Hej venner!
Efter udgivelsen af artiklen Der har været mange kommentarer om farerne ved Li-Ion-løsninger til server- og datacentre. Derfor vil vi i dag forsøge at finde ud af, hvad forskellene er mellem industrielle lithiumløsninger til en UPS og batteriet i din gadget, hvordan driftsforholdene for batterier i et serverrum adskiller sig, hvorfor i en Li-Ion telefon holder batteriet ikke mere end 2-3 år, og i et datacenter vil dette tal stige til 10 eller flere år. Hvorfor risikoen for lithiumbrand i et datacenter/serverrum er minimal.
Ja, ulykker med UPS-batterier er mulige uanset typen af energilagringsenhed, men myten om "brandfaren" ved industrielle lithiumløsninger er ikke sand.
Det har mange trods alt set med et lithiumbatteri i en bil, der kører på motorvejen? Så lad os se, finde ud af det, sammenligne...
Her ser vi et typisk tilfælde af ukontrolleret selvopvarmning, termisk løb af telefonens batteri, som førte til en sådan hændelse. Du vil sige: HER! Det er bare en telefon, kun en skør person ville sætte sådan noget i serverrummet!
Jeg er sikker på, at efter at have studeret dette materiale, vil læseren ændre sit synspunkt på dette spørgsmål.
Nuværende situation på datacentermarkedet
Det er ingen hemmelighed, at det er en langsigtet investering at bygge et datacenter. Prisen på ingeniørudstyr alene kan være 50 % af prisen på alle kapitalomkostninger. Tilbagebetalingshorisonten er cirka 10-15 år. Der er naturligvis et ønske om at reducere de samlede ejeromkostninger gennem hele datacentrets livscyklus, og samtidig også kompakt ingeniørudstyr, der frigør så meget plads som muligt til nyttelasten.
Den optimale løsning er en ny iteration af industriel UPS baseret på Li-Ion-batterier, som for længst er sluppet af med "børnesygdomme" i form af brandfare, forkerte opladnings-afladningsalgoritmer og har fået en masse beskyttelsesmekanismer.
Med stigningen i kapaciteten af computer- og netværksudstyr vokser efterspørgslen efter UPS. Samtidig øges kravene til batterilevetid ved problemer med centraliseret strømforsyning og/eller fejl ved start af reservestrømkilde ved brug/tilgængelighed af et dieselgeneratorsæt.
Efter vores mening er der to hovedårsager:
- Hurtig vækst i mængden af bearbejdet og transmitteret information
For eksempel, , hvilken
skal gemmes og behandles. - Vækst i dynamikken i elektrisk energiforbrug. På trods af den generelle tendens til at reducere energiforbruget af IT-udstyr, reducere det specifikke energiforbrug af elektroniske komponenter.
Energiforbrugsgraf for kun ét driftsdatacenter
Den samme tendens demonstreres af datacentermarkedsprognoser i vores land.Ifølge webstedet, er det samlede antal rackpladser sat i drift mere end 20 tusind. "Antallet af rackpladser sat i drift af de 20 største datacenterudbydere i 2017 steg med 3% og nåede 22,4 tusinde (data pr. 1. oktober, 2017),” – siger CNews Analytics-rapporten. Ifølge konsulentbureauer forventes antallet af rackpladser i 2021 at stige til 49 tusind. Det vil sige, at om to år kan datacentrets faktiske kapacitet fordobles. Hvad er dette forbundet med? Først og fremmest med stigningen i mængden af information: både lagret og behandlet.
Ud over skyer betragter spillerne udviklingen af datacenterkapaciteter i regionerne som vækstpunkter: De er det eneste segment, hvor der er en reserve til forretningsudvikling. Ifølge IKS-Consulting tegnede regionerne sig i 2016 for kun 10 % af alle ressourcer, der udbydes på markedet, mens hovedstaden og Moskva-regionen besatte 73 % af markedet, og St. Petersborg og Leningrad-regionen - 17 %. I regionerne er der fortsat mangel på datacenterressourcer med en høj grad af fejltolerance.
I 2025 forventes den samlede mængde af data i verden at stige 10 gange sammenlignet med 2016.
Stadig, hvor sikkert er lithium for en server eller datacenter UPS?
Ulempe: høje omkostninger ved Li-Ion-løsninger.
