Здравейте приятели!
След публикуването на статията Има много коментари за опасностите от Li-Ion решения за сървъри и центрове за данни. Затова днес ще се опитаме да разберем какви са разликите между индустриалните литиеви решения за UPS и батерията във вашата джаджа, как се различават условията на работа на батериите в сървърната стая, защо в литиево-йонния телефон батерията не издържа повече от 2-3 години, а в център за данни тази цифра ще нарасне до 10 или повече години. Защо рисковете от литиев пожар в център за данни/сървърна стая са минимални.
Да, аварии с UPS батерии са възможни независимо от вида на устройството за съхранение на енергия, но митът за „опасността от пожар“ на индустриалните литиеви решения не е верен.
В крайна сметка мнозина са го виждали с литиева батерия в кола, движеща се по магистралата? И така, нека видим, разберем, сравним...
Тук виждаме типичен случай на неконтролирано самозагряване, термично изтичане на батерията на телефона, довело до такъв инцидент. Ще кажете: ТУК! Това е просто телефон, само луд би сложил такова нещо в сървърната!
Сигурен съм, че след като проучи този материал, читателят ще промени гледната си точка по този въпрос.
Текуща ситуация на пазара на центрове за данни
Не е тайна, че изграждането на център за данни е дългосрочна инвестиция. Цената само на инженерното оборудване може да бъде 50% от цената на всички капиталови разходи. Хоризонтът на изплащане е приблизително 10-15 години. Естествено, има желание да се намалят общите разходи за притежание през целия жизнен цикъл на центъра за данни и в същото време да се компактира инженерното оборудване, освобождавайки възможно най-много място за полезния товар.
Оптималното решение е нова итерация на промишлени UPS, базирани на литиево-йонни батерии, които отдавна са се отървали от „детските болести“ под формата на опасност от пожар, неправилни алгоритми за зареждане и разреждане и са придобили маса защитни механизми.
С увеличаването на капацитета на изчислителното и мрежовото оборудване търсенето на UPS нараства. В същото време изискванията за живот на батерията се увеличават при проблеми с централизирано захранване и/или повреди при стартиране на резервен източник на захранване в случай на използване/наличие на дизел генератор.
Според нас има две основни причини:
- Бързо нарастване на обема на обработваната и предавана информация
Например, че
трябва да се запази и обработи. - Ръст в динамиката на потреблението на електрическа енергия. Въпреки общата тенденция за намаляване на потреблението на енергия от ИТ оборудване, намаляване на специфичното потребление на енергия на електронните компоненти.
Графика на потреблението на енергия само на един работещ център за данни
Същата тенденция демонстрират и прогнозите за пазара на ЦОД у нас.Според сайта, общият брой на пуснатите в експлоатация стелажни пространства е повече от 20 хил. „Броят на въведените в експлоатация стелажни пространства от 20-те най-големи доставчици на услуги за центрове за данни през 2017 г. се увеличи с 3% и достигна 22,4 хил. (данни към 1 октомври 2017 г. 2021 г.)” – се казва в доклада на CNews Analytics. Според консултантските агенции до 49 г. се очаква броят на стелажите да нарасне до XNUMX хиляди. Тоест за две години реалният капацитет на центъра за данни може да се удвои. С какво е свързано това? На първо място, с увеличаването на обема на информацията: както съхранявана, така и обработвана.
В допълнение към облаците, играчите смятат развитието на капацитета на центровете за данни в регионите за точки на растеж: те са единственият сегмент, в който има резерв за развитие на бизнеса. Според IKS-Consulting през 2016 г. регионите представляват 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 центрове за данни с висока степен на отказоустойчивост.
До 2025 г. общото количество данни в света се очаква да нарасне 10 пъти в сравнение с 2016 г.
И все пак, колко безопасен е литият за UPS на сървър или център за данни?
Недостатък: високата цена на литиево-йонните решения.
