🥇Време за литиево-йонни UPS: опасност от пожар или безопасна стъпка към бъдещето?

Здравейте, приятели!

След публикуването на статията „ИБП и батерийни масиви: къде да ги поставим? Изчакай малко“ имаше много коментари относно опасността от Li-Ion решения за сървърни и ЦОД. Затова днес ще се опитаме да разберем какви са разликите между индустриалните литиеви решения за ИБП и батерията в твоето устройство, как се различават условията за работа на батериите в сървърни, защо в телефона Li-Ion батерията служи не повече от 2-3 години, а в ЦОД тя може да достигне 10 и повече години. Защо рисковете от запалване на литий в ЦОД/сървърни са минимални.

Да, инциденти с ИБП батерии са възможни независимо от типа на енергийните накопители, но митът за „пожароопасността“ на индустриалните литиеви решения не отговаря на действителността.

В крайна сметка много хора видяха този клип с запалване на телефон с литиева батерия в движеща се по шосето кола? И така, да погледнем, да разберем, да сравним…

Тук виждаме типичен случай на неконтролирано самонагряване, термично разгонване на батерията на телефона, довело до такъв инцидент. Ще кажете: ЕТО! Това е само телефон, който би поставил такова нещо в сървърно помещение единствено луд човек!

Убеден съм, че след като проучи този материал, читателят ще промени гледната си точка по този въпрос.

Текущата ситуация на пазара на ЦОД

Не е тайна, че строителството на ЦОД е дългосрочна инвестиция. Само цената на инженерното оборудване може да съставлява 50% от общите капиталови разходи. Горизонтът на възвращаемостта е около 10-15 години. Логично е да се появи желание за намаляване на общата цена на собствеността през целия жизнен цикъл на ЦОД, а наред с това и за уплътняване на инженерното оборудване, максимално освобождавайки площите за полезна натовареност.

Оптималното решение е индустриални ИБП от ново поколение на базата на Li-Ion батерии, които отдавна са се освободили от детските болести, като пожароопасност, некоректни алгоритми за зареждане-разреждане и разполагат с множество защитни механизми.

С увеличаването на мощностите на изчислителното и мрежовото оборудване расте и търсенето на ИБП. В същото време нарастват изискванията за времето на автономна работа от акумулаторните батерии в случай на проблеми с централизираното електроснабдяване и/или неизправности при стартиране на резервен източник на захранване в случай на ползване/наличие на ДГУ.

Основните причини, по наш мнение, тук са две:

Бързият растеж на обемите на обработваната и предаваната информация
Например, новият пътнически самолет Boeing
787 Dreamliner генерира над 500 гигабайта информация за един полет, която
трябва да бъде съхранена и обработена.
Ръст на динамиката на потреблението на електрическа енергия. Въпреки общия тренд на намаление на енергопотреблението на ИТ оборудването, намаление на специфичното потребление на енергия от електронните компоненти.

График на енергопотреблението на един активен ЦОД
Същата тенденция се наблюдава и в прогнозите на пазара на ЦОД в нашата странаСпоред данни от сайта expert.ru, общият брой на въведените в експлоатация стойко-места надвишава 20 хил. „Броят на пуснатите в експлоатация стойкоместия при 20-те най-големи доставчици на услуги на ЦОД през 2017 година нарасна с 3% и достигна 22,4 хиляди (данни към 1 октомври 2017 година)“, - се казва в отчета на CNews Analytics. Според оценки на консултантски агенции, до 2021 година се предвижда увеличаване на стойкоместата до 49 хиляди. Тоест, в рамките на две години реалният капацитет на ЦОД може да се удвои. С какво е свързано това? Първо, с растежа на обема на информацията: както съхраняваната, така и обработваната.

Освен облаците, играчите на пазара причисляват развитието на ЦОД мощности в регионите към точките на растеж: те са единственият сегмент, в който остава резерв за развитие на бизнеса. Според данни на IKS-Consulting, през 2016 година на регионите се падат само 10% от всички предлагани на пазара ресурси, докато столицата и Московска област заемат 73% от пазара, а Санкт Петербург и Ленинградска област - 17%. В регионите продължава да има недостиг на ресурси на дата-центрове с висока степен на отказоустойчивост.

До 2025 година, според прогнозите, общият обем на данните в света ще нарасне 10 пъти в сравнение с 2016 година.

