Tere, sõbrad!
Pärast artikli avaldamist oli palju kommentaare liitiumioonlahenduste ohtlikkuse kohta serverites ja andmekeskustes. Seetõttu proovime täna selgitada, millised on erinevused tööstuslike liitiumlahenduste ja teie seadme patarei vahel, kuidas akude töötingimused serverites erinevad, miks teenib liitiumioonakupa 2-3 aastat telefonis, samas kui andmekeskuses tõuseb see number 10 aastat või enam. Miks on liitiumi põlemisoht andmekeskuses/serverites minimaalne.
Jah, õnnetused UPS-patareidega on võimalikud sõltumata energiasalvestite tüübist, kuid müüt tööstuslike liitiumlahenduste «tuleohtlikkusest» ei vasta tõele.
Kuna paljud on näinud seda liitiumakuga liikuvates autodes? Nii et vaatame, uurime, võrdleme...
Siin näeme tüüpilist juhtumit kontrollimata enesekuumusest, mille tõttu telefonipatarei soojenes ja põhjustas sellise intsidendi. Te ütlete: SEE ON KUIDAS! Ainult hull julgeb serverisse sellist sellist panna!
Olen kindel, et pärast selle materjali uurimist muudab lugeja oma seisukohta selle küsimuse osas.
Praegune olukord andmesaalide turul
Kellelegi ei ole saladus, et andmesaalide ehitamine on pikaajaline kapitaliinvesteering. Ainult inseneritehnika seadmete hind võib ulatuda 50% -ni kõikidest kapitali kuludest. Tasuvusperiood on umbes 10-15 aastat. Seetõttu tekib soov vähendada andmesaalide kogu omamiskulusid kogu elutsükli jooksul, püüdes samal ajal tihendada inseneritehnika seadmeid, vabastades maksimaalselt ruumi kasuliku koormuse jaoks.
Optimaalne lahendus on uue iteratsiooni tööstuslikud UPS-seadmed, mis põhinevad Li-Ion akutest, mis on juba ammu vabanenud «lastetõvedest», nagu tuleoht, vale laadimis- ja tühjendusalgoritmid ning on saanud hulga kaitsemehhanisme.
Andmete töötlemise ja edastamise mahtude kiire kasvuga suureneb ka nõudlus UPS-ide järele. Samuti kasvavad nõudmised aku tööajale keskse elektrivarustuse probleemide ja/või varuenergiaallika käivitumise tõrgete korral, kui kasutatakse/domeenide genereerimist.
Peamised põhjused on, meie arvates, kaks:
- Infomahtude kiire kasv
Näiteks, , mille
tuleb salvestada ja töödelda. - Elektrienergia tarbimise dünaamika kasv. Vaatamata üldisele trendile, millega IT-seadmete energia tarbimist vähendatakse, väheneb ka elektronkomponentide spetsiifiline energia tarbimine.
Ühe aktiivse andmekeskuse elektritarbimise graafik
Seda tendentsi näitavad ka andmed andmekeskuste turu prognooside kohta meie riigis.Vastavalt saidile, kokku kasutusele võetud serverikohtade arv ületab 20 tuhat. „Suuremate andmekeskuste teenusepakkujate 20 ettevõtte kasutusele võetud serverikohtade arv suurenes 2017. aastal 3% ja saavutas 22,4 tuhat (andmed 1. oktoobrist 2017).”, - öeldakse CNews Analyticsi raportis. Konsultatsioonifirmade hinnangute kohaselt prognoositakse, et 2021. aastaks suureneb serverikohtade arv 49 tuhandele. See tähendab, et kahe aastaga võib andmekeskuse tõeline maht kahel korral suureneda. Milles see seisneb? Esiteks, infohulga suurenemises: nii salvestatud kui ka töödeldud.
Lisaks pilveteenustele peavad mängijad kasvupunktideks andmekeskuse võimsuste arendamist piirkondades: need on ainus segment, kus tagavad äri arengu. IKS-Consultingu andmetel oli 2016. aastal piirkondade osakaal vaid 10% kõigist turul pakutavatest ressurssidest, samas kui pealinn ja Moskva oblast hõivasid 73% turust ning Peterburi ja Leningradi oblast 17%. Piirkondades jätkub andmekeskuste kõrgema teenuste tasemega ressursside nappus.
Aastal 2025 peaks kogu andmemahu maailmas, vastavalt prognoosidele, suurenema 10 korda võrreldes 2016. aasta tasemega.
Kui ohutu on ikkagi liitium UPS serverite või andmekeskuste jaoks?
Puudus: Li-Ion lahenduste kõrged kulud.