Prisen på lithium-ion-batterier er stadig høj sammenlignet med standardløsninger. Ifølge SE-estimat vil startomkostningerne for højeffekt UPS'er over 100 kVA til Li-Ion-løsninger være 1,5 gange højere, men i sidste ende vil besparelsen på ejerskab være 30-50%. Hvis vi sammenligner med det militærindustrielle kompleks i andre lande, så er her nyheden om lanceringen i med Li-Ion batterier. Ganske ofte bruges lithiumjernfosfatbatterier (LFP på billedet) i sådanne løsninger på grund af deres relative billighed og større sikkerhed.
Artiklen nævner, at 100 millioner dollars blev brugt på nye batterier til ubåden, lad os prøve at konvertere det til andre værdier...4,2 tusinde tons er undervandsforskydningen af en japansk ubåd. Overfladeforskydning - 2,95 tusinde tons. Som regel består 20-25 % af bådens vægt af batterier. Herfra tager vi cirka 740 tons - bly-syre-batterier. Yderligere: massen af lithium er cirka 1/3 af massen af bly-syre batterier -> 246 tons lithium. Ved 70 kWh/kg for Li-Ion får vi cirka 17 MWh batteristrøm. Og forskellen i massen af batterier er cirka 495 tons... Her tager vi ikke højde for , som kræver 14,5 tons sølv per ubåd, og koster 4 gange mere end bly-syre-batterier. Lad mig minde dig om, at Li-Ion-batterier nu kun er 1,5-2 gange dyrere end VRLA, afhængig af løsningens styrke.
Hvad med japanerne? De huskede for sent, at "at lette båden" med 700 tons medfører en ændring i dens sødygtighed og stabilitet... De var sandsynligvis nødt til at tilføje våben om bord for at returnere bådens designvægtfordeling.
Lithium-ion-batterier vejer også mindre end bly-syre-batterier, så Soryu-klassens ubådsdesign måtte redesignes noget for at bevare ballast og stabilitet.
I Japan er to typer lithium-ion-batterier blevet skabt og bragt til driftstilstand: lithium-nikkel-cobolt-aluminium-oxid (NCA) produceret af GS Yuasa og lithium titanat (LTO) produceret af Toshiba Corporation. Den japanske flåde vil bruge NCA-batterier, mens Australien blev tilbudt LTO-batterier til brug på Soryu-klasse ubåde i et nyligt udbud, ifølge Kobayashi.
Ved at kende den ærbødige holdning til sikkerhed i Land of the Rising Sun, kan vi antage, at lithiumsikkerhedsproblemer er blevet løst, testet og certificeret.
Risiko: brandfare.
Det er her, vi finder ud af formålet med offentliggørelsen, da der er diametralt modsatte meninger om sikkerheden ved disse løsninger. Men det er alt sammen retorik, men hvad med specifikke industrielle løsninger?
Vi har allerede diskuteret sikkerhedsspørgsmål i vores , men lad os dvæle ved dette spørgsmål igen. Lad os vende os til figuren, som undersøgte beskyttelsesniveauet for modulet og LMO/NMC-cellen af batteriet fremstillet af Samsung SDI og brugt som en del af Schneider Electric UPS.
Kemiske processer blev diskuteret i brugerens artikel . Lad os prøve at forstå de mulige risici i vores særlige tilfælde og sammenligne dem med multi-level beskyttelse i Samsung SDI celler, som er en integreret del af et færdiglavet Type G Li-Ion rack som en del af en omfattende løsning baseret på Galaxy VM .
Lad os starte med et generelt case-flowchart over risici og årsager til brand i en lithium-ion-celle.
Under spoileren kan du studere de teoretiske spørgsmål om brandrisici ved lithium-ion-batterier og processernes fysikIndledende blokdiagram over risici og årsager til brand (sikkerhedsfare) af en lithium-ion-celle fra 2018 år.
Da der afhængigt af lithium-ion-cellens kemiske struktur er forskelle i cellens termiske runaway-karakteristika, vil vi her fokusere på processen beskrevet i artiklen i en lithium-nikkel-cobalt-aluminium-celle (baseret på LiNiCoAIO2) eller NCA.
