زمان UPS لیتیوم یون: خطر آتش سوزی یا قدمی ایمن به آینده؟

سلام دوستان!

پس از انتشار مقاله "UPS و آرایه باتری: کجا آن را قرار دهیم؟ فقط صبر کن" نظرات زیادی در مورد خطرات راه حل های Li-Ion برای سرورها و مراکز داده وجود دارد. بنابراین، امروز سعی خواهیم کرد بفهمیم که چه تفاوت هایی بین محلول های لیتیوم صنعتی برای یک یو پی اس و باتری موجود در گجت شما وجود دارد، چگونه شرایط کار باتری ها در اتاق سرور متفاوت است، چرا در یک تلفن Li-Ion باتری هیچ دوام نمی آورد. بیش از 2-3 سال، و در یک مرکز داده این رقم به 10 سال یا بیشتر افزایش می یابد. چرا خطر آتش سوزی لیتیوم در مرکز داده/اتاق سرور حداقل است؟

بله، تصادفات با باتری های UPS صرف نظر از نوع دستگاه ذخیره انرژی ممکن است، اما افسانه "خطر آتش سوزی" محلول های لیتیوم صنعتی درست نیست.

بالاخره خیلی ها این را دیده اند ویدئویی از آتش گرفتن گوشی با باتری لیتیومی در ماشینی که در بزرگراه در حال حرکت است؟ پس بیایید ببینیم، بفهمیم، مقایسه کنیم...

در اینجا شاهد یک مورد معمولی از خودگرم شدن کنترل نشده، فرار حرارتی باتری تلفن هستیم که منجر به چنین حادثه ای شد. خواهی گفت: اینجا! این فقط یک گوشی است، فقط یک دیوانه چنین چیزی را در اتاق سرور قرار می دهد!

مطمئنم پس از مطالعه این مطالب، خواننده دیدگاه خود را نسبت به این موضوع تغییر خواهد داد.

وضعیت فعلی در بازار مرکز داده

بر کسی پوشیده نیست که ساخت مرکز داده یک سرمایه گذاری بلند مدت است. قیمت تجهیزات مهندسی به تنهایی می تواند 50 درصد هزینه تمام هزینه های سرمایه ای باشد. افق بازپرداخت تقریباً 10-15 سال است. به طور طبیعی، تمایل به کاهش هزینه کل مالکیت در کل چرخه عمر مرکز داده و در عین حال تجهیزات مهندسی فشرده نیز وجود دارد که تا حد امکان فضای بیشتری را برای محموله آزاد می کند.

راه حل بهینه، تکرار جدید یو پی اس های صنعتی مبتنی بر باتری های لیتیوم یونی است که مدت هاست از شر "بیماری های دوران کودکی" در قالب خطرات آتش سوزی، الگوریتم های تخلیه شارژ نادرست خلاص شده اند و انبوهی از مکانیسم های محافظ را به دست آورده اند.

با افزایش ظرفیت تجهیزات محاسباتی و شبکه، تقاضا برای UPS در حال افزایش است. در عین حال، در صورت بروز مشکل در منبع تغذیه متمرکز و/یا خرابی هنگام راه اندازی منبع تغذیه پشتیبان در صورت استفاده/در دسترس بودن مجموعه دیزل ژنراتور، الزامات عمر باتری افزایش می یابد.

به نظر ما دو دلیل عمده وجود دارد:

1. رشد سریع حجم اطلاعات پردازش و ارسال شده
   برای مثال، هواپیمای مسافربری جدید بوئینگ
   787 Dreamliner بیش از 500 گیگابایت اطلاعات را در یک پرواز تولید می کندکه
   باید ذخیره و پردازش شود.
2. رشد در پویایی مصرف انرژی الکتریکی. علیرغم روند کلی کاهش مصرف انرژی تجهیزات فناوری اطلاعات، کاهش مصرف انرژی ویژه قطعات الکترونیکی.

