Tere, sõbrad!
Pärast artikli avaldamist Li-Ion lahenduste ohtude kohta serverite ja andmekeskuste jaoks on olnud palju. Seetõttu proovime täna välja mõelda, millised on erinevused UPS-i tööstuslike liitiumlahenduste ja teie vidina aku vahel, kuidas erinevad akude töötingimused serveriruumis, miks Li-Ion telefonis aku ei kesta. rohkem kui 2-3 aastat ja andmekeskuses kasvab see arv 10 või enama aastani. Miks on liitiumi tulekahju oht andmekeskuses/serveriruumis minimaalne?
Jah, õnnetused UPS-i akudega on võimalikud olenemata energiasalvesti tüübist, kuid müüt tööstuslike liitiumlahenduste “tuleohust” ei pea paika.
Lõppude lõpuks on paljud seda näinud liitiumakuga maanteel liikuvas autos? Nii et vaatame, mõtleme välja, võrdleme...
Siin näeme tüüpilist telefoni aku kontrollimatu isekuumenemise ja termilise jooksmise juhtumit, mis viis sellise juhtumini. Sa ütled: SIIN! See on lihtsalt telefon, ainult hull paneks midagi sellist serveriruumi!
Olen kindel, et pärast selle materjali uurimist muudab lugeja oma seisukohta selles küsimuses.
Hetkeolukord andmekeskuste turul
Pole saladus, et andmekeskuse ehitamine on pikaajaline investeering. Ainuüksi inseneriseadmete hind võib moodustada 50% kõigi kapitalikulude maksumusest. Tasuvushorisont on ligikaudu 10-15 aastat. Loomulikult soovitakse kogu andmekeskuse elutsükli jooksul alandada kogu omamiskulu ning samas ka kompaktseid insenerseadmeid, vabastades võimalikult palju ruumi kandevõimele.
Optimaalne lahendus on Li-Ion akudel põhinevate tööstuslike UPSide uus iteratsioon, mis on ammu vabanenud “lastehaigustest” tuleohtude, valede laadimis- ja tühjenemisalgoritmide näol ning omandanud hulga kaitsemehhanisme.
Arvutus- ja võrguseadmete võimsuse suurenemisega kasvab nõudlus UPSide järele. Samas suurenevad nõuded aku tööeale tsentraliseeritud toiteallika probleemide ja/või rikete korral varutoiteallika käivitamisel diiselgeneraatorikomplekti kasutamise/kättesaadavuse korral.
Meie arvates on sellel kaks peamist põhjust:
- Töödeldava ja edastatava teabe mahu kiire kasv
Näiteks mis
tuleb salvestada ja töödelda. - Elektrienergia tarbimise dünaamika kasv. Vaatamata IT-seadmete energiatarbimise vähendamise üldisele suundumusele, elektroonikakomponentide energia erikulu vähendamine.
Ainult ühe töötava andmekeskuse energiatarbimise graafik
Sama trendi näitavad meie riigi andmekeskuste turuprognoosid.Vastavalt saidile, on kasutusse võetud riiulipindade koguarv üle 20 tuhande. „20 suurima andmekeskuse teenusepakkuja poolt 2017. aastal kasutusele võetud riiulipindade arv kasvas 3% ja jõudis 22,4 tuhandeni (1. oktoobri seisuga, 2017),” ütleb CNews Analyticsi aruanne. Konsultatsiooniagentuuride andmetel peaks 2021. aastaks riiulikohtade arv kasvama 49 tuhandeni. See tähendab, et kahe aastaga võib andmekeskuse tegelik võimsus kahekordistuda. Millega see seotud on? Esiteks infomahu suurenemisega: nii talletatava kui ka töödeldava teabega.
Lisaks pilvedele peavad mängijad kasvupunktideks andmekeskuste võimsuste arendamist regioonides: need on ainuke segment, kus on reserv ettevõtluse arendamiseks. IKS-Consultingu andmetel moodustasid piirkonnad 2016. aastal vaid 10% kõigist turul pakutavatest ressurssidest, samas kui pealinn ja Moskva piirkond hõivasid 73% turust ning Peterburi ja Leningradi oblast - 17%. Piirkondades napib jätkuvalt kõrge tõrketaluvusega andmekeskuse ressursse.
Prognoositakse, et 2025. aastaks kasvab andmete koguhulk maailmas 10. aastaga võrreldes 2016 korda.
Siiski, kui ohutu on liitium serveri või andmekeskuse UPS-i jaoks?
Puudus: Li-Ion lahenduste kõrge hind.
