыклад, , якую
трэба захаваць і апрацаваць. - Рост дынамікі спажывання электрычнай энергіі. Нягледзячы на агульны трэнд зніжэння энергаспажывання ІТ-абсталявання, зніжэння ўдзельнага спажывання энергіі электроннымі кампанентамі.
Графік энергаспажывання ўсяго аднаго дзеючага ЦАД
Гэтую ж тэндэнцыю дэманструюць прагнозы рынку ЦАД у нашай краіне.Па дадзеных сайтасумарная колькасць уведзеных у эксплуатацыю стойка-месцаў складае больш за 20 тыс. гаворыцца ў справаздачы CNews Analytics. Паводле ацэнак кансалтынгавых агенцтваў, да 20 года прагназуецца павелічэнне стойкамесцаў да 2017 тысяч. Гэта значыць, за два гады рэальная ёмістасць ЦАД можа павялічыцца ў два разы. З чым гэта злучана? У першую чаргу, з ростам аб'ёму інфармацыі: як захоўваемай, так і апрацоўванай.
Акрамя аблокаў да кропак росту гульцы адносяць развіццё ЦАД-магутнасцяў у рэгіёнах: яны з'яўляюцца адзіным сегментам, дзе захоўваецца запас для развіцця бізнесу. Па дадзеных IKS-Consulting, у 2016 годзе на рэгіёны прыйшлося толькі 10% усіх прапанаваных на рынку рэсурсаў, у той час як сталіца і Маскоўская вобласць занялі 73% рынку, а Санкт-Пецярбург і Ленінградская вобласць - 17%. У рэгіёнах працягвае захоўвацца дэфіцыт на рэсурсы дата-цэнтраў з высокай ступенню адмоваўстойлівасці.
Да 2025 года, паводле прагнозаў, агульны аб'ём дадзеных у свеце павялічыцца ў 10 разоў у параўнанні з 2016 годам.
Усё-ткі, наколькі бяспечны літый для КБС сервернай або ЦАД?
Недахоп: высокі кошт Li-Ion рашэнняў.
Кошт літый-іённых АКБ усё яшчэ застаецца высокай у параўнанні са стандартнымі рашэннямі. Паводле ацэнак кампаніі SE пачатковыя выдаткі для магутных КБС больш за 100 ква для Li-Ion рашэнняў будуць вышэй у 1,5 разы, але ў канчатковым выніку эканомія на валоданні складзе 30-50%. Калі правесці параўнанні з ваенна-прамысловым комплексам іншых краін, то вось навіна аб запуску ў з Li-Ion батарэямі. Даволі часта ў падобных рашэннях ужываюць літый-жалеза-фасфатныя батарэі (на фота- LFP) з прычыны адноснай таннасці і большай бяспекі.
У артыкуле згадваецца, што на новыя батарэі для субмарыны выдаткавана $100 млн., паспрабуем пералічыць у іншыя велічыні…4,2 тысячы тон-падводнае водазмяшчэнне японскай субмарыны. Надводнае водазмяшчэнне-2,95 тысяч тон. Як правіла 20-25% масы лодкі складаюць акумулятары. Адсюль бярэм прыкладна 740 тон - свінцова-кіслотныя акумулятары. Далей: маса літый складае прыкладна 1/3 ад свінцова-кіслотных батарэй -> 246 тон літыя. Па 70кВт * ч / кг для Li-Ion атрымліваем прыкладна каля 17 МВт * ч магутнасці батарэйнага масіва. І розніца ў масе батарэй – прыкладна 495 тон… Тут мы не бярэм у разлік , У складзе якіх на адну падводную лодку трэба 14,5, 4 тон срэбра, а па кошце яны перавышаюць свінцова-кіслотныя батарэі ў 1,5 разы. Нагадаю Li-Ion батарэі цяпер даражэй VRLA за ўсё ў 2 – XNUMX разы ў залежнасці ад магутнасці рашэння.
А што японцы? Яны занадта позна ўспомнілі што палягчэнне лодкі на 700 тон цягне за сабой змена яе мореходных якасцяў, остойчивости… Верагодна ім прыйшлося дадаваць узбраенняў на борт, каб вярнуць праектныя значэнні развесовки лодкі.
Літыева-іённыя акумулятары таксама важаць менш, чым свінцова-кіслотныя акумулятары, таму праект падводнай лодкі тыпу Soryu прыйшлося некалькі перапрацаваць для захавання баластоўкі і остойчивости.
