Hola amics!
Després de la publicació de l'article Hi ha hagut molts comentaris sobre els perills de les solucions Li-Ion per a servidors i centres de dades. Per tant, avui intentarem esbrinar quines són les diferències entre les solucions de liti industrial per a un SAI i la bateria del vostre gadget, com es diferencien les condicions de funcionament de les bateries en una sala de servidors, per què en un telèfon de ions de liti la bateria no dura més de 2-3 anys, i en un centre de dades aquesta xifra augmentarà a 10 anys o més. Per què els riscos d'incendi de liti en un centre de dades/sala de servidors són mínims.
Sí, els accidents amb bateries de SAI són possibles independentment del tipus de dispositiu d'emmagatzematge d'energia, però el mite del "risc d'incendi" de les solucions industrials de liti no és cert.
Al cap i a la fi, molts ho han vist amb una bateria de liti en un cotxe que es mou per l'autopista? Així doncs, a veure, esbrinar-ho, comparar...
Aquí veiem un cas típic d'autoescalfament incontrolat, fuga tèrmica de la bateria del telèfon, que va provocar aquest incident. Diràs: AQUÍ! Només és un telèfon, només un boig posaria una cosa així a la sala de servidors!
Estic segur que després d'estudiar aquest material, el lector canviarà de punt de vista sobre aquest tema.
Situació actual del mercat de centres de dades
No és cap secret que construir un centre de dades és una inversió a llarg termini. Només el preu dels equips d'enginyeria pot ser el 50% del cost de tots els costos de capital. L'horitzó de recuperació és d'aproximadament 10-15 anys. Naturalment, hi ha un desig de reduir el cost total de propietat al llarg de tot el cicle de vida del centre de dades i, al mateix temps, també compacte equips d'enginyeria, alliberant el màxim d'espai possible per a la càrrega útil.
La solució òptima és una nova iteració de SAI industrials basats en bateries d'ions de liti, que fa temps que s'han desfet de "malalties infantils" en forma de perills d'incendi, algorismes de càrrega-descàrrega incorrectes i han adquirit una gran quantitat de mecanismes de protecció.
Amb l'augment de la capacitat dels equips informàtics i de xarxa, la demanda de SAI està creixent. Paral·lelament, els requisits de durada de la bateria augmenten en cas de problemes amb l'alimentació centralitzada i/o avaries en iniciar una font d'alimentació de reserva en el cas de l'ús/disponibilitat d'un grup electrògen dièsel.
Segons la nostra opinió, hi ha dos motius principals:
- Creixement ràpid del volum d'informació processada i transmesa
Per exemple, , quin
cal desar i processar. - Creixement de la dinàmica del consum d'energia elèctrica. Malgrat la tendència general de reduir el consum d'energia dels equips informàtics, reduint el consum energètic específic dels components electrònics.
Gràfic de consum d'energia d'un sol centre de dades en funcionament
La mateixa tendència es demostra amb les previsions del mercat dels centres de dades al nostre país.Segons el lloc, el nombre total d'espais de bastidor posats en funcionament és de més de 20. "El nombre d'espais de bastidor posats en funcionament pels 20 proveïdors de serveis de centres de dades més grans el 2017 va augmentar un 3% i va arribar als 22,4 (dades a l'1 d'octubre, 2017)," - diu l'informe CNews Analytics. Segons les agències de consultoria, el 2021 s'espera que el nombre d'espais de bastidor augmenti fins a 49 mil. És a dir, en dos anys la capacitat real del centre de dades es pot duplicar. Amb què està connectat això? En primer lloc, amb l'augment del volum d'informació: tant emmagatzemada com processada.
A més dels núvols, els jugadors consideren que el desenvolupament de les capacitats dels centres de dades a les regions són punts de creixement: són l'únic segment on hi ha una reserva per al desenvolupament empresarial. Segons IKS-Consulting, el 2016, les regions només representaven el 10% de tots els recursos oferts al mercat, mentre que la capital i la regió de Moscou ocupaven el 73% del mercat, i Sant Petersburg i la regió de Leningrad - el 17%. A les regions, continua existint una escassetat de recursos del centre de dades amb un alt grau de tolerància a errors.
Per al 2025, es preveu que la quantitat total de dades al món augmenti 10 vegades en comparació amb el 2016.
Tot i així, quina seguretat és el liti per a un SAI de servidor o centre de dades?
Desavantatge: alt cost de les solucions Li-Ion.
