Здравейте, приятели!
След публикуването на статията имаше много коментари относно опасността от Li-Ion решения за сървърни и ЦОД. Затова днес ще опитаме да разберем разликите между индустриалните решения на литий за UPS и батерията в вашето устройство, как се различават условията на експлоатация на батериите в сървърната стая, защо в телефона Li-Ion батерията обслужва не повече от 2-3 години, а в ЦОД това число ще нарасне до 10 и повече години. Защо рисковете от възпламеняване на лития в ЦОД/сървърна стая са минимални.
Да, аварии с батерии на UPS са възможни независимо от типа на енергийните хранилища, но митовете за «пожарна опасност» на индустриалните решения на литий не отговарят на действителността.
В много хора видяха това с литиева батерия в движеща се кола? И така, нека погледнем, разберем и сравним...
Тук виждаме типичен случай на неконтролиран самонагрявай, термично разгонване на батерията на телефона, довело до инцидента. Ще кажете: ЕТО! Това е само телефон, в сървърна стая такова нещо може да сложи само луд!
Уверен съм, че след като проучи този материал, читателят ще промени своето мнение по този въпрос.
Настоящата ситуация на пазара на ЦОД
Никой не знае, че строителството на ЦОД е дългосрочна капиталова инвестиция. Цената само на инженерното оборудване може да съставлява 50% от стойността на всички капиталови разходи. Хоризонтът на възвращаемост е около 10-15 години. Естествено, възниква желание да се намалят всички разходи за притежание през целия жизнен цикъл на ЦОД, а междувременно и да се уплътни инженерното оборудване, освобождавайки максимално площите за полезно натоварване.
Оптималното решение са индустриалните UPS нова итерация на базата на Li-Ion батерии, които отдавна са се избавили от «детските болести» като пожарна опасност, некоректни алгоритми за презареждане-разред, и са се обогатили с множество защитни механизми.
С нарастващото търсене на мощни компютърни и мрежови оборудвания, нараства и нуждата от UPS. В същото време, изискванията за времето на автономна работа от акумулаторни батерии в случай на проблеми с централизираното електропостачане и/или при неуспешно стартиране на резервния източник на захранване при наличие на ГСУ, също нараства.
Според нас, основните причини тук са две:
- Стремителният ръст на обемите от обработвана и предавана информация
Например, , която
трябва да бъде запазена и обработена. - Нарастваща потребност от електрическа енергия. Въпреки общия тренд за намаляване на енергопотреблението на ИТ оборудването, съществува намаляване на специфичното потребление на енергия от електронните компоненти.
График на енергопотреблението на един действащ ЦОД
Тази тенденция се наблюдава и в прогнозите за пазара на ЦОД в нашата странаСпоред сайта, общият брой на въведените в експлоатация стоечни места е над 20 хил. "Броят на въведените в експлоатация стоечни места при 20-те най-големи доставчици на услуги ЦОД през 2017 година е нараснал с 3% и е достигнал 22,4 хиляди (данни към 1 октомври 2017 година)", – се казва в доклад на CNews Analytics. Според оценките на консултантските агенции, до 2021 година се прогнозира увеличение на стоечните места до 49 хиляди. Тоест, в рамките на две години реалният капацитет на ЦОД може да се удвои. С какво е свързано това? Първо, с нарастващия обем на информация: както съхранявана, така и обработвана.
Съвсем освен облаците, играчите определят развитието на ЦОД мощности в регионите като точки на растеж: те са единственият сегмент, в който се запазва потенциал за развитие на бизнеса. Според 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 се запазва дефицит на ресурси на дата центрове с висока степен на отказоустойчивост.
До 2025 година, според прогнозите, общият обем на данните в света ще се увеличи 10 пъти в сравнение с 2016 година.
Все пак, колко безопасен е литият за UPS на сървърите или ЦОД?
Недостатък: високата цена на решенията с Li-Ion.