Processen med at udvikle en ulykke i en celle kan opdeles i tre faser:
- trin 1 (start). Normal drift af cellen, når temperaturstigningsgradienten ikke overstiger 0,2 grader Celsius per minut, og selve celletemperaturen ikke overstiger 130-200 grader Celsius, afhængigt af cellens kemiske struktur;
- fase 2, opvarmning (Acceleration). På dette stadium stiger temperaturen, temperaturgradienten stiger hurtigt, og termisk energi frigives aktivt. Generelt er denne proces ledsaget af frigivelse af gasser. Overdreven gasudvikling skal kompenseres ved betjening af sikkerhedsventilen;
- etape 3, termisk runaway (Runaway). Batteriopvarmning over 180-200 grader. I dette tilfælde går katodematerialet ind i en disproportioneringsreaktion og frigiver oxygen. Dette er niveauet af termisk løbsk, da der i dette tilfælde kan forekomme en blanding af brændbare gasser med ilt, hvilket vil forårsage spontan forbrænding. Imidlertid kan denne proces i nogle tilfælde kontrolleres, læs - når regimet af eksterne faktorer ændrer sig, stopper termisk løb i nogle tilfælde uden fatale konsekvenser for det omgivende rum. Brugbarheden og ydeevnen af selve lithiumcellen efter disse hændelser tages ikke i betragtning.
Termisk løbstemperatur afhænger af cellestørrelse, celledesign og materiale. Den termiske løbetemperatur kan variere fra 130 til 200 grader Celsius. Den termiske løbetid kan variere og variere fra minutter, timer eller endda dage...
Hvad med LMO/NMC-type celler i lithium-ion UPS'er?
– For at forhindre kontakt mellem anoden og elektrolytten, anvendes et keramisk lag som en del af cellen (SFL). Bevægelsen af lithium-ioner blokeres ved 130 grader Celsius.
– Ud over den beskyttende udluftningsventil bruges et overladningsenhed (OSD) beskyttelsessystem, som fungerer sammen med en intern sikring og slukker for den beskadigede celle, hvilket forhindrer den termiske løbeproces i at nå farlige niveauer. Desuden vil det interne OSD-system udløses tidligere, når trykket når 3,5 kgf/cm2, det vil sige halvdelen mindre end responstrykket fra cellens sikkerhedsventil.
Forresten vil cellesikringen fungere ved strømme over 2500 A på ikke mere end 2 sekunder. Lad os antage, at temperaturgradienten når en aflæsning på 10 grader C/min. Om 10 sekunder vil cellen have tid til at tilføje omkring 1,7 grader til sin temperatur, mens den er i overclocking-tilstand.
– En tre-lags separator i cellen i genopladningstilstand vil blokere overgangen af lithiumioner til cellens anode. Blokeringstemperaturen er 250 grader Celsius.
Lad os nu se, hvad vi har med celletemperaturen; Lad os sammenligne på hvilke stadier forskellige typer beskyttelse udløses på celleniveau.
— OSD-system – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= eksternt tryk
Yderligere beskyttelse mod overstrøm.
— sikkerhedsventil 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= eksternt tryk
- sikring inde i cellen 2 sekunder ved 2500A (overstrømstilstand)
Risikoen for termisk løb af en celle afhænger direkte af cellens ladningsgrad/ladningsniveau, flere detaljer her...Lad os overveje effekten af celleladningsniveauet i sammenhæng med risikoen for termisk løbsk. Lad os overveje overensstemmelsestabellen mellem celletemperaturen og SOC-parameteren (State of Charge, grad af opladning af batteriet).
Batteriets ladeniveau måles i procent og viser, hvor meget af den samlede ladning, der stadig er gemt i batteriet. I dette tilfælde overvejer vi batteriopladningstilstanden. Det kan konkluderes, at afhængigt af lithiumcellens kemi kan batteriet opføre sig anderledes, når det er overopladet, og have forskellig modtagelighed for termisk løb. Dette skyldes den forskellige specifikke kapacitet (A*h/gram) af forskellige typer Li-Ion-celler. Jo større cellens specifikke kapacitet er, jo hurtigere frigives varme under genopladning.
Derudover forårsager en ekstern kortslutning ved 100 % SOC ofte termisk løb af cellen. På den anden side, når cellen er på 80 % SOC, skifter den maksimale termiske løbetemperatur for cellen opad. Cellen bliver mere modstandsdygtig over for nødsituationer.
Endelig, for 70 % SOC, forårsager eksterne kortslutninger muligvis slet ikke termisk løb. Det vil sige, at risikoen for celleantændelse reduceres væsentligt, og det mest sandsynlige scenario er kun driften af lithiumbatteriets sikkerhedsventil.