نمودار مصرف انرژی تنها یک مرکز داده عملیاتی
همین روند توسط پیش بینی های بازار مرکز داده در کشور ما نشان داده شده است.به گفته سایت expert.ruتعداد کل فضاهای رک مورد بهره برداری بیش از 20 هزار است. «تعداد فضاهای رک مورد بهره برداری توسط 20 شرکت بزرگ ارائه دهنده خدمات مرکز داده در سال 2017 با 3 درصد افزایش به 22,4 هزار رسید (داده های 1 اکتبر، 2017)،" - گزارش CNews Analytics می گوید. به گفته آژانس های مشاوره، انتظار می رود تا سال 2021 تعداد فضاهای رک به 49 هزار افزایش یابد. یعنی ظرف دو سال ظرفیت واقعی مرکز داده می تواند دو برابر شود. این به چه چیزی مرتبط است؟ اول از همه، با افزایش حجم اطلاعات: هم ذخیره شده و هم پردازش شده.

علاوه بر ابرها، بازیکنان توسعه ظرفیت های مرکز داده در مناطق را به عنوان نقاط رشد در نظر می گیرند: آنها تنها بخشی هستند که در آن ذخیره ای برای توسعه تجارت وجود دارد. طبق گزارش IKS-Consulting، در سال 2016، مناطق تنها 10٪ از کل منابع ارائه شده در بازار را به خود اختصاص دادند، در حالی که پایتخت و منطقه مسکو 73٪ از بازار و سن پترزبورگ و منطقه لنینگراد - 17٪ را اشغال کردند. در مناطق، کمبود منابع مرکز داده با درجه بالایی از تحمل خطا همچنان وجود دارد.

پیش‌بینی می‌شود تا سال 2025، حجم کل داده‌ها در جهان نسبت به سال 10، 2016 برابر افزایش یابد.

با این حال، لیتیوم چقدر برای یو پی اس سرور یا مرکز داده ایمن است؟

معایب: هزینه بالای محلول های Li-Ion.

قیمت باتری های لیتیوم یونی در مقایسه با محلول های استاندارد همچنان بالا است. طبق برآوردهای SE، هزینه های اولیه برای UPS های پرقدرت بالای 100 کیلو ولت آمپر برای محلول های Li-Ion 1,5 برابر بیشتر خواهد بود، اما در نهایت صرفه جویی در مالکیت 30-50٪ خواهد بود. اگر مقایسه ای با مجموعه نظامی-صنعتی کشورهای دیگر داشته باشیم، در اینجا خبر راه اندازی در داخل است عملیات یک زیردریایی ژاپنی با باتری های Li-Ion اغلب، باتری های فسفات آهن لیتیوم (LFP در عکس) به دلیل ارزان بودن نسبی و ایمنی بیشتر در چنین محلول هایی استفاده می شوند.

در مقاله ذکر شده است که 100 میلیون دلار برای باتری های جدید برای زیردریایی هزینه شده است، بیایید سعی کنیم آن را به مقادیر دیگر تبدیل کنیم ...4,2 هزار تن جابجایی زیر آب یک زیردریایی ژاپنی است. جابجایی سطح - 2,95 هزار تن. به عنوان یک قاعده، 20-25٪ وزن قایق را باتری ها تشکیل می دهند. از اینجا ما تقریباً 740 تن - باتری های سرب اسیدی مصرف می کنیم. علاوه بر این: جرم لیتیوم تقریباً 1/3 جرم باتری های سرب اسیدی است -> 246 تن لیتیوم. در 70 کیلووات ساعت بر کیلوگرم برای لیتیوم یون، ما تقریباً 17 مگاوات ساعت قدرت آرایه باتری دریافت می کنیم. و تفاوت جرم باتری ها تقریبا 495 تن است... در اینجا ما را در نظر نمی گیریم باتری های نقره ای رویکه به 14,5 تن نقره برای هر زیردریایی نیاز دارد و 4 برابر بیشتر از باتری های سرب اسیدی قیمت دارد. اجازه دهید یادآوری کنم که باتری های Li-Ion بسته به قدرت راه حل، اکنون فقط 1,5-2 برابر گران تر از VRLA هستند.
در مورد ژاپنی ها چطور؟ آنها خیلی دیر به یاد آوردند که "سبک کردن قایق" به میزان 700 تن مستلزم تغییر در قابلیت دریا و پایداری آن است... آنها احتمالاً مجبور بودند برای بازگرداندن توزیع وزن طراحی شده قایق، سلاح هایی را به قایق اضافه کنند.