Liitium-ioonakude hind on standardlahendustega võrreldes endiselt kõrge. SE hinnangul on Li-Ion lahenduste suure võimsusega üle 100 kVA UPSide esialgsed kulud 1,5 korda suuremad, kuid lõppkokkuvõttes on omandisääst 30-50%. Kui võrrelda teiste riikide sõjatööstuskompleksiga, siis siin on uudis aastal stardi kohta Li-Ion akudega. Üsna sageli kasutatakse sellistes lahendustes liitiumraudfosfaatpatareisid (fotol LFP) nende suhtelise odavuse ja suurema ohutuse tõttu.
Artiklis mainitakse, et allveelaeva uutele akudele kulutati 100 miljonit dollarit, proovime seda muudeks väärtusteks muuta...4,2 tuhat tonni on Jaapani allveelaeva veealune veeväljasurve. Pinnaväljasurve - 2,95 tuhat tonni. Reeglina moodustavad 20-25% paadi massist akud. Siit võtame umbes 740 tonni - pliiakusid. Lisaks: liitiumi mass on ligikaudu 1/3 pliiakude massist -> 246 tonni liitiumi. Li-Ion 70 kWh/kg juures saame umbes 17 MWh aku võimsust. Ja akude massi erinevus on ligikaudu 495 tonni... Siin me ei võta arvesse , mis nõuavad 14,5 tonni hõbedat allveelaeva kohta ja maksavad 4 korda rohkem kui pliiakud. Tuletan meelde, et Li-Ion akud on nüüd olenevalt lahenduse võimsusest vaid 1,5-2 korda kallimad kui VRLA.
Aga jaapanlased? Liiga hilja meenus, et 700 tonni võrra "paadi kergendamine" toob kaasa muutuse selle merekindluses ja stabiilsuses... Tõenäoliselt pidid nad pardale lisama relvad, et taastada paadi projekteeritud kaalujaotus.
Liitiumioonakud kaaluvad ka pliiakudest vähem, nii et Soryu-klassi allveelaeva konstruktsiooni tuli ballasti ja stabiilsuse säilitamiseks mõnevõrra ümber kujundada.
Jaapanis on loodud ja töökorda viidud kahte tüüpi liitiumioonakusid: liitium-nikkel-koobalt-alumiiniumoksiid (NCA), mida toodab GS Yuasa ja liitiumtitanaat (LTO), mida toodab Toshiba Corporation. Jaapani merevägi kasutab Kobayashi sõnul NCA patareisid, Austraaliale aga pakuti hiljutisel hankel LTO-akusid kasutamiseks Soryu-klassi allveelaevadel.
Teades aupaklikku suhtumist turvalisusesse Tõusva Päikese maal, võime eeldada, et liitiumi ohutusprobleemid on lahendatud, testitud ja sertifitseeritud.
Oht: tuleoht.
Siin selgitame välja avaldamise eesmärgi, kuna nende lahenduste ohutuse kohta on diametraalselt vastakaid arvamusi. Kuid see kõik on retoorika, aga kuidas on lood konkreetsete tööstuslike lahendustega?
Oleme turvaküsimusi juba oma artiklis arutanud , kuid peatume sellel teemal veel kord. Pöördume joonise poole, mis uuris Schneider Electricu UPS-i osana kasutatava Samsung SDI toodetud aku mooduli ja LMO/NMC elemendi kaitsetaset.
Keemilisi protsesse käsitleti kasutaja artiklis . Proovime mõista meie konkreetse juhtumi võimalikke riske ja võrrelda neid mitmetasandilise kaitsega Samsungi SDI-elementides, mis on Galaxy VM-il põhineva tervikliku lahenduse osana G-tüüpi liitiumioonide riiuli lahutamatu osa. .
Alustame liitiumioonelemendi tulekahju riskide ja põhjuste üldise juhtumi vooskeemiga.
Spoileri all saab uurida liitium-ioonakude tuleohu teoreetilisi küsimusi ja protsesside füüsikatLiitiumioonelemendi tulekahju riskide ja põhjuste (ohutusoht) esialgne plokkskeem alates 2018 aastal.
Kuna olenevalt liitiumioonelemendi keemilisest struktuurist on elemendi termilistes jooksvates omadustes erinevusi, keskendume siin artiklis kirjeldatud protsessile liitium-nikkel-koobalt-alumiiniumelemendis (põhineb LiNiCoAIO2-l) või NCA.