Цената на литиево-йонните акумулаторни батерии все още остава висока в сравнение с традиционните решения. Според оценките на компания SE началните разходи за мощни UPS над 100 кВА за решения с Li-Ion ще бъдат по-високи с 1.5 пъти, но в крайна сметка спестяването от притежание ще бъде 30-50%. Ако направим сравнения с военно-промишления комплекс на други страни, ето новината за пускането в с Li-Ion батерии. Често при подобни решения се използват литиево-железо-фосфатни батерии (на снимката - LFP) поради относителната им евтиност и по-висока безопасност.
В статията се споменава, че за новите батерии на подводницата са похарчени 100 млн. долара, нека опитаме да преобразуваме в други величини…4,2 хиляди тона подводно водоизместване на японската подводница. Надводното водоизместване е 2,95 хиляди тона. Обикновено 20-25% от масата на лодката се състои от акумулатори. Оттук взимаме приблизително 740 тона - оловно-киселинни акумулатори. След това: масата на лития е около 1/3 от оловно-киселинните батерии -> 246 тона литий. При 70 кВт*ч/кг за Li-Ion получаваме приблизително 17 МВт*ч мощност на батерийната система. И разликата в масата на батериите е около 495 тона… Тук не взимаме предвид , при които за една подводница са необходими 14,5 тона сребро, а по цена те надвишават оловно-киселинните батерии 4 пъти. Припомням, 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 прекалено късно си спомниха, че "облекчаването на лодката" с 700 тона води до промяна на мореходността й, остойчивостта… Вероятно им се е наложило да добавят оръжия на борда, за да върнат проектните стойности на разпределението на тежестта на лодката.
Литиево-йонните батерии също тежат по-малко от оловно-киселинните акумулатори, затова проектът на подводница от тип Soryu трябваше да бъде преработен, за да се запази баластировката и остойчивостта.
В Японии са създадени и доведени до експлоатационно състояние два типа литиево-йонни акумулаторни батерии: литий-никел-кобалтово-алуминиев оксид (NCA), произведен от компанията GS Yuasa, и литий-титанат (LTO), произведен от корпорацията Toshiba. Японският флот ще използва батерии от тип NCA, като, според Кобаяси, батерии от тип LTO са предложени за използване на подводници от тип Soryu в неотдавнашен търг в Австралия.
Знаейки каква е важността на безопасността в страната на Изгряващото слънце, може да се предположи, че въпросите на безопасността на лития са решени, тествани и сертифицирани.
Риск: пожароопасност.
Тук ще разгледаме целта на публикацията, тъй като мненията за безопасността на тези решения са диаметрално противоположни. Но това е всичко лирика, а какво имаме с конкретните индустриални решения?
Въпросите на безопасността вече разгледахме в нашата , но отново ще се спрем на този въпрос. Нека погледнем схемата, където разглеждахме нивото на защита на модула и елементите на LMO/NMC акумулатора, произведен от Samsung SDI, и използван в UPS от Schneider Electric.
Химичните процеси бяха разгледани в статията на потребителя . Нека се опитаме да разберем възможните рискове в нашия конкретен случай и да ги съпоставим с многостепенната защита в елементите на Samsung SDI, които са част от готовата Li-Ion стойка тип G в рамките на комплексно решение на базата на Galaxy VM.
Да започнем от общия случай на блок-схемата на рисковете и причините за запалване на литиево-йонния елемент.
Под спойлера може да изучите теоретичните въпроси за рисковете от запалване на литиево-йонните акумулатори и физиката на процесите.Изходната блок-схема на рисковете и причините за запалване (Safety Hazard) на литиево-йонния елемент от от 2018 година.
Тъй като в зависимост от химичната структура на литиево-йонния елемент има разлики в характеристиките на термичното разрастване на елемента, тук ще се спрем на процеса, изложен в статията, при литий-никел-кобалтово-алуминиевия елемент (на базата на LiNiCoAIO2) или NCA.