باتری‌های لیتیوم یونی نیز وزن کمتری نسبت به باتری‌های اسید سرب دارند، بنابراین طراحی زیردریایی کلاس سوریو باید تا حدودی برای حفظ بالاست و پایداری دوباره طراحی می‌شد.

در ژاپن، دو نوع باتری لیتیوم یون ساخته شده و به شرایط عملیاتی رسیده است: لیتیوم نیکل، کبالت، آلومینیوم اکسید (NCA) تولید شده توسط GS Yuasa و لیتیوم تیتانات (LTO) تولید شده توسط شرکت توشیبا. به گفته کوبایاشی، نیروی دریایی ژاپن از باتری‌های NCA استفاده خواهد کرد، در حالی که به استرالیا باتری‌های LTO برای استفاده در زیردریایی‌های کلاس سوریو در مناقصه اخیر پیشنهاد شد.

با دانستن نگرش محترمانه نسبت به ایمنی در سرزمین طلوع خورشید، می توانیم فرض کنیم که مسائل ایمنی لیتیوم حل شده، آزمایش و گواهی شده است.

خطر: خطر آتش سوزی.

در اینجاست که هدف انتشار را متوجه خواهیم شد، زیرا نظرات کاملاً متضادی در مورد ایمنی این راه حل ها وجود دارد. اما همه اینها لفاظی است، اما راه حل های صنعتی خاص چطور؟

ما قبلاً در مورد مسائل امنیتی در خود بحث کرده ایم مقاله، اما اجازه دهید دوباره به این موضوع بپردازیم. اجازه دهید به شکلی بپردازیم که سطح حفاظت ماژول و سلول LMO/NMC باتری تولید شده توسط سامسونگ SDI و به عنوان بخشی از UPS اشنایدر الکتریک را بررسی می کند.

فرآیندهای شیمیایی در مقاله کاربر مورد بحث قرار گرفت LadyN باتری های لیتیوم یون چگونه منفجر می شوند؟. بیایید سعی کنیم خطرات احتمالی را در مورد خاص خود درک کنیم و آنها را با محافظت چند سطحی در سلول های SDI سامسونگ مقایسه کنیم، که بخشی جدایی ناپذیر از یک رک آماده Type G Li-Ion به عنوان بخشی از یک راه حل جامع مبتنی بر Galaxy VM است. .

بیایید با یک نمودار جریان کلی از خطرات و علل آتش سوزی در یک سلول لیتیوم یونی شروع کنیم.

یک بزرگتر چطور؟ عکس قابل کلیک است.

در زیر اسپویلر می توانید مسائل نظری خطرات آتش سوزی باتری های لیتیوم یون و فیزیک فرآیندها را مطالعه کنید.بلوک دیاگرام اولیه خطرات و علل آتش سوزی (خطر ایمنی) یک سلول لیتیوم یونی از مقاله علمی سال 2018.