El preu de les bateries d'ions de liti encara és elevat en comparació amb les solucions estàndard. Segons les estimacions de SE, els costos inicials dels SAI d'alta potència de més de 100 kVA per a solucions d'ió liti seran 1,5 vegades més alts, però finalment l'estalvi en propietat serà del 30-50%. Si fem comparacions amb el complex militar-industrial d'altres països, aquí teniu la notícia sobre el llançament a amb bateries Li-Ion. Molt sovint, les bateries de fosfat de ferro de liti (LFP a la foto) s'utilitzen en aquestes solucions a causa de la seva relativa barata i major seguretat.
L'article esmenta que es van gastar 100 milions de dòlars en noves bateries per al submarí, intentem convertir-ho en altres valors...4,2 mil tones és el desplaçament submarí d'un submarí japonès. Desplaçament superficial - 2,95 mil tones. Per regla general, el 20-25% del pes del vaixell està format per bateries. D'aquí traiem aproximadament 740 tones - bateries de plom-àcid. A més: la massa de liti és aproximadament 1/3 de la de les bateries de plom-àcid -> 246 tones de liti. A 70 kWh/kg per a ions de liti obtenim aproximadament 17 MWh de potència de la bateria. I la diferència de massa de bateries és d'aproximadament 495 tones... Aquí no ho tenim en compte , que requereixen 14,5 tones de plata per submarí, i costen 4 vegades més que les bateries de plom-àcid. Permeteu-me que us recordi que les bateries d'ió de liti són ara només 1,5-2 vegades més cares que VRLA, depenent de la potència de la solució.
Què passa amb els japonesos? Van recordar massa tard que “alleugerir l'embarcació” en 700 tones comporta un canvi en la seva navegabilitat i estabilitat... Probablement havien d'afegir armes a bord per tal de retornar la distribució de pes de disseny de l'embarcació.
Les bateries d'ions de liti també pesen menys que les bateries de plom-àcid, de manera que el disseny del submarí de la classe Soryu va haver de ser redissenyat una mica per mantenir el llast i l'estabilitat.
Al Japó, s'han creat i posat en funcionament dos tipus de bateries d'ions de liti: liti-níquel-cobalt-òxid d'alumini (NCA) produït per GS Yuasa i titanat de liti (LTO) produït per Toshiba Corporation. L'armada japonesa utilitzarà bateries NCA, mentre que a Austràlia se li va oferir bateries LTO per al seu ús en submarins de la classe Soryu en una licitació recent, segons Kobayashi.
Coneixent l'actitud reverent cap a la seguretat a la Terra del Sol Naixent, podem suposar que els problemes de seguretat del liti s'han resolt, provat i certificat.
Risc: perill d'incendi.
Aquí és on esbrinarem el propòsit de la publicació, ja que hi ha opinions diametralment oposades sobre la seguretat d'aquestes solucions. Però tot això és retòrica, però què passa amb les solucions industrials específiques?
Ja hem parlat de qüestions de seguretat al nostre , però tornem a detenir-nos en aquest tema. Passem a la figura, que examinava el nivell de protecció del mòdul i de la cèl·lula LMO/NMC de la bateria fabricada per Samsung SDI i utilitzada com a part del SAI de Schneider Electric.
Els processos químics es van discutir a l'article de l'usuari . Intentem entendre els possibles riscos en el nostre cas particular i els comparem amb la protecció multinivell de les cèl·lules SDI de Samsung, que formen part integral d'un bastidor d'ions de liti tipus G preparat com a part d'una solució integral basada en Galaxy VM. .
Comencem amb un diagrama de flux general dels riscos i causes d'incendi en una cèl·lula d'ions de liti.
Sota el spoiler podeu estudiar els problemes teòrics dels riscos d'incendi de les bateries d'ions de liti i la física dels processosDiagrama de blocs inicial dels riscos i causes d'incendi (Perill de seguretat) d'una cèl·lula d'ions de liti de 2018 anys.
Atès que depenent de l'estructura química de la cèl·lula d'ions de liti hi ha diferències en les característiques de fuga tèrmica de la cèl·lula, aquí ens centrarem en el procés descrit a l'article en una cèl·lula de liti-níquel-cobalt-alumini (basada en LiNiCoAIO2) o NCA.