Õnnetuse arenemise protsessi kambris võib jagada kolme etappi:
- 1. etapp (algamine). Raku normaalne töö, kui temperatuuritõusu gradient ei ületa 0,2 kraadi Celsiuse järgi minutis ja raku temperatuur ei ületa 130-200 kraadi Celsiuse järgi, sõltuvalt raku keemilisest struktuurist;
- 2. etapp, soojendus (Kiirendus). Selles etapis temperatuur tõuseb, temperatuurigradient suureneb kiiresti ja soojusenergia vabaneb aktiivselt. Üldiselt kaasneb selle protsessiga gaaside eraldumine. Liigne gaasieraldus tuleb kompenseerida kaitseklapi kasutamisega;
- 3. etapp, termiline põgenemine (Runaway). Aku soojendus üle 180-200 kraadi. Sel juhul siseneb katoodi materjal disproportsioonireaktsiooni ja vabastab hapnikku. See on termilise põgenemise tase, kuna sel juhul võib tekkida tuleohtlike gaaside segu hapnikuga, mis põhjustab isesüttimist. Kuid seda protsessi saab mõnel juhul kontrollida, lugeda - kui välistegurite režiim muutub, peatub termiline põgenemine mõnel juhul ilma ümbritsevale ruumile saatuslike tagajärgedeta. Liitiumelemendi enda kasutuskõlblikkust ja toimivust pärast neid sündmusi arvesse ei võeta.
Termiline temperatuur sõltub raku suurusest, elemendi konstruktsioonist ja materjalist. Termiline temperatuur võib varieeruda vahemikus 130 kuni 200 kraadi Celsiuse järgi. Termiline jooksmisaeg võib varieeruda ja ulatuda minutitest, tundidest või isegi päevadest...
Kuidas on lood LMO/NMC tüüpi elementidega liitiumioon-UPS-ides?
– Et vältida anoodi kokkupuudet elektrolüüdiga, kasutatakse elemendi (SFL) osana keraamilist kihti. Liitiumioonide liikumine on blokeeritud temperatuuril 130 kraadi Celsiuse järgi.
– Lisaks kaitsvale õhutusventiilile kasutatakse ülelaadimisseadme (OSD) kaitsesüsteemi, mis töötab koos sisemise kaitsmega ja lülitab kahjustatud elemendi välja, vältides termilise ülejooksuprotsessi jõudmist ohtlikule tasemele. Pealegi käivitub sisemine OSD-süsteem varem, kui rõhk jõuab 3,5 kgf/cm2, st poole vähem kui raku kaitseklapi reaktsioonirõhk.
Muide, elemendikaitse töötab vooludel üle 2500 A mitte rohkem kui 2 sekundiga. Oletame, et temperatuurigradient jõuab näiduni 10 kraadi C/min. 10 sekundi pärast on elemendil aega kiirendada kiirendamise režiimis oma temperatuuri umbes 1,7 kraadi võrra.
– Kolmekihiline eraldaja elemendis laadimisrežiimis blokeerib liitiumioonide ülemineku elemendi anoodile. Blokeerimistemperatuur on 250 kraadi Celsiuse järgi.
Nüüd vaatame, mis meil on raku temperatuuriga; Võrdleme, millistel etappidel käivituvad rakutasandil erinevat tüüpi kaitsed.
— OSD süsteem – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= välisrõhk
Lisakaitse liigvoolude eest.
— kaitseklapp 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= välisrõhk
- kaitse elemendi sees 2 sekundit 2500A juures (ülevoolurežiim)
Aku termilise äravoolu oht sõltub otseselt elemendi laengu astmest/tasemest, täpsemalt siit...Vaatleme raku laengu taseme mõju termilise põgenemise riskide kontekstis. Vaatleme elemendi temperatuuri ja SOC parameetri (State of Charge, aku laetuse aste) vastavustabelit.
Aku laetuse taset mõõdetakse protsentides ja see näitab, kui suur osa kogu laetusest on veel akusse salvestatud. Sel juhul kaalume aku laadimisrežiimi. Võib järeldada, et olenevalt liitiumelemendi keemiast võib aku ülelaadimisel käituda erinevalt ja olla erineva vastuvõtlikkusega termilisele äravoolule. See on tingitud erinevat tüüpi liitiumioonelementide erinevast erivõimsusest (A*h/gramm). Mida suurem on elemendi erivõimsus, seda kiiremini eraldub soojust laadimise ajal.
Lisaks põhjustab 100% SOC korral väline lühis sageli elemendi termilist põgenemist. Teisest küljest, kui raku SOC on 80%, nihkub raku maksimaalne termiline temperatuur ülespoole. Rakk muutub hädaolukordadele vastupidavamaks.
Lõpuks, 70% SOC puhul ei pruugi välised lühised üldse termilist äravoolu põhjustada. See tähendab, et elemendi süttimise oht väheneb oluliselt ja kõige tõenäolisem stsenaarium on ainult liitiumaku kaitseklapi töö.