Цената на литиево-йонните батерии е все още висока в сравнение със стандартните решения. Според оценките на SE първоначалните разходи за UPS с висока мощност над 100 kVA за литиево-йонни решения ще бъдат 1,5 пъти по-високи, но в крайна сметка спестяванията от собствеността ще бъдат 30-50%. Ако направим сравнения с военно-промишления комплекс на други страни, тогава ето новината за изстрелването в с Li-Ion батерии. Доста често в такива решения се използват литиево-железни фосфатни батерии (LFP на снимката) поради тяхната относителна евтиност и по-голяма безопасност.
В статията се споменава, че 100 милиона долара са похарчени за нови батерии за подводницата, нека се опитаме да ги преобразуваме в други стойности...4,2 хиляди тона е подводната водоизместимост на японска подводница. Водоизместимост - 2,95 хиляди тона. По правило 20-25% от теглото на лодката се състои от батерии. Оттук вземаме приблизително 740 тона - оловни батерии. Освен това: масата на лития е приблизително 1/3 от тази на оловно-киселинните батерии -> 246 тона литий. При 70 kWh/kg за Li-Ion получаваме приблизително 17 MWh мощност на батерията. А разликата в масата на батериите е приблизително 495 тона... Тук не вземаме предвид , които изискват 14,5 тона сребро на подводница и струват 4 пъти повече от оловно-киселинните батерии. Напомням, че Li-Ion батериите сега са само 1,5-2 пъти по-скъпи от VRLA, в зависимост от мощността на решението.
Ами японците? Твърде късно се сетиха, че „облекчаването на лодката” със 700 тона води до промяна в нейните мореходни качества и устойчивост... Вероятно е трябвало да добавят оръжия на борда, за да върнат проектното разпределение на теглото на лодката.
Литиево-йонните батерии също тежат по-малко от оловно-киселинните батерии, така че дизайнът на подводницата от клас Soryu трябваше да бъде преработен донякъде, за да се поддържа баласт и стабилност.
В Япония са създадени и приведени в работно състояние два типа литиево-йонни батерии: литиево-никел-кобалт-алуминиев оксид (NCA), произведени от GS Yuasa и литиево-титанатни (LTO), произведени от Toshiba Corporation. Японският флот ще използва батерии на NCA, докато на Австралия бяха предложени батерии LTO за използване на подводници от клас Soryu в скорошен търг, според Кобаяши.
Познавайки благоговейното отношение към безопасността в Страната на изгряващото слънце, можем да предположим, че проблемите с безопасността на лития са решени, тествани и сертифицирани.
Риск: опасност от пожар.
Тук ще разберем целта на публикацията, тъй като има диаметрално противоположни мнения за безопасността на тези решения. Но всичко това е риторика, но какво да кажем за конкретни индустриални решения?
Вече обсъдихме проблеми със сигурността в нашия , но нека се спрем отново на този въпрос. Нека се обърнем към фигурата, която изследва нивото на защита на модула и клетката LMO/NMC на батерията, произведена от Samsung SDI и използвана като част от UPS на Schneider Electric.
Химическите процеси бяха обсъдени в статията на потребителя . Нека се опитаме да разберем възможните рискове в нашия конкретен случай и да ги сравним с многостепенна защита в Samsung SDI клетки, които са неразделна част от готов тип G Li-Ion шкаф като част от цялостно решение, базирано на Galaxy VM .
Нека започнем с обща блок-схема на рисковете и причините за пожар в литиево-йонна клетка.
Под спойлера можете да изучавате теоретичните въпроси на рисковете от пожар на литиево-йонните батерии и физиката на процеситеПървоначална блокова диаграма на рисковете и причините за пожар (Опасност за безопасността) на литиево-йонна клетка от 2018 година.
Тъй като в зависимост от химическата структура на литиево-йонната клетка има разлики в топлинните характеристики на клетката, тук ще се съсредоточим върху процеса, описан в статията в литиево-никел-кобалт-алуминиева клетка (базирана на LiNiCoAIO2) или НКО.