El procés de desenvolupament d'un accident en una cèl·lula es pot dividir en tres etapes:
- etapa 1 (inici). El funcionament normal de la cèl·lula quan el gradient d'augment de temperatura no supera els 0,2 graus centígrads per minut i la temperatura de la cèl·lula en si no supera els 130-200 graus centígrads, depenent de l'estructura química de la cèl·lula;
- etapa 2, escalfament (acceleració). En aquesta etapa, la temperatura augmenta, el gradient de temperatura augmenta ràpidament i l'energia tèrmica s'allibera activament. En general, aquest procés va acompanyat de l'alliberament de gasos. El despreniment de gas excessiu s'ha de compensar amb el funcionament de la vàlvula de seguretat;
- etapa 3, fuga tèrmica (Runaway). Escalfament de la bateria a més de 180-200 graus. En aquest cas, el material del càtode entra en una reacció de desproporció i allibera oxigen. Aquest és el nivell de fuga tèrmica, ja que en aquest cas es pot produir una barreja de gasos inflamables amb oxigen, que provocarà una combustió espontània. No obstant això, aquest procés en alguns casos es pot controlar, llegiu: quan el règim dels factors externs canvia, la fuga tèrmica en alguns casos s'atura sense conseqüències fatals per a l'espai circumdant. No es considera la capacitat de servei i el rendiment de la pròpia cèl·lula de liti després d'aquests esdeveniments.
La temperatura de fuga tèrmica depèn de la mida de la cel·la, el disseny de la cel·la i el material. La temperatura de fuga tèrmica pot variar entre 130 i 200 graus centígrads. El temps de fuga tèrmica pot variar i variar des de minuts, hores o fins i tot dies...
Què passa amb les cèl·lules de tipus LMO/NMC en els SAI d'ions de liti?
– Per evitar el contacte de l'ànode amb l'electròlit, s'utilitza una capa ceràmica com a part de la cèl·lula (SFL). El moviment dels ions de liti està bloquejat a 130 graus centígrads.
– A més de la vàlvula de ventilació protectora, s'utilitza un sistema de protecció del dispositiu de sobrecàrrega (OSD), que funciona conjuntament amb un fusible intern i apaga la cel·la danyada, evitant que el procés de fuga tèrmica assoleixi nivells perillosos. A més, el sistema OSD intern s'activarà abans, quan la pressió arribi a 3,5 kgf/cm2, és a dir, la meitat menys que la pressió de resposta de la vàlvula de seguretat de la cèl·lula.
Per cert, el fusible de la cel·la funcionarà a corrents superiors a 2500 A en no més de 2 segons. Suposem que el gradient de temperatura arriba a una lectura de 10 graus C/min. En 10 segons, la cèl·lula tindrà temps per afegir uns 1,7 graus a la seva temperatura mentre està en mode d'overclocking.
– Un separador de tres capes a la cèl·lula en mode de recàrrega bloquejarà la transició dels ions de liti a l'ànode de la cèl·lula. La temperatura de bloqueig és de 250 graus centígrads.
Ara anem a veure què tenim amb la temperatura cel·lular; Comparem en quines etapes es desencadenen diferents tipus de proteccions a nivell cel·lular.
— Sistema OSD – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= pressió externa
Protecció addicional contra sobreintensitats.
— vàlvula de seguretat 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= pressió externa
- fusible dins de la cèl·lula 2 segons a 2500A (mode sobre corrent)
El risc de fuga tèrmica d'una cèl·lula depèn directament del grau/nivell de càrrega de la cèl·lula, més detalls aquí...Considerem l'efecte del nivell de càrrega de la cèl·lula en el context dels riscos de fugida tèrmica. Considerem la taula de correspondència entre la temperatura de la cel·la i el paràmetre SOC (Estat de càrrega, grau de càrrega de la bateria).
El nivell de càrrega de la bateria es mesura com a percentatge i mostra quant de la càrrega total encara queda emmagatzemada a la bateria. En aquest cas, estem considerant el mode de recàrrega de la bateria. Es pot concloure que, depenent de la química de la cèl·lula de liti, la bateria pot comportar-se de manera diferent quan es sobrecarrega i tenir una susceptibilitat diferent a la fugida tèrmica. Això es deu a la diferent capacitat específica (A*h/gram) dels diferents tipus de cèl·lules d'ions de liti. Com més gran sigui la capacitat específica de la cèl·lula, més ràpid serà l'alliberament de calor durant la recàrrega.
A més, al 100% de SOC, un curtcircuit extern sovint provoca una fuga tèrmica de la cèl·lula. D'altra banda, quan la cèl·lula està al 80% de SOC, la temperatura màxima de fuga tèrmica de la cèl·lula es desplaça cap amunt. La cèl·lula es torna més resistent a les condicions d'emergència.
Finalment, per al 70% de SOC, és possible que els curtcircuits externs no provoquin una fuga tèrmica en absolut. És a dir, el risc d'encesa de la cel·la es redueix significativament i l'escenari més probable és només el funcionament de la vàlvula de seguretat de la bateria de liti.