У Японіі створаны і даведзены да эксплуатацыйнага стану два тыпы літыева-іённых акумулятарных батарэй: літый-нікель-кобальт-алюміній-аксідная (NCA) вытворчасці кампаніі GS Yuasa і літый-тытанатная (LTO) вытворчасці карпарацыі Toshiba. Японскі флот будзе выкарыстоўваць батарэі тыпу NCA, пры гэтым, паводле Кобаясі, Аўстраліі для выкарыстання на падводных лодках на аснове тыпу Soryu ў нядаўнім тэндэры былі прапанаваны батарэі тыпу LTO.
Ведаючы трапяткое стаўленне да бяспекі ў краіне Узыходзячага Сонца, можна меркаваць, што пытанні бяспекі літыя ў іх вырашаны, пратэставаны і сертыфікаваны.
Рызыка: пажаранебяспека.
Вось тут і разбярэмся з мэтай публікацыі, бо думкі аб бяспецы дадзеных рашэнняў існуюць дыяметральна супрацьлеглыя. Але ж гэта ўсё лірыка, а што ў нас з канкрэтнымі прамысловымі рашэннямі?
Пытанні бяспекі мы ўжо разглядалі ў нашай , Але яшчэ раз спынімся на гэтым пытанні. Звернемся да малюнка, дзе разглядаўся ўзровень абароны модуля і вочкі LMO/NMC акумулятара вытворчасці Samsung SDI і выкарыстоўванай у складзе КБС Schneider Electric.
Хімічныя працэсы былі разгледжаны ў артыкуле карыстальніка . Паспрабуем разабрацца ў магчымых рызыках у нашым канкрэтным выпадку і супаставіць са шматузроўневай абаронай у вочках Samsung SDI, якія з'яўляюцца складовай часткай гатовай Li-Ion стойкі Type G у складзе комплекснага рашэння на базе Galaxy VM.
Пачнём з агульнага выпадку блок-схемы рызык і прычын узгарання літый-іённай ячэйкі.
Пад спойлерам можна вывучыць тэарэтычныя пытанні рызык узгарання літый-іённых акумулятараў і фізіку працэсаўЗыходная блок-схема рызык і прычын узгарання (Safety Hazard) літый-іённай ячэйкі з 2018 года.
Паколькі ў залежнасці ад хімічнай структуры літый-іённага вочка маюцца адрозненні ў характарыстыках цеплавога разгону вочка, тут спынімся на выкладзеным у артыкуле працэсе ў літый-нікель-кобальт-алюмініевым вочку (на базе LiNiCoAIO2) ці NCA.
Працэс развіцця аварыі ў вочку можна падзяліць на тры стадыі:
- стадыя 1 (Onset). Нармальная праца ячэйкі, калі градыент нарастання тэмпературы не перавышае 0,2 гр. З у хвіліну, а сама тэмпература ячэйкі не перавышае 130-200 гр. С у залежнасці ад хімічнай структуры ячэйкі;
- стадыя 2, разаграванне (Acceleration). На гэтым этапе тэмпература падвышаецца, градыент росту тэмпературы імкліва павялічваецца, адбываецца актыўнае вылучэнне цеплавой энергіі. У агульным выпадку гэты працэс суправаджаецца вылучэннем газаў. Залішняе газавылучэнне павінна быць кампенсавана спрацоўваннем ахоўнага клапана;
- стадыя 3, цеплавы разгон (Runaway). Нагрэў акумулятара звыш 180-200 градусаў. Пры гэтым матэрыял катода ўступае ў рэакцыю дыспрапарцыянавання і вылучае кісларод. Гэта і ёсць узровень цеплавога разгону, бо ў гэтым выпадку можа паўстаць сумесь гаручых газаў з кіслародам, што выкліча самазагаранне. Аднак гэты працэс у некаторых выпадках можа быць кіраваным, чытай - пры змене рэжыму вонкавых фактараў цеплавы разгон у шэрагу выпадкаў спыняецца без фатальных наступстваў для навакольнага прасторы. Спраўнасць і працаздольнасць самага літыевага вочка пасля гэтых падзей не разглядаецца.
Тэмпература цеплавога разгону залежыць ад памеру вочка, канструкцыі вочка і матэрыялу. Тэмпература цеплавога разгону можа вар'іравацца ад 130 да 200 градусаў цэльсія. Час цеплавога разгону можа быць розным і складаць хвіліны, гадзіны ці нават дні…
А што ў нас з вочкамі тыпу LMO/NMC у літый-іённых КБС?