Liitiumioonaku hind on endiselt kõrge võrreldes tavaliste lahendustega. SE ettevõtte hinnangul on algkulud võimsatele UPS-idele üle 100 kVA Li-Ion lahenduste puhul 1,5 korda kõrgemad, kuid lõpuks toob omamiskulu kokkuhoiu 30-50%. Kui võrrelda teiste riikide kaitsetööstusega, siis siin on teade Jaapani allveelaeva Li-Ion akudega. Sellistes lahendustes kasutatakse sageli liitium-raudfosfaadi (LFP) akusid, kuna need on suhteliselt odavad ja ohutumad.
Artiklis mainitakse, et uutele allveelaeva akudele on kulutatud 100 miljonit dollarit, proovime seda üle arvutada…4,2 tuhat tonni – Jaapani allveelaeva allveeline tõukejõud. Ülaltvaates 2,95 tuhat tonni. Üldjuhul moodustavad akud umbes 20–25% paadi massist. Seega võtame ligikaudu 740 tonni – pliihappeakud. Edasi: liitiumi mass on umbes 1/3 pliihappeakude massist -> 246 tonni liitiumi. 70 kW*h/kg Li-Ion puhul saame ligikaudu 17 MWh akumulaatori võimsust. Ja akutepakkide massi vahe on ligikaudu 495 tonni… Siin me ei arvesta , mille jaoks ühe allveelaeva puhul on vajalik 14,5 tonni hõbedat, ning hinna poolest ületavad need pliihappeakusid 4 korda. Tuletan meelde, et Li-Ion akud on nüüdseks VRLA hindadest kallimad vaid 1,5–2 korda sõltuvalt lahenduse võimsusest.
Aga mis Jaapanlastega? Nad meenutasid liiga hilja, et "laeva kergendamine" 700 tonniga toob kaasa muutuse selle meresõiduvõimetes ja stabiilsuses… Tõenäoliselt pidid nad lisama relvi alusele, et taastada laeva projekti kaalusus.
Liitium-ioonakud on samuti kergemad kui plii-happe akud, mistõttu tuli Soryu tüüpi allveelaeva projekti mõningaid muudatusi teha, et säilitada ballastimist ja stabiilsust.
Jaapanis on välja töötatud ja ekspluateerimisse viidud kaks tüüpi liitium-ioonakusid: GS Yuasa tootmine liitium-nikkel-kobolt-alumiiniumoksiid (NCA) ja Toshiba tootmine liitium-titaaniid (LTO). Jaapani laevastik kasutab NCA tüüpi akusid, samas kui Kobayashi sõnul on Austraaliale Soryu tüüpi allveelaevade jaoks teadmiseks pakutud LTO akusid.
Tundes Jaapani riiki, mis peab turvalisust väga oluliseks, võib eeldada, et nende liitumise ohutuse küsimused on lahendatud, testitud ja sertifitseeritud.
Risk: tuleoht.
Siin uurime välja avaldamise eesmärgi, kuna nende lahenduste ohutuses on täiesti vastandlikud arvamused. Kuid see on kõik teooria; kuidas on meil konkreetsed tööstuslahendused?
Oleme turvalisuse küsimusi juba arutanud meie , kuid peatume sellel teemal veel kord. Vaadakem joonist, kus käsitleti Samsung SDI tootmise LMO/NMC akumuuli ja kaitsme taset, mis on kasutuses Schneider Electric'i UPS-is.
Keemilisi protsesse käsitleti kasutaja artikelis . Proovime mõista meie konkreetses juhtumis esinevaid riske ja võrrelda neid Samsung SDI akude mitmekesise kaitsega, mis on osa valmis Li-Ion Type G riiulist Galaxy VM põhjal loodud lahendusest.
Alustame üldise juhtumi riskide ja liitiumioonaku süttimise põhjuste plokkskeemist.
Spoileri alt on võimalik uurida liitiumioonakude süttimise riskide ja füüsika teoreetilisi küsimusi.Algne plokkskeem liitiumioonaku riskide ja süttimise põhjustest (Safety Hazard) pärineb 2018. aastast.
Kuna liitium-ioonraku keemilise struktuuri tõttu on temperatuuri tõusu omadustes erinevusi, käsitleme siin artiklis kirjeldatud protsessi liitium-nikkel-kobalti-alumiiniumrakus (LiNiCoAIO2 alusel) või NCA.