Все пак, колко безопасен е литият за ИБП на сървърната зала или ЦОД?

Недостатък: висока цена на Li-Ion решенията.

Цената на литий-ионните АКБ все още остава висока в сравнение с традиционните решения. Според оценките на компанията SE, първоначалните разходи за мощни ИБП над 100 кВА за Li-Ion решения ще бъдат с 1,5 пъти по-високи, но в крайна сметка икономията от притежание ще бъде между 30% и 50%. Ако направим сравнения с военно-промишления комплекс на други страни,то ето новина за пускането на експлоатация на японската подводница с Li-Ion батерии. Доста често в подобни решения се използват литиево-желязо-фосфатни батерии (на снимката - LFP) заради относителната им евтиност и по-голямата безопасност.

В статията се споменава, че за новите батерии на подводницата са изразходвани 100 млн. долара, ще опитаме да преизчислим в други величини...4,2 хиляди тона - подводно водоизместване на японската подводница. Надводно водоизместване - 2,95 хиляди тона. Обикновено 20-25% от масата на лодката съставляват акумулатори. Оттук вземаме около 740 тона — оловно-киселинни акумулатори. Следва: масата на лития съставлява приблизително 1/3 от оловно-киселинните батерии -> 246 тона литий. По 70 kВт*ч/кг за Li-Ion получаваме около 17 МВт*ч мощност на батерийната система. А разликата в масата на батериите е около 495 тона... Тук не вземаме предвид серебърно-цинкови акумулатори, в състава на които за една подводна лодка е необходима 14,5 тона сребро, а по цена те надвишават оловно-киселинните батерии 4 пъти. Напомням, че Li-Ion батериите в момента са по-скъпи от VRLA само с 1,5-2 пъти в зависимост от мощността на решението.
А какво правят японците? Те твърде късно си спомниха, че "облекчаването на лодката" с 700 тона води до промяна в мореходните й качества, устойчивостта... Вероятно им се е наложило да добавят въоръжение на борда, за да възвърнат проектните стойности на разпределението на теглото на лодката.

Литиево-ийонните акумулатори също тежат по-малко от оловно-киселинните акумулатори, затова проектът на подводната лодка от тип Soryu е трябвало да бъде преработен, за да се запази баластировката и устойчивостта.
В Япония са създадени и доведени до експлоатационно състояние два типа литиево-йонни акумулаторни батерии: литий-никел-кобалт-алуминиев оксид (NCA) на компанията GS Yuasa и литий-титанат (LTO) на корпорацията Toshiba. Японският флот ще използва батерии от типа NCA, като в същото време, според Кобаяси, в Австралия за подводници от типа Soryu на наскоро проведен търг бяха предложени батерии от типа LTO.

Знаейки внимателното отношение към безопасността в страната на Изгряващото слънце, можем да предположим, че въпросите за безопасността на лития при тях са решени, тествани и сертифицирани.

Риск: опасност от пожар.

Тук ще разгледаме целите на публикацията, тъй като мненията за безопасността на тези решения са диаметрално противоположни. Но това е просто предпоставка, а какво ще кажем за конкретните промишлени решения?

Въпросите за безопасността вече разгледахме в нашата статия, но нека отново спрем вниманието си на този въпрос. Нека се обърнем към изображението, където е разглеждано нивото на защита на модула и клетката на LMO/NMC акумулатора, произвеждан от Samsung SDI и използван в системите на ИБП Schneider Electric.

Химическите процеси бяха разгледани в статията на потребителя LadyN Как експлодират литий-йонните акумулатори.Нека опитаме да разберем възможните рискове в нашия конкретен случай и да ги сравним с многостепенната защита в клетките на Samsung SDI, които са част от готовата Li-Ion стелаж Type G в рамките на комплексно решение на базата на Galaxy VM.

Нека започнем с обща блок-схема на рисковете и причините за запалване на литий-йонната клетка.

А по-отблизо? Снимката е кликаема.

Под спойлера можете да изучите теоретичните въпроси за рисковете от запалване на литий-йонни акумулатори и физиката на процесите.Началната блок-схема на рисковете и причините за запалване (Safety Hazard) на литий-йонната клетка от научна статия от 2018 година.