- Для прадухілення судотыку анода з электралітам выкарыстоўваецца керамічны пласт у складзе ячэйкі (SFL). Блакаванне перасоўвання іёнаў літыя адбываецца пры 130 гр.З.
– У дадатак да ахоўнага вентыляцыйнага клапана, ужываецца сістэма абароны ад перазарада (Over Charge Device, OSD), якая працуе ў пары з унутраным засцерагальнікам і адключалая пашкоджанае вочка, не даючы давесці працэс цеплавога разгону да небяспечных значэнняў. Прычым спрацоўванне ўнутранай сістэмы OSD будзе раней, пры дасягненні ціску 3,5 кгс/см2, гэта значыць, напалову менш, чым ціск спрацоўвання ахоўнага клапана вочка.
Дарэчы сказаць, засцерагальнік ячэйкі спрацуе пры токах звыш 2500 А за час не больш за 2 секунды. Выкажам здагадку, градыент тэмпературы дасягнуў паказанні 10 гр.З/мін. За 10 секунд ячэйка паспее дадаць да сваёй тэмпературы каля 1,7 градуса, знаходзячыся ў рэжыме разгону.
- Трохслаёвы сепаратар у вочку ў рэжыме перазарада забяспечыць блакаванне пераходу іёнаў літыя на анод вочка. Тэмпература блакавання складае 250 гр.С.
Цяпер паглядзім, што ў нас з тэмпературай ячэйкі; супастаўны, на якіх этапах адбываецца спрацоўванне розных відаў абарон на ўзроўні ячэйкі.
– сістэма OSD – 3,5+-0,1 кгс/см2 <= знешні ціск
Дадатковая абарона ад звышацёкаў.
- ахоўны клапан 7,0+-1,0 кгс/см2 <= знешні ціск
- засцерагальнік ўнутры ячэйкі 2 секунда пры 2500А (рэжым токаў перагрузкі over current)
Рызыка цеплавога разгону ячэйкі напрамую залежыць ад ступені/ўзроўню зараду ячэйкі, падрабязней тут…Разгледзім эфект узроўня зарада вочка ў кантэксце рызык з'яўлення цеплавога разгону. Разгледзім табліцу адпаведнасці тэмпературы вочка ад параметру SOC (State of Charge, ступень зарада акумулятара).
Ступень зарада акумулятара вымяраецца ў працэнтах і паказвае, якая частка поўнага зарада яшчэ застаецца назапашанай у акумулятары. У дадзеным выпадку мы разглядаем рэжым перазараду акумулятара. Можна зрабіць выснову, што ў залежнасці ад хімічнага складу літыевага вочка батарэя можа паводзіць сябе па-рознаму пры перазарадзе і мець розную схільнасць да цеплавога разгону. Гэта абумоўлена рознай удзельнай ёмістасцю (А * ч / грам) розных тыпаў Li-Ion вочак. Чым больш удзельная ёмістасць ячэйкі, тым больш імклівым будзе цеплавылучэнне пры перазарадзе.
Акрамя таго, пры 100% SOC вонкавае кароткае замыканне часта прыводзіць да тэрмічнага разгону вочка. З іншага боку, калі вочка мае ўзровень зарада 80% SOC, максімальная тэмпература пачатку цеплавога разгону вочка ссоўваецца ў вялікі бок. Ячэйка становіцца больш устойлівай да аварыйных рэжымаў.
І, нарэшце, для 70% SOC вонкавыя кароткія замыканні могуць наогул не быць чыннікам цеплавога разгону. Гэта значыць, рызыка ўзгарання вочка значна змяншаецца, і найболей верагодны сцэнар толькі спрацоўванне ахоўнага клапана літыева акумулятара.
Акрамя таго, з табліцы можна зрабіць выснову, што LFP (фіялетавая крывая) батарэі як правіла мае стромкі нахіл нарастання тэмпературы, гэта значыць, стадыя "разаграванне" плыўна пераходзіць у стадыю "цеплавы разгон", і ўстойлівасць гэтай сістэмы да перазараду некалькі горш. Батарэі тыпу LMO, як бачны, маюць больш плыўную характарыстыку разагравання пры перазарадзе.
ВАЖНА: пры спрацоўванні сістэмы OSD адбываецца скід ячэйкі на байпас. Такім чынам, змяншаецца напруга на стойцы, але яна застаецца ў працы і выдае сігнал у сістэму маніторынгу КБС пасродкам сістэмы BMS самой стойкі. У выпадку класічнай сістэмы КБС з VRLA батарэямі кароткае замыканне або абрыў ўнутры аднаго АКБ у стрынгу можа прывесці да адмовы КБС у цэлым і страце працаздольнасці ІТ-абсталявання.