Процесът на развитие на авария в клетка може да бъде разделен на три етапа:
- етап 1 (начало). Нормална работа на клетката, когато градиентът на повишаване на температурата не надвишава 0,2 градуса по Целзий в минута, а самата температура на клетката не надвишава 130-200 градуса по Целзий, в зависимост от химическата структура на клетката;
- етап 2, загряване (ускорение). На този етап температурата се повишава, температурният градиент бързо се увеличава и топлинната енергия се освобождава активно. По принцип този процес е придружен от отделяне на газове. Прекомерното отделяне на газ трябва да се компенсира чрез работа на предпазния клапан;
- етап 3, термично бягане (Runaway). Загряване на батерията над 180-200 градуса. В този случай материалът на катода влиза в реакция на диспропорциониране и освобождава кислород. Това е нивото на термично изтичане, тъй като в този случай може да възникне смес от запалими газове с кислород, което ще предизвика спонтанно запалване. Този процес обаче в някои случаи може да бъде контролиран, да четем - при промяна на режима на външните фактори термичното бягане в някои случаи спира без фатални последици за околното пространство. Работоспособността и работата на самата литиева клетка след тези събития не се вземат предвид.
Температурата на топлинния изход зависи от размера на клетката, дизайна на клетката и материала. Температурата на топлинния изход може да варира от 130 до 200 градуса по Целзий. Времето за термично бягане може да варира и варира от минути, часове или дори дни...
Какво ще кажете за клетки от тип LMO/NMC в литиево-йонни UPS?
– За да се предотврати контакт на анода с електролита, се използва керамичен слой като част от клетката (SFL). Движението на литиевите йони се блокира при 130 градуса по Целзий.
– В допълнение към защитния вентилационен клапан се използва система за защита от Over Charge Device (OSD), която работи заедно с вътрешен предпазител и изключва повредената клетка, като предотвратява достигането на опасни нива на топлинния процес. Освен това вътрешната OSD система ще се задейства по-рано, когато налягането достигне 3,5 kgf/cm2, което е наполовина по-малко от налягането на реакция на предпазния клапан на клетката.
Между другото, предпазителят на клетката ще работи при токове над 2500 A за не повече от 2 секунди. Да приемем, че температурният градиент достигне показание от 10 градуса C/min. За 10 секунди клетката ще има време да добави около 1,7 градуса към температурата си в режим на овърклок.
– Трислоен сепаратор в клетката в режим на презареждане ще блокира преминаването на литиеви йони към анода на клетката. Температурата на блокиране е 250 градуса по Целзий.
Сега нека видим какво имаме с температурата на клетката; Нека сравним на какви етапи се задействат различни видове защити на ниво клетка.
— OSD система – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= външно налягане
Допълнителна защита срещу свръхток.
— предпазен клапан 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= външно налягане
- предпазител вътре в клетката 2 секунди при 2500A (режим на свръхток)
Рискът от термично бягство на клетка зависи пряко от степента/нивото на заряд на клетката, повече подробности тук...Нека разгледаме ефекта от нивото на зареждане на клетката в контекста на рисковете от термично бягане. Нека разгледаме таблицата на съответствието между температурата на клетката и параметъра SOC (състояние на заряд, степен на заряд на батерията).
Нивото на заряд на батерията се измерва като процент и показва каква част от общия заряд все още остава съхранен в батерията. В този случай разглеждаме режима на презареждане на батерията. Може да се заключи, че в зависимост от химията на литиевата клетка, батерията може да се държи различно при презареждане и да има различна чувствителност към термично изтичане. Това се дължи на различния специфичен капацитет (A*h/грам) на различните видове Li-Ion клетки. Колкото по-голям е специфичният капацитет на клетката, толкова по-бързо се отделя топлина по време на презареждане.
Освен това, при 100% SOC, външно късо съединение често причинява термично бягство на клетката. От друга страна, когато клетката е на 80% SOC, максималната топлинна температура на клетката се измества нагоре. Клетката става по-устойчива на извънредни условия.
И накрая, за 70% SOC външните къси съединения може изобщо да не причинят топлинно изтичане. Тоест, рискът от запалване на клетката е значително намален и най-вероятният сценарий е само работата на предпазния клапан на литиевата батерия.