Тъй като в зависимост от химичната структура на литий-йонната клетка има различия в характеристиките на термичния разгон, тук ще се спрем на описания в статията процес в литий-никел-кобалтово-алуминевата клетка (на база LiNiCoAIO2) или NCA.
Процесът на развитие на авария в клетката може да бъде разделен на три етапа:

етап 1 (Onset). Нормална работа на клетката, когато градиентът на нарастване на температурата не надвишава 0,2 °C в минута, а самата температура на клетката не надвишава 130-200 °C в зависимост от химическата структура на клетката;
етап 2, загряване (Acceleration). На този етап температурата се повишава, градиентът на растеж на температурата рязко нараства, настъпва активно отделяне на топлинна енергия. По принцип този процес се съпътства от отделяне на газове. Излишното газообразуване трябва да бъде компенсирано с активирането на предпазния клапан;
етап 3, термичен разгон (Runaway). Загряване на акумулатора над 180-200 градуса. При това материалът на катода влиза в реакция на диспропорциониране и освобождава кислород. Това е нивото на термичния разгон, тъй като в този случай може да се образува смес от запалими газове с кислород, което да предизвика самозапалване. Въпреки това този процес в някои случаи може да бъде контролируем, а именно – при промяна на режима на външни фактори термичният разгон в редица случаи спира без фатални последствия за околната среда. Състоянието и работоспособността на самата литиева клетка след тези събития не се разглеждат.

Температурата на термичния разгон зависи от размера на клетката, конструкцията на клетката и материала. Температурата на термичния разгон може да варира от 130 до 200 градуса по Целзий. Времето за термичен разгон може да бъде различно и да варира от минути, часове или дори дни...

А какво става с клетките тип LMO/NMC в литий-йонните UPS?

А по-отблизо? Снимката е кликаема.

– За предотвратяване на контакт между анода и електролита се използва керамичният слой в състава на клетката (SFL). Блокирането на движението на литиеви йони се извършва при 130 градуса по Целзий.

– В допълнение към защитния вентилационен клапан, се прилага система за защита от презареждане (Over Charge Device, OSD), работеща в сътрудничество с вътрешен предпазител и изключваща повредената клетка, като не позволява процесът на термичен разгон да достигне опасни стойности. Освен това задействането на вътрешната система OSD ще се случи по-рано, при достигане на налягане от 3.5 кгс/см2, тоест наполовина по-малко от налягането на задействане на защитния клапан на клетката.

Струва си да се спомене, че предпазителят на клетката ще се задейства при токове над 2500 А за времеви интервал не повече от 2 секунди. Да предположим, че градиентът на температурата е достигнал 10 градуса по Целзий на минута. За 10 секунди клетката ще успее да добави около 1.7 градуса към температурата си, оставайки в режим на разгон.

– Трьохслоен сепаратор в клетката в режим на презареждане ще осигури блокиране на преминаването на литиеви йони към анода на клетката. Температурата на блокиране е 250 градуса по Целзий.

Сега нека разгледаме какво става с температурата на клетката; да съпоставим на какви етапи се задействат различните видове защита на ниво клетка.

— система OSD – 3,5±0,1 кгс/см2 <= външно налягане
Допълнителна защита от свръхтокове.

— защитен клапан 7,0+-1,0 кгс/cм2 <= външно налягане

— предпазител вътре в клетката 2 секунди при 2500А (режим на претоварвания over current)

Рискът от термично разширяване на клетката пряко зависи от степента/нивото на заряда на клетката, повече информация тук…Нека разгледаме ефекта на нивото на заряда на клетката в контекста на рисковете от термично разширение. Нека разгледаме таблицата за съответствието на температурата на клетката с параметъра SOC (Степен на заряд, ниво на заряд на акумулатора).

Степента на заряд на акумулатора се измерва в проценти и показва каква част от общия заряд остава запазена в акумулатора. В настоящия случай разглеждаме режима на презареждане на акумулатора. Можем да заключим, че в зависимост от химическия състав на литиевата клетка, батерията може да се държи по различен начин при презареждане и да има различна склонност към термично разширяване. Това е обусловено от различната специфична капацитет (А*ч/грам) на различните типове Li-Ion клетки. Колкото по-висок е специфичният капацитет на клетката, толкова по-бързо ще протича термичното отделяне на топлина при презареждане.

Освен това, при 100% SOC, външно късо съединение често води до термично разширение на клетката. От друга страна, когато клетката има ниво на заряд 80% SOC, максималната температура на началото на термичното разширение на клетката се измести в по-висока посока. Клетката става по-устойчива на аварийни режими.