Зыходзячы з вышэйпададзенага, для выпадку выкарыстання літыевых рашэнняў у КБС застаюцца актуальнымі рызыкі:
- Цеплавы разгон вочка, модуля ў выніку вонкавага КЗ некалькі узроўняў абарон.
- Цеплавы разгон вочка, модуля ў выніку ўнутранай няспраўнасці батарэі - некалькі ўзроўняў абарон на ўзроўні вочка, модуля.
- Перазарад - абарона сродкамі BMS плюс усе ўзроўні абароны стойкі, модуля, вочкі.
- Механічнае пашкоджанне - неактуальна для нашага выпадку, рызыка падзеі нікчэмны.
- Перагрэў стойкі і ўсіх батарэй (модуляў, вочак). Некрытычна да 70-90 градусаў. Калі тэмпература ў памяшканні ўсталёўкі КБС паднімецца вышэй гэтых значэнняў - значыць, гэта ўжо пажар у будынку. У нармальных рэжымах працы ЦАД рызыка падзеі нікчэмная.
- Зніжэнне рэсурсу батарэй пры падвышаных тэмпературах памяшкання - дапускаецца працяглая праца пры тэмпературы да 40 градусаў без адчувальнага зніжэння рэсурсу батарэй. Свінцовыя батарэі вельмі адчувальныя да любога падвышэння тэмпературы і змяншаюць свой рэшткавы рэсурс прапарцыйна павелічэнню тэмпературы.
Давайце зірнем на блок-схему рызык аварый з літый-іённымі батарэямі ў нашым выпадку выкарыстання ў ЦАД, сервернай. Трохі спросцім схему, бо літыевыя КБС будуць эксплуатавацца ў ідэальных умовах, калі параўноўваць умовы працы батарэй у вашым гаджэце, тэлефоне.
ВЫСНОВА: Спецыялізаваныя літыевыя акумулятары для КБС ЦАД, сервернай валодаюць дастатковым узроўнем абароны ад няштатных сітуацый, а ў комплексным рашэнні вялікая колькасць ступеняў разнастайнай абароны і больш за пяцігадовы досвед эксплуатацыі гэтых рашэнняў дазваляюць казаць аб высокім узроўні бяспекі новых тэхналогій. Акрамя ўсяго іншага, не варта забываць, што эксплуатацыя літыевых АКБ у нашым сектары выглядае як "цяплічныя" ўмовы для Li-Ion тэхналогій: у адрозненне ад вашага смартфона ў кішэні, батарэю ў ЦАД ніхто не будзе губляць, пераграваць, разраджаць кожны дзень, актыўна выкарыстоўваць у буферным рэжыме.
Даведацца падрабязнасці і абмеркаваць канкрэтнае рашэнне з выкарыстаннем літый-іённых батарэй для вашай сервернай ці ЦАД можна, накіраваўшы запыт на электронную пошту , альбо зрабіўшы запыт на сайце кампаніі .
АДКРЫТЫЯ ТЭХНАЛОГІІ - надзейныя комплексныя рашэнні ад сусветных лідэраў, адаптаваныя менавіта пад вашыя мэты і задачы.
Аўтар: Кулікоў Алег
Вядучы інжынер канструктар
Дэпартамент інтэграцыйных рашэнняў
Кампанія Адкрытыя Тэхналогіі
Толькі зарэгістраваныя карыстачы могуць удзельнічаць у апытанні. , Калі ласка.
Ваша меркаванне на прадмет бяспекі і прымяняльнасці прамысловых рашэнняў на Li-Ion тэхналогіях?
-
16,2%Небяспечны, самазагараецца, ні ў якім разе не пастаўлю сабе ў серверную.
-
10,3%Мне гэта не цікава, і так мяняем перыядычна класічныя батарэі, і ўсё ОК.7
-
16,2%Трэба падумаць, магчыма, гэта бяспечна і перспектыўна.
-
23,5%Цікаўна, разгледжу магчымасці.
-
13,2%Цікавіць! Укласціся адзін раз - і не баяцца заваліць увесь ЦАД з-за адмовы адной свінцовай батарэі.9
-
20,6%Цікава! Добрых якасцяў значна больш, чым мінусаў і рызык.
Прагаласавалі 68 карыстальнікаў. Устрымаліся 25 карыстальнікаў.
Крыніца: habr.com