Процесът на развитие на аварията в елемента може да бъде разделен на три стадии:
- 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, нагряване (Acceleration). На този етап температурата се повишава, градиентът на растеж на температурата бързо се увеличава, настъпва активно освобождаване на топлинна енергия. Обикновено този процес е съпроводен с отделяне на газове. Излишното освобождаване на газове трябва да бъде компенсирано с активирането на предпазния клапан;
- етап 3, термично ускорение (Runaway). Нагряване на батерията над 180-200 градуса. При това материалът на катода влиза в реакция на диспропорциониране и отделя кислород. Това е нивото на термичното ускорение, тъй като в този случай може да възникне смес от запалими газове с кислорода, което може да доведе до самовозгорание. Въпреки това този процес в някои случаи може да бъде контролируем, т.е. при промяна на режима на външните фактори термичното ускорение в редица случаи спира без фатални последици за околната среда. Надеждността и работоспособността на самата литиева клетка след тези събития не се разглеждат.
Температурата на термичното ускорение зависи от размера на клетката, конструкцията на клетката и материала. Температурата на термичното ускорение може да варира от 130 до 200 градуса целзий. Времето за термично ускорение може да бъде различно и да варира от минути до часове или дори дни...
А какво ни чакат с клетките типа LMO/NMC в литиево-йонните UPS?
– За предотвратяване на контакт между анода и електролита се използва керамичен слой в състава на клетката (SFL). Блокирането на движението на литиеви йони настъпва при 130 °C.
– В допълнение към защитния вентилационен клапан, се прилага система за защита от презареждане (Over Charge Device, OSD), която работи в комплект с вътрешен предпазител и изключва повредената клетка, предотвратявайки довеждането на процеса на термично ускорение до опасни стойности. При това активацията на вътрешната система OSD ще настъпи по-рано, при достигане на налягане от 3,5 кгс/cm², тоест наполовина по-малко от налягането на задействане на защитния клапан на клетката.
Да да, предпазителят на клетката ще сработи при токове над 2500 А за време не повече от 2 секунди. Нека предположим, че градиентът на температурата е достигнал стойност от 10 °C/мин. За 10 секунди клетката ще успее да добави около 1,7 градуса към температурата си в режим на ускорение.
– Тръслоевият сепаратор в клетката в режим на презареждане ще осигури блокиране на преминаването на литиеви йони към анода на клетката. Температурата на блокиране е 250 °C.
Сега да видим какво става с температурата на клетката; ще сравним на кои етапи се задействат различните видове защити на ниво клетка.
— система OSD – 3,5+-0,1 кгс/см2 <= външно налягане
Допълнителна защита от свръхтокове.
— защитен клапан 7,0+-1,0 кгс/см2 <= външно налягане
— предпазител в клетката 2 секунди при 2500A (режим на свръхтокове)
Рискът от термично ускорение на клетката пряко зависи от степента/ниво на заряда на клетката, повече тук…Нека разгледаме ефекта от нивото на заряда на клетката в контекста на рисковете от термично ускорение. Нека видим таблицата за съответствието на температурата на клетката спрямо параметъра SOC (State of Charge, степен на заряда на батерията).
Степента на заряда на батерията се измерва в проценти и показва каква част от пълното заряда все още остава в батерията. В този случай разглеждаме режима на презареждане на батерията. 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 ускорение. Това се дължи на различната специфик за капацитет (А*ч/грам) на различните типове Li-Ion клетки. Колкото по-висока е специфичната вместимост на клетката, толкова по-ускорено ще бъде топлинното отделяне при презареждане.
Освен това, при 100% SOC външно късо съединение често води до термично ускорение на клетката. От друга страна, когато клетката има ниво на заряда 80% SOC, максималната температура за начало на термичното ускорение на клетката се измества нагоре. Клетката става по-устойчива на аварийни режими.
И, накрая, при 70% SOC външните къси съединения изобщо не могат да бъдат причина за термично ускорение. Тоест, рискът от запалване на клетката значително намалява, а най-вероятният сценарий е само сработването на предпазния клапан на литиевата батерия.