Aku avarii arengut võib jagada kolme etappi:
- etapp 1 (Alustamine). Aku normaalne töö, mille käigus temperatuuritõusu gradient ei ületa 0,2 °C minutis ja temperatuuri ei ületa 130–200 °C, sõltuvalt aku keemilisest struktuurist;
- etapp 2, kuumenemine (Kiirus). Sellel etapil tõuseb temperatuur, temperatuuritõusu gradient suureneb kiiresti ja toimub aktiivne soojuse eraldumine. Üldjuhul kaasneb selle protsessiga gaaside eraldumine. Üksikute gaaside liigne eraldumine peab olema kompenseeritud ohutusklapi avamisega;
- staadium 3, kuumajoome (Runaway). Aku temperatuur tõuseb üle 180-200 kraadi. Sel juhul reageerib katoodimaterjal diskpropotsioneerimisega ja eraldab hapnikku. Just see on kuumajoome tase, kuna sel juhul võib tekkida süsivesinike ja hapniku segu, mis põhjustab enesetulekahju. Siiski võib see protsess mõnel juhul olla kontrollitav; loe – kui muudate välistest teguritest sõltuvat režiimi, siis lõpetatakse kuumajoome mõnel juhul ilma fataalsete tagajärgedeta ümbritsevale keskkonnale. Liitiumraku terviklikkust ja töökorrasolekut pärast neid sündmusi ei arvestata.
Kuumajoome temperatuur sõltub raku suurusest, raku konstruktsioonist ja materjalist. Kuumajoome temperatuur võib varieeruda 130 kuni 200 kraadi Celsiuse järgi. Kuumajoome kestus võib olla erinev ja ulatuda minutite, tundide või isegi päevadeni…
Kuidas on lood LMO/NMC tüüpide rakkudega liitiumioonsete UPS-ide puhul?
– Anoodi kokkupuute vältimiseks elektrolüüdiga kasutatakse rakus keraamilist kihti (SFL). Liitiumioonide liikumise blokeerimine toimub 130 °C juures.
– Lisaks kaitsvatele ventilatsiooniklappidele on kasutusel ülekoormuskaitsesüsteem (Over Charge Device, OSD), mis töötab koos sisemise kindlustusega ja katkestab kahjustatud aku, vältides kuumutamisprotsessi viimist ohtlikele tasemetele. Märkimisväärne on, et OSD sisemine süsteem aktiveerub varem, kui rõhk ulatub 3,5 kg/cm2, mis on poole vähem kui aku kaitseklapi aktiveerimisel vajalik rõhk.
Muide, aku kindlustus aktiveerub vooludes üle 2500 A maksimaalselt kahe sekundi jooksul. Oletame, et temperatuuri gradient on jõudnud 10 °C/min. 10 sekundi jooksul suudab aku oma temperatuurile juurde lisada umbes 1,7 kraadi, olles kiirusrežiimis.
– Kolmekihiline separator akus ülekoormusrežiimis tagab liitiumioonide ülekande blokeerimise anoodi suunas. Blokeerimise temperatuur on 250 °C.
Vaadake nüüd, mis on meie aku temperatuur; võrreldame, millistel etappidel aktiveeruvad erinevad kaitsesüsteemid akutasemel.
— OSD süsteem – 3,5+-0,1 kg/cm2 <= väline rõhk
Lisa kaitse ülevoo eest.
— kaitseklapp 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= väline rõhk
— kaitse 2 sekundi jooksul 2500A-s (ülekoormuse režiim)
Aku temperatuurikrahhi risk sõltub otse aku laadimise astmest/tasemest, täiendavad üksikasjad siin…Uurime aku laadimistaseme mõju temperatuurikrahhi riskidele. Vaatame aku temperatuuri vastavust SOC (State of Charge, laadimise aste) parameetrile.
Aku laadimise aste mõõdetakse protsentides ja see näitab, kui suur osa täielikust laadimisest on veel akus salvestatud. Antud juhul uurime aku ülelaadimise režiimi. Võime järeldada, et sõltuvalt liitiumaku keemilisest koostisest võib aku käituda erinevalt ülelaadimise korral ning sellel võib olla erinev kalduvus temperatuurikrahhiks. Seda põhjendab erinevate Li-Ion akude tüüpi erinev energia tihedus (Ah/gramm). Mida suurem on aku energiatihendus, seda kiiremini toimub soojuse eraldumine ülelaadimise ajal.
Lisaks sellele, kui aku laetase on 100% SOC, põhjustab väline lühis sageli aku soojusjõudlust. Teisest küljest, kui aku laetase on 80% SOC, nihkub akude soojusjõudluse maksimaalne temperatuur kõrgemale. Aku muutub avariiolukordade suhtes vastupidavamaks.
Lõpuks, kui aku laetase on 70% SOC, ei pruugi väline lühis põhjustada soojusjõudlust üldse. See tähendab, et aku süttimise oht väheneb oluliselt ning kõige tõenäolisem stsenaarium on ainult liitiumaku turvaventilli aktiveerimine.