И накрая, за 70% SOC, външни къси съединения може изобщо да не причинят термично разширение. Тоест, рискът от запалване на клетката значително се намалява, а най-вероятният сценарий е само задействането на предпазния клапан на литиевия акумулатор.

Освен това, от таблицата можем да заключим, че LFP (лилавата крива) батерии обикновено имат стръмен наклон на нарастването на температурата, т.е. етапът на "разогрев" плавно преминава в етап "термично разширение", а устойчивостта на тази система към презареждане е малко по-лоша. Батериите от тип LMO, както виждаме, имат по-плавна характеристика на нагряване при презареждане.

ВАЖНО: При задействане на системата OSD, клетката се нулира на байпас. По този начин напрежението на рафта се намалява, но той продължава да работи и подава сигнал в системата за мониторинг на ИБП чрез BMS на самия рафт. В случай на класическа система ИБП с VRLA батерии, късо съединение или повреда в един от АКБ в стринга може да доведе до отказ на ИБП като цяло и загуба на работоспособност на ИТ оборудването.

С оглед на гореизложеното, за случая с използването на литиеви решения в ИБП остават актуални рисковете:

Термично ускорение на клетката, модула в резултат на външно късо съединение – няколко нива на защита.
Термично ускорение на клетката, модула в резултат на вътрешна неизправност на батерията – няколко нива на защита на ниво клетка, модул.
Презареждане – защита чрез BMS плюс всички нива на защита на рафта, модула, клетката.
Механично увреждане – неактуално за нашия случай, рискът е пренебрежимо малък.
Прегряване на рафта и всички батерии (модули, клетки). Не е критично до 70-90 градуса. Ако температурата в помещението за инсталиране на ИБП се повиши над тези стойности – значи, това е вече пожар в сградата. При нормални работни условия на ЦОД рискът е пренебрежимо малък.
Намаляване на ресурса на батериите при повишени температури в помещението – допуска се продължителна работа при температура до 40 градуса без значително намаляване на ресурса на батериите. Оловните батерии са много чувствителни към всяко повишение на температурата и намаляват остатъчния си ресурс пропорционално на увеличението на температурата.

Нека погледнем блок-схемата на рисковете при аварии с литий-йонни батерии в нашия случай на използване в ЦОД, сървърна зала. Някакси ще опростим схемата, тъй като литиевите ИБП ще работят при идеални условия в сравнение с условията на работа на батериите в вашето устройство, телефон.

Снимката е кликаема.

ИЗВОД: Специализирани литиеви акумулатори за UPS в центрове за обработка на данни и сървъри предлагат достатъчно ниво на защита от извънредни ситуации, а в комплексното решение голям брой степени на разнообразна защита и повече от петгодишен опит с тези решения дават възможност да се говори за високото ниво на безопасност на новите технологии. Освен всичко останало, не бива да забравяме, че експлоатацията на литиеви акумулатори в нашия сектор изглежда като "оранжерийни" условия за технологии Li-Ion: за разлика от вашия смартфон в джоба, батерията в ЦОД не може да бъде изпусната, прегрята, разредена всеки ден или активно използвана в буферен режим.

Научете повече подробности и обсъдете конкретно решение с използване на литиево-йонни батерии за вашия сървър или ЦОД, като изпратите запитване на електронната поща info@ot.ru, или направите запитване на сайта на компанията www.ot.ru.

ОТКРИТИ ТЕХНОЛОГИИ – надеждни комплексни решения от световни лидери, адаптирани точно за вашите цели и задачи.

Автор: Олег Куликов
Водещ инженер-конструктор
Департамент по интеграционни решения
Компания Открытые Технологии

Само регистрирани потребители могат да участват в анкетата. Влезте, моля.

Вашето мнение относно безопасността и приложимостта на индустриалните решения с технологии Li-Ion?

16,2%Опасно, самозапалващо се, никога няма да го сложа в сървърната стая.
10,3%Не ме интересува, и така периодично сменяме класическите батерии, и всичко е ОК.
16,2%Трябва да помисля, възможно е да е безопасно и перспективно.
23,5%Интересно, ще разгледам възможностите.
13,2%Интересува ме! Да инвестирам веднъж – и да не се страхувам, че ще затворя целия ЦОД заради отказ на една оловна батерия.
20,6%Интересно! Предимствата са много повече от недостатъците и рисковете.