Lisaks võime tabelist järeldada, et aku LFP (lilla kõver) temperatuuri tõus on tavaliselt järsult, see tähendab, et "soojenemise" etapp läheb sujuvalt üle "termilise jooksmise" faasiks ja aku stabiilsus. see süsteem ülelaadimiseks on mõnevõrra hullem. Nagu näeme, on LMO akudel laadimisel sujuvam soojendusomadus.
OLULINE: Kui OSD-süsteem käivitub, lähtestatakse lahter ümbersõidule. Seega väheneb riiuli pinge, kuid see jääb tööle ja annab UPS-i seiresüsteemile signaali riiuli enda BMS-süsteemi kaudu. Klassikalise VRLA akudega UPS-süsteemi puhul võib lühis või katkestus ühes akus jada sees põhjustada UPSi kui terviku rikke ja IT-seadmete funktsionaalsuse kadumise.
Ülaltoodu põhjal jäävad liitiumilahuste kasutamisel UPS-is oluliseks järgmised riskid:
- Lahtri või mooduli termiline põgenemine välise lühise tagajärjel - mitu kaitsetaset.
- Elementi või mooduli termiline ärajooksmine aku sisemise rikke tagajärjel – mitu kaitsetaset elemendi või mooduli tasemel.
- Ülelaadimine – kaitse BMS-iga pluss kõik kaitsetasemed riiulile, moodulile, elemendile.
- Mehaaniline vigastus ei ole meie juhtumi puhul asjakohane, sündmuse risk on tühine.
- Riiuli ja kõigi patareide (moodulid, elemendid) ülekuumenemine. Kriitiline kuni 70-90 kraadi. Kui temperatuur UPS-i paigaldusruumis tõuseb üle nende väärtuste, tähendab see, et hoones on tulekahju. Tavalistes andmekeskuse töötingimustes on sündmuse oht tühine.
- Vähendatud aku tööiga kõrgendatud toatemperatuuril – pikaajaline töö kuni 40 kraadi juures on lubatud ilma aku tööiga märgatava vähenemiseta. Pliiakud on väga tundlikud igasuguse temperatuuritõusu suhtes ja vähendavad nende järelejäänud eluiga võrdeliselt temperatuuri tõusuga.
Vaatame meie andmekeskuse, serveriruumi kasutusjuhtumi liitium-ioonakudega õnnetuste riski vooskeemi. Lihtsustame diagrammi veidi, sest liitium-UPS-id töötavad ideaalsetes tingimustes, kui võrrelda teie vidina, telefoni akude töötingimusi.
JÄRELDUS: Spetsiaalsed liitiumakud andmekeskuste ja serveriruumide UPS-idele on piisaval kaitsetasemel avariiolukordade eest ning tervikliku lahenduse puhul võimaldab suur hulk erinevaid kaitseastmeid ja enam kui viieaastane kogemus nende lahenduste kasutamisel rääkida uute tehnoloogiate kõrge ohutuse tase. Muuhulgas ei tasu unustada, et liitiumakude toimimine meie sektoris näeb Li-Ion tehnoloogiate jaoks välja nagu "kasvuhoone" tingimused: erinevalt taskus olevast nutitelefonist ei kuku keegi akut andmekeskuses maha, ei kuumene üle ega tühjene. iga päev, kasutage aktiivselt puhverrežiimis.
Lisateabe saamiseks ja konkreetse lahenduse üle arutada liitium-ioonakusid oma serveriruumi või andmekeskuse jaoks, saates päringu meili teel või esitades päringu ettevõtte veebisaidil .
AVATUD TEHNOLOOGIAD – usaldusväärsed terviklikud lahendused maailma liidritelt, mis on kohandatud just teie eesmärkidele ja eesmärkidele.
Autor: Kulikov Oleg
Juhtiv projekteerimisinsener
Integratsioonilahenduste osakond
Avatud tehnoloogiate ettevõte
Küsitluses saavad osaleda ainult registreerunud kasutajad. palun.
Mida arvate Li-Ion tehnoloogiatel põhinevate tööstuslike lahenduste ohutusest ja rakendatavusest?
-
16,2%Ohtlik, isesüttiv, mitte mingil juhul ei paneks ma seda oma serveriruumi.11
-
10,3%Mind see ei huvita, seega vahetame perioodiliselt klassikalisi patareisid ja kõik on korras.7
-
16,2%Peame mõtlema, kas see võib olla ohutu ja paljutõotav.11
-
23,5%Huvitav, uurin võimalusi.16
-
13,2%Huvitatud! Investeerige üks kord – ja ärge kartke ühe pliiaku rikke tõttu kogu andmekeskust üle koormata.9
-
20,6%Huvitav! Eelised kaaluvad oluliselt üles puudused ja riskid.14
68 kasutajat hääletas. 25 kasutajat jäi erapooletuks.
Allikas: www.habr.com