Tabelist võib järeldada, et LFP (lilla kõver) akudel on tavaliselt järsk temperatuuritõusu nurk, st «kuumutamise» etapp üleminek «soojusjõudluse» etappi toimub sujuvalt, ja selle süsteemi vastupidavus ülelaadimisele on veidi halvem. Nagu näeme, on LMO tüüpi akudel ülelaadimise ajal soojendamise omadus sujuvam.
OLULINE: OSD süsteemi aktiveerimisel toimub lahtri ülekande väljalülitamine. Nii väheneb pinget riiulis, kuid see jääb tööle ja edastab signaali UPSi jälgimisse läbi riiuli BMS süsteemi. Klassikalise UPS-süsteemi korral, mis kasutab VRLA akusid, võib lühis või katkestus ühe akupanga sees viia UPSi täieliku talitlushäireteni ja IT-seadmete töövõime kaotamiseni.
Ülaltoodust lähtuvalt jäävad liitiumlahenduste kasutamisega UPSides siiski aktuaalseteks riskid:
- Rakkude soojusülekuumenemine mooduli tõttu välise lühise tõttu – mitu kaitse taset.
- Rakkude soojusülekuumenemine mooduli tõttu sisemise aku rikke tõttu – mitu kaitse taset raku ja mooduli tasemel.
- Üle laadimine – kaitse BMS vahendite kaudu pluss kõik tasemed riiulil, moodulil ja rakul.
- Mehaanilised kahjustused – meie juhul ebaoluline, sündmuse risk on olematu.
- Rackide ja kõigi akude (moodulite, rakkude) ülekuumenemine. Mitte kriitiline kuni 70-90 kraadini. Kui UPS-i paigaldusruumi temperatuur tõuseb üle nende väärtuste, tähendab see, et hoones on juba tulekahju. Normaalsetes andmekeskuse töörežiiides on sündmuse risk olematu.
- Batterite tööea vähenemine kõrgete toatemperatuuride tõttu – pikk töö temperatuuridel kuni 40 kraadi on lubatud ilma märgatava aku ressursi vähenemiseta. Pliiakud on väga tundlikud temperatuuritõusude suhtes ja vähendavad oma järelejäänud ressurssi proportsionaalselt temperatuuri tõusuga.
Vaatame litiumioonakude rikke riske meie andmekeskuse, serveriruumi kasutusjuhtumi kontekstis. Lihtsustame skeemi, kuna litium-UPS-e kasutatakse ideaalsetes tingimustes, võrreldes akude töötingimustega teie seadmes, telefonis.
JÄRELDUS: Spetsialiseeritud liitiumakud UPS-i ja andmekeskuse jaoks pakuvad piisavat kaitset hädaolukordade eest. Integreeritud lahendused, milles on mitmesuguseid kaitseasteid ja üle viie aastane kogemus nende lahenduste kasutamisel, kinnitavad uusimate tehnoloogiate kõrget ohutust. Lisaks ei tohiks unustada, et liitiumakude kasutamine meie sektoris toimub "kasvuhoone" tingimustes Li-Ion tehnoloogiate jaoks: võrreldes teie taskus oleva nutitelefoniga ei kukuta keegi andmekeskuse akut, ei ülekuumene ega laadita seda iga päev aktiivselt vahepeatuses.
Kes soovib lisainfot ja arutada konkreetset lahendust liitiumioonakude kasutamisega teie serveritoas või andmekeskuses, võib esitada päringu e-postile , või saates päringu ettevõtte veebilehe kaudu .
AVATUD TEHNOLOOGIAD – usaldusväärsed komplekssed lahendused maailma juht letelt, kohandatud just teie eesmärkide ja ülesannete jaoks.
Autor: Kulikov Oleg
Peamine insener-konstruktor
Integratsioonilahenduste osakond
Ettevõte Avatud Tehnoloogiad
Ainult registreeritud kasutajad saavad küsitluses osaleda. , palun.
Milline on teie arvamus Li-Ion tehnoloogiatel põhinevate tööstuslahenduste ohutuse ja rakendatavuse kohta?
16,2%Ohtlik, võib iseenesest süttida, ei paigaldaks seda kunagi oma serveriruumi.
10,3%Mind see ei huvita, vahetame aeg-ajalt klassikalisi patareid välja ja kõik on korras.
16,2%Tuleb mõelda, võib-olla on see ohutu ja perspektiivikas.
23,5%Uudishimulik, vaatan võimalusi.
13,2%Huvitab! Üks kord investeerida – ja ei pea muretsema, et üks pliiakumulator rikub kogu andmekeskuse.
20,6%Huvitav! Eeliseid on oluliselt rohkem kui miinuseid ja riske.
68 kasutajat hääletas, 25 kasutajat hoidusid.
Allikas: habr.com