از آنجایی که بسته به ساختار شیمیایی سلول لیتیوم یونی تفاوت هایی در ویژگی های فرار حرارتی سلول وجود دارد، در اینجا ما بر روی فرآیند توضیح داده شده در مقاله در سلول لیتیوم-نیکل-کبالت-آلومینیوم (بر اساس LiNiCoAIO2) تمرکز خواهیم کرد. یا NCA
فرآیند ایجاد حادثه در یک سلول را می توان به سه مرحله تقسیم کرد:

1. مرحله 1 (شروع). عملکرد طبیعی سلول زمانی که گرادیان افزایش دما از 0,2 درجه سانتیگراد در دقیقه تجاوز نمی کند و دمای سلول بسته به ساختار شیمیایی سلول از 130-200 درجه سانتیگراد تجاوز نمی کند.
2. مرحله 2، گرم کردن (شتاب). در این مرحله، دما افزایش می یابد، گرادیان دما به سرعت افزایش می یابد و انرژی حرارتی به طور فعال آزاد می شود. به طور کلی این فرآیند با انتشار گازها همراه است. تکامل بیش از حد گاز باید با عملکرد شیر اطمینان جبران شود.
3. مرحله 3، فرار حرارتی (Runaway). گرمایش باتری بیش از 180-200 درجه. در این حالت ماده کاتد وارد واکنش عدم تناسب شده و اکسیژن آزاد می کند. این سطح فرار حرارتی است، زیرا در این حالت ممکن است مخلوطی از گازهای قابل اشتعال با اکسیژن رخ دهد که باعث احتراق خود به خود می شود. با این حال، این فرآیند در برخی موارد قابل کنترل است، بخوانید - هنگامی که رژیم عوامل خارجی تغییر می کند، فرار حرارتی در برخی موارد بدون عواقب کشنده برای فضای اطراف متوقف می شود. قابلیت سرویس دهی و عملکرد خود سلول لیتیومی پس از این رویدادها در نظر گرفته نمی شود.

دمای فرار حرارتی به اندازه سلول، طراحی سلول و مواد بستگی دارد. دمای فرار حرارتی می تواند از 130 تا 200 درجه سانتیگراد متغیر باشد. زمان فرار حرارتی می تواند متفاوت باشد و از دقیقه، ساعت یا حتی روز متغیر باشد...

سلول های نوع LMO/NMC در یو پی اس های لیتیوم یونی چطور؟

یک بزرگتر چطور؟ عکس قابل کلیک است.

– برای جلوگیری از تماس آند با الکترولیت، از یک لایه سرامیکی به عنوان بخشی از سلول (SFL) استفاده می شود. حرکت یون های لیتیوم در دمای 130 درجه سانتیگراد مسدود می شود.

– علاوه بر دریچه دریچه محافظ، از سیستم حفاظتی Over Charge Device (OSD) استفاده شده است که همراه با فیوز داخلی کار می کند و سلول آسیب دیده را خاموش می کند و از رسیدن فرآیند فرار حرارتی به سطوح خطرناک جلوگیری می کند. علاوه بر این، زمانی که فشار به 3,5 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع برسد، سیستم OSD داخلی زودتر فعال می‌شود، یعنی نیمی کمتر از فشار پاسخ شیر ایمنی سلول.

به هر حال، فیوز سلول در جریان های بالاتر از 2500 A در کمتر از 2 ثانیه کار می کند. بیایید فرض کنیم که گرادیان دما به 10 درجه سانتیگراد در دقیقه برسد. در مدت 10 ثانیه، سلول زمانی که در حالت اورکلاک است، حدود 1,7 درجه به دمای خود اضافه می کند.

- یک جداکننده سه لایه در سلول در حالت شارژ، انتقال یون های لیتیوم به آند سلول را مسدود می کند. دمای انسداد 250 درجه سانتیگراد است.

حالا بیایید ببینیم که با دمای سلول چه چیزی داریم. اجازه دهید مقایسه کنیم که در چه مراحلی انواع مختلف حفاظت در سطح سلولی ایجاد می شوند.