В допълнение, от таблицата можем да заключим, че LFP (лилавата крива) на батерията обикновено има рязко покачване на температурата, т.е. етапът на „загряване“ плавно преминава в етап „топлинно бягане“ и стабилността на тази система за презареждане е малко по-лоша. LMO батериите, както виждаме, имат по-плавна характеристика на нагряване при презареждане.
ВАЖНО: Когато OSD системата се задейства, клетката се нулира в байпас. Така напрежението на стелажа се понижава, но той остава да работи и подава сигнал към системата за наблюдение на UPS чрез BMS системата на самия рак. В случай на класическа UPS система с VRLA батерии, късо съединение или прекъсване на една батерия в низ може да доведе до повреда на UPS като цяло и загуба на функционалност на IT оборудването.
Въз основа на горното, в случай на използване на литиеви решения в UPS, следните рискове остават уместни:
- Термично бягство на клетка или модул в резултат на външно късо съединение - няколко нива на защита.
- Термично изтичане на клетка или модул в резултат на вътрешна неизправност на батерията - няколко нива на защита на ниво клетка или модул.
- Overcharge – защита от BMS плюс всички нива на защита за шкаф, модул, клетка.
- Механичните повреди не са от значение за нашия случай, рискът от събитието е незначителен.
- Прегряване на шкафа и всички батерии (модули, клетки). Безкритичен до 70-90 градуса. Ако температурата в помещението за монтаж на UPS се повиши над тези стойности, това означава, че в сградата има пожар. При нормални работни условия на центъра за данни рискът от събитие е незначителен.
- Намален живот на батерията при повишени стайни температури - разрешена е продължителна работа при температури до 40 градуса без забележимо намаляване на живота на батерията. Оловните батерии са много чувствителни към всяко повишаване на температурата и намаляват оставащия си живот пропорционално на повишаването на температурата.
Нека да разгледаме блок-схема на риска от инциденти с литиево-йонни батерии в нашия център за данни, случай на използване на сървърна стая. Нека да опростим малко диаграмата, защото литиевите UPS ще работят в идеални условия, ако сравним условията на работа на батериите във вашата джаджа, телефон.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Специализираните литиеви батерии за UPS центрове за данни и сървърни помещения имат достатъчно ниво на защита срещу аварийни ситуации, а в цялостно решение голям брой степени на различна защита и повече от пет години опит в работата с тези решения ни позволяват да говорим за високо ниво на безопасност на новите технологии. Освен всичко друго, не трябва да забравяме, че работата на литиевите батерии в нашия сектор изглежда като „парникови“ условия за литиево-йонните технологии: за разлика от вашия смартфон в джоба ви, никой няма да изпусне батерията в центъра за данни, да прегрее, да се разреди всеки ден, активно използвайте в буферен режим.
За да научите повече и да обсъдите конкретно решение за литиево-йонна батерия за вашето сървърно помещение или център за данни, моля, изпратете заявка по имейл. или чрез заявка в сайта на компанията .
ОТВОРЕНИ ТЕХНОЛОГИИ – надеждни интегрирани решения от световни лидери, адаптирани специално към вашите цели и задачи.
Автор: Куликов Олег
Водещ инженер-конструктор
Отдел за интеграционни решения
Компания за отворени технологии
В анкетата могат да участват само регистрирани потребители. , Моля те.
Какво е мнението ви за безопасността и приложимостта на индустриалните решения, базирани на Li-Ion технологии?
-
16,2%Опасен, самозапалващ се, при никакви обстоятелства не бих го поставил в сървърната си стая.11
-
10,3%Не се интересувам от това, така че периодично сменяме класическите батерии и всичко е наред.7
-
16,2%Трябва да помислим дали може да е безопасно и обещаващо.11
-
23,5%Интересно, ще разгледам възможностите.16
-
13,2%Интересувам се! Инвестирайте веднъж - и не се страхувайте да претоварите целия център за данни поради повреда на една оловна батерия.9
-
20,6%Интересно! Предимствата далеч надхвърлят недостатъците и рисковете.14
68 потребители гласуваха. 25 потребители се въздържаха.
Източник: www.habr.com