Освен това, от таблицата може да се направи извода, че LFP (лилавата крива) батериите обикновено имат стръмен наклон на покачване на температурата, тоест, стадия „нагряване“ плавно преминава в стадия „термично разгонване“, а устойчивостта на тази система към презареждане е леко по-лоша. Батериите от тип LMO, както виждаме, имат по-гладка характеристика на нагряване при презареждане.
ВАЖНО: при задействане на системата OSD се извършва нулиране на клетката на байпас. По този начин се намалява напрежението на стелажа, но той остава в работа и предава сигнал към системата за мониторинг на ИБП чрез системата BMS на самия стелаж. В случай на класическа система ИБП с VRLA батерии, късо съединение или разкъсване вътре в една АБК в стринга може да доведе до отказ на ИБП като цяло и загуба на функционалността на ИТ оборудването.
С оглед на изложеното по-горе, за случая на използване на литиеви решения в ИБП остават актуални рисковете:
- Термично разгонване на клетката, модула в резултат на външно късо съединение – няколко нива на защита.
- Термично разгонване на клетката, модула в резултат на вътрешна неизправност на батерията – няколко нива на защита на ниво клетка, модул.
- Презареждане – защита със средства на BMS плюс всички нива на защита на стелажа, модула, клетката.
- Механично увреждане – неактуално за нашия случай, рискът от събитие е незначителен.
- Прегряване на стелажа и всички батерии (модули, клетки). Некритично до 70-90 градуса. Ако температурата в помещението на инсталацията на ИБП се повиши над тези стойности – значи, това вече е пожар в сградата. При нормални режим на работа на ЦОД рискът от събитие е пренебрежим.
- Намаляване на ресурса на батериите при повишени температури в помещението – допуска се продължителна работа при температура до 40 градуса без осезаемо намаляване на ресурса на батериите. Оловните батерии са много чувствителни към всяко повишаване на температурата и намаляват остатъчния си ресурс пропорционално на увеличението на температурата.
Нека да погледнем схемата на рисковете от аварии с литий-йонни батерии в нашия случай на използване в ЦОД, сървърна стая. Нека малко опростим схемата, тъй като литиевите ИБП ще се експлоатират в идеални условия, в сравнение с условията на работа на батерии в вашето устройство, телефон.
ИЗВОД: Специализирани литиеви батерии за UPS в ЦОД и сървърни помещения предлагат достатъчно ниво на защита от извънредни ситуации. В комплексните решения многобройните степени на разнообразна защита и повече от петгодишния опит с тези решения позволяват да се говори за високото ниво на безопасност на новите технологии. Освен всичко друго, не бива да забравяме, че експлотацията на литиевите АКА в нашия сектор изглежда като "оградени" условия за Li-Ion технологиите: за разлика от вашия смартфон в джоба, батерията в ЦОД никой не ще изпусне, нагрява, разрежда всеки ден или активно използва в буферен режим.
Научете подробности и обсъдете конкретно решение с използване на литиево-йонни батерии за вашата сървърна или ЦОД, като изпратите запитване на електронната поща , или като направите запитване на сайта на компанията .
ОТКРИТИ ТЕХНОЛОГИИ – надеждни комплексни решения от световни лидери, адаптирани именно за вашите цели и задачите.
Автор: Куликов Олег
Водещ инженер конструктор
Департамент по интеграционни решения
Компания Откритите Технологии
Само регистрирани потребители могат да участват в анкетата. , моля.
Вашето мнение относно безопасността и приложимостта на индустриални решения с Li-Ion технологии?
16,2%Опасно, самозапалва се, никога не бих го сложил в сървърната.11
10,3%Не ме интересува, и така редовно сменяме класическите батерии и всичко е наред.7
16,2%Трябва да помисля, може би е безопасно и перспективно.11
23,5%Интересно, ще разгледам възможностите.16
13,2%Интересува ме! Да вложа веднъж – и да не се страхувам от отказ на цял ЦОД заради една оловна батерия.9
20,6%Интересно! Предимствата са много повече от недостатъците и рисковете.14
Гласували 68 потребители. Въздържали се 25 потребители.
Източник: habr.com