— سیستم OSD – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= فشار خارجی
حفاظت اضافی در برابر جریان اضافه

— شیر اطمینان 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= فشار خارجی

- فیوز در داخل سلول 2 ثانیه در 2500A (بیش از حالت فعلی)

خطر فرار حرارتی یک سلول مستقیماً به درجه / سطح شارژ سلول بستگی دارد، جزئیات بیشتر در اینجا ...بیایید تأثیر سطح شارژ سلول را در زمینه خطرات فرار حرارتی در نظر بگیریم. بیایید جدول تناظر بین دمای سلول و پارامتر SOC (وضعیت شارژ، درجه شارژ باتری) را در نظر بگیریم.

سطح شارژ باتری به صورت درصد اندازه گیری می شود و نشان می دهد که چه مقدار از کل شارژ هنوز در باتری ذخیره می شود. در این مورد، ما حالت شارژ باتری را در نظر می گیریم. می توان نتیجه گرفت که بسته به شیمی سلول لیتیومی، باتری ممکن است در هنگام شارژ بیش از حد رفتار متفاوتی داشته باشد و حساسیت متفاوتی نسبت به فرار حرارتی داشته باشد. این به دلیل ظرفیت خاص متفاوت (A*h/gram) انواع مختلف سلول‌های Li-Ion است. هرچه ظرفیت ویژه سلول بیشتر باشد، در حین شارژ مجدد، گرما سریعتر آزاد می شود.

علاوه بر این، در 100٪ SOC، یک اتصال کوتاه خارجی اغلب باعث فرار حرارتی سلول می شود. از سوی دیگر، هنگامی که سلول در 80٪ SOC است، حداکثر دمای فرار حرارتی سلول به سمت بالا تغییر می کند. سلول در برابر شرایط اضطراری مقاوم تر می شود.

در نهایت، برای 70٪ SOC، اتصال کوتاه خارجی ممکن است به هیچ وجه باعث فرار حرارتی نشود. یعنی خطر اشتعال سلول به میزان قابل توجهی کاهش می یابد و محتمل ترین سناریو فقط عملکرد دریچه ایمنی باتری لیتیومی است.

علاوه بر این، از جدول می‌توان نتیجه گرفت که LFP (منحنی بنفش) باتری معمولاً دارای یک افزایش شدید دما است، یعنی مرحله "گرم کردن" به آرامی به مرحله "فرار حرارتی" منتقل می‌شود و پایداری این سیستم به شارژ بیش از حد بدتر است. همانطور که می بینیم باتری های LMO هنگام شارژ مجدد دارای ویژگی گرمایش نرم تری هستند.

مهم: هنگامی که سیستم OSD فعال می شود، سلول برای دور زدن تنظیم مجدد می شود. بنابراین، ولتاژ روی رک کاهش می‌یابد، اما همچنان در کار باقی می‌ماند و از طریق سیستم BMS خود رک، سیگنالی را به سیستم نظارت UPS ارائه می‌کند. در مورد یک سیستم UPS کلاسیک با باتری‌های VRLA، اتصال کوتاه یا قطع شدن یک باتری در یک رشته می‌تواند منجر به خرابی UPS به طور کلی و از بین رفتن عملکرد تجهیزات فناوری اطلاعات شود.

با توجه به موارد فوق، در مورد استفاده از محلول های لیتیوم در یو پی اس، خطرات زیر همچنان مرتبط هستند:

1. فرار حرارتی یک سلول یا ماژول در نتیجه یک اتصال کوتاه خارجی - چندین سطح حفاظت.
2. فرار حرارتی یک سلول یا ماژول در نتیجه نقص عملکرد باتری داخلی - چندین سطح حفاظت در سطح سلول یا ماژول.
3. شارژ بیش از حد - محافظت توسط BMS به علاوه تمام سطوح حفاظتی برای رک، ماژول، سلول.
4. آسیب مکانیکی مربوط به مورد ما نیست، خطر رویداد ناچیز است.
5. گرم شدن بیش از حد قفسه و تمام باتری ها (ماژول ها، سلول ها). غیر بحرانی تا 70-90 درجه. اگر دمای اتاق نصب یو پی اس از این مقادیر بالاتر رفت، به این معنی است که در ساختمان آتش گرفته است. در شرایط عادی عملیات مرکز داده، خطر یک رویداد ناچیز است.
6. کاهش عمر باتری در دمای بالا اتاق - کارکرد طولانی مدت در دمای تا 40 درجه بدون کاهش قابل توجه عمر باتری مجاز است. باتری های سرب نسبت به افزایش دما بسیار حساس هستند و به نسبت افزایش دما عمر باقیمانده خود را کاهش می دهند.

بیایید نگاهی به فلوچارت خطر تصادفات با باتری های لیتیوم یونی در مرکز داده ما، مورد استفاده اتاق سرور بیندازیم. بیایید نمودار را کمی ساده کنیم، زیرا UPS های لیتیومی در شرایط ایده آل کار می کنند، اگر شرایط عملکرد باتری های گجت، گوشی شما را با هم مقایسه کنیم.

عکس قابل کلیک است

نتیجه: باتری های لیتیومی تخصصی یو پی اس های مرکز داده و اتاق سرور دارای سطح حفاظتی کافی در برابر شرایط اضطراری هستند و در یک راه حل جامع، تعداد زیادی درجات حفاظتی مختلف و بیش از پنج سال تجربه در کارکرد این راه حل ها به ما اجازه می دهد تا از سطح بالایی از ایمنی فن آوری های جدید. از جمله، نباید فراموش کنیم که عملکرد باتری‌های لیتیومی در بخش ما مانند شرایط «گلخانه‌ای» برای فناوری‌های Li-Ion به نظر می‌رسد: برخلاف گوشی هوشمند شما در جیب شما، هیچ‌کس باتری را در مرکز داده رها نمی‌کند، بیش از حد گرم می‌شود، تخلیه نمی‌شود. هر روز، به طور فعال در حالت بافر استفاده کنید.

می توانید با ارسال یک درخواست از طریق ایمیل، جزئیات بیشتری را بیابید و در مورد راه حل خاصی با استفاده از باتری های لیتیوم یون برای اتاق سرور یا مرکز داده خود صحبت کنید. [ایمیل محافظت شده]، یا با درخواست در وب سایت شرکت www.ot.ru.

فن آوری های باز - راه حل های جامع قابل اعتماد از رهبران جهان، به طور خاص با اهداف و مقاصد شما سازگار شده است.

نویسنده: کولیکوف اولگ
مهندس طراحی پیشرو
بخش راه حل های یکپارچه سازی
شرکت فناوری های باز

فقط کاربران ثبت نام شده می توانند در نظرسنجی شرکت کنند. ورود، لطفا.

نظر شما در مورد ایمنی و کاربرد راه حل های صنعتی مبتنی بر فناوری های Li-Ion چیست؟

• ٪۱۰۰خطرناک، خودسوزی، تحت هیچ شرایطی آن را در اتاق سرور خود قرار نمی دهم.11

• ٪۱۰۰من به این موضوع علاقه ای ندارم، بنابراین ما به طور دوره ای باتری های کلاسیک را عوض می کنیم، و همه چیز اوکی است.7

• ٪۱۰۰ما باید فکر کنیم که آیا ممکن است ایمن و امیدوارکننده باشد یا خیر

• ٪۱۰۰جالب است، من به احتمالات نگاه خواهم کرد

• ٪۱۰۰علاقه مند! یک بار سرمایه گذاری کنید - و از تحت تأثیر قرار دادن کل مرکز داده به دلیل خرابی یک باتری سرب نترسید

• ٪۱۰۰جالب هست! مزایا بسیار بیشتر از معایب و خطرات است

68 کاربر رای دادند. 25 کاربر رای ممتنع دادند.

منبع: www.habr.com