A més, a partir de la taula podem concloure que la LFP (corba porpra) d'una bateria sol tenir un fort augment de la temperatura, és a dir, l'etapa d'"escalfament" passa sense problemes a l'etapa de "fuga tèrmica" i l'estabilitat de aquest sistema de sobrecàrrega és una mica pitjor. Les bateries LMO, com veiem, tenen una característica de calefacció més suau quan es recarreguen.
IMPORTANT: Quan s'activa el sistema OSD, la cel·la es restableix per bypass. Així, la tensió al bastidor es redueix, però roman en funcionament i proporciona un senyal al sistema de monitorització del SAI a través del sistema BMS del propi bastidor. En el cas d'un sistema SAI clàssic amb bateries VRLA, un curtcircuit o una ruptura dins d'una bateria d'una cadena pot provocar una fallada del SAI en el seu conjunt i la pèrdua de la funcionalitat dels equips informàtics.
En base a l'anterior, per al cas d'utilitzar solucions de liti en SAI, els riscos següents segueixen sent rellevants:
- Embalatge tèrmic d'una cèl·lula o mòdul com a resultat d'un curtcircuit extern: diversos nivells de protecció.
- Embalatge tèrmic d'una cèl·lula o mòdul com a resultat d'un mal funcionament de la bateria interna: diversos nivells de protecció a nivell de cèl·lula o mòdul.
- Sobrecàrrega: protecció per BMS més tots els nivells de protecció per a un bastidor, mòdul, cèl·lula.
- Els danys mecànics no són rellevants per al nostre cas, el risc de l'esdeveniment és insignificant.
- Sobreescalfament del bastidor i de totes les bateries (mòduls, cèl·lules). Acrític fins a 70-90 graus. Si la temperatura a la sala d'instal·lació del SAI supera aquests valors, vol dir que hi ha un incendi a l'edifici. En condicions normals de funcionament del centre de dades, el risc d'un esdeveniment és insignificant.
- Durada de la bateria reduïda a temperatures ambient elevades: es permet un funcionament a llarg termini a temperatures de fins a 40 graus sense una disminució notable de la durada de la bateria. Les bateries de plom són molt sensibles a qualsevol augment de temperatura i redueixen la seva vida útil en proporció a l'augment de temperatura.
Fem una ullada a un diagrama de flux del risc d'accidents amb bateries d'ions de liti al nostre centre de dades, cas d'ús de la sala de servidors. Simplificam una mica el diagrama, perquè els SAI de liti funcionaran en condicions ideals, si comparem les condicions de funcionament de les bateries del vostre gadget, telèfon.
CONCLUSIÓ: Les bateries de liti especialitzades per als SAI de centres de dades i sales de servidors tenen un nivell de protecció suficient davant situacions d'emergència, i en una solució integral, un gran nombre de graus de protecció variada i més de cinc anys d'experiència en el funcionament d'aquestes solucions ens permeten parlar de un alt nivell de seguretat de les noves tecnologies. Entre altres coses, no hem d'oblidar que el funcionament de les bateries de liti al nostre sector sembla condicions d'"hivernacle" per a les tecnologies Li-Ion: a diferència del vostre telèfon intel·ligent a la butxaca, ningú deixarà caure la bateria al centre de dades, sobreescalfar, descàrrega. cada dia, utilitzeu-lo activament en mode buffer.
Per obtenir més informació i parlar d'una solució específica de bateria d'ions de liti per a la vostra sala de servidors o centre de dades, envieu una sol·licitud per correu electrònic. o fent una sol·licitud al lloc web de l'empresa .
TECNOLOGIES OBERTES – solucions integrades fiables de líders mundials, adaptades específicament als vostres objectius i objectius.
autor: Kulikov Oleg
Enginyer de disseny principal
Departament de Solucions d'Integració
Empresa de tecnologies obertes
Només els usuaris registrats poden participar en l'enquesta. si us plau.
Quina és la teva opinió sobre la seguretat i aplicabilitat de les solucions industrials basades en tecnologies Li-Ion?
-
16,2%Perillós, s'encén per si mateix, en cap cas el posaria a la meva sala de servidors.11
-
10,3%Això no m'interessa, així que canviem periòdicament les piles clàssiques i tot està bé.7
-
16,2%Hem de pensar si pot ser segur i prometedor.11
-
23,5%Interessant, miraré les possibilitats.16
-
13,2%Interessat! Invertiu una vegada i no tingueu por d'aclaparar tot el centre de dades a causa de la fallada d'una bateria de plom.9
-
20,6%Interessant! Els avantatges superen amb escreix els inconvenients i els riscos.14
Han votat 68 usuaris. 25 usuaris es van abstenir.
Font: www.habr.com