Derudover kan vi fra tabellen konkludere, at LFP (lilla kurve) for et batteri normalt har en stejl temperaturstigning, det vil sige, at "opvarmnings"-stadiet jævnt overgår til "termisk runaway"-stadiet, og stabiliteten af dette system til overopladning er noget værre. LMO-batterier, som vi ser, har en jævnere varmekarakteristik ved genopladning.
VIGTIGT: Når OSD-systemet udløses, nulstilles cellen til bypass. Således reduceres spændingen på stativet, men den forbliver i drift og giver et signal til UPS-overvågningssystemet gennem selve stativets BMS-system. I tilfælde af et klassisk UPS-system med VRLA-batterier kan en kortslutning eller brud inden for et batteri i en streng føre til fejl på UPS'en som helhed og tab af funktionalitet af IT-udstyr.
Baseret på ovenstående er følgende risici stadig relevante i tilfælde af brug af lithiumløsninger i UPS:
- Termisk løb af en celle eller et modul som følge af en ekstern kortslutning - flere beskyttelsesniveauer.
- Termisk løb af en celle eller et modul som følge af en intern batterifejl - flere niveauer af beskyttelse på celle- eller modulniveau.
- Overopladning – beskyttelse af BMS plus alle niveauer af beskyttelse til et stativ, modul, celle.
- Mekanisk skade er ikke relevant for vores tilfælde, risikoen for hændelsen er ubetydelig.
- Overophedning af stativet og alle batterier (moduler, celler). Ukritisk op til 70-90 grader. Hvis temperaturen i UPS-installationsrummet stiger over disse værdier, betyder det, at der er en brand i bygningen. Under normale datacenterdriftsforhold er risikoen for en hændelse ubetydelig.
- Reduceret batterilevetid ved forhøjede rumtemperaturer - langtidsdrift ved temperaturer op til 40 grader er tilladt uden et mærkbart fald i batterilevetiden. Blybatterier er meget følsomme over for enhver temperaturstigning og reducerer deres resterende levetid i forhold til temperaturstigningen.
Lad os tage et kig på et flowchart over risikoen for ulykker med lithium-ion-batterier i vores datacenter, serverrum. Lad os forenkle diagrammet lidt, fordi lithium UPS'er vil blive betjent under ideelle forhold, hvis vi sammenligner driftsforholdene for batterierne i din gadget, telefon.
KONKLUSION: Specialiserede lithiumbatterier til datacentre og serverrum UPS'er har et tilstrækkeligt niveau af beskyttelse mod nødsituationer, og i en omfattende løsning giver et stort antal forskellige beskyttelsesgrader og mere end fem års erfaring i driften af disse løsninger os mulighed for at tale om et højt sikkerhedsniveau for nye teknologier. Blandt andet bør vi ikke glemme, at driften af lithiumbatterier i vores sektor ligner "drivhus"-forhold for Li-Ion-teknologier: i modsætning til din smartphone i lommen, vil ingen tabe batteriet i datacentret, overophedes, aflades hver dag, aktivt brug i buffertilstand.
Du kan finde ud af flere detaljer og diskutere en specifik løsning med lithium-ion-batterier til dit serverrum eller datacenter ved at sende en forespørgsel via e-mail , eller ved at lave en anmodning på virksomhedens hjemmeside .
ÅBNE TEKNOLOGIER – pålidelige omfattende løsninger fra verdensledere, tilpasset specifikt til dine mål og målsætninger.
Forfatter: Kulikov Oleg
Førende designingeniør
Afdeling for integrationsløsninger
Open Technologies Company
Kun registrerede brugere kan deltage i undersøgelsen. , Vær venlig.
Hvad er din mening om sikkerheden og anvendeligheden af industrielle løsninger baseret på Li-Ion-teknologier?
-
16,2 %Farlig, selvantændende, under ingen omstændigheder ville jeg sætte den i mit serverrum.11
-
10,3 %Jeg er ikke interesseret i dette, så vi skifter med jævne mellemrum klassiske batterier, og alt er OK.7
-
16,2 %Vi skal tænke over, om det kan være sikkert og lovende.11
-
23,5 %Interessant, jeg vil undersøge mulighederne.16
-
13,2 %Interesseret! Invester én gang – og vær ikke bange for at overvælde hele datacentret på grund af svigt af ét blybatteri.9
-
20,6 %Interessant! Fordelene opvejer langt ulemperne og risiciene.14
68 brugere stemte. 25 brugere undlod at stemme.
Kilde: www.habr.com