Halo teman teman!
Setelah publikasi artikel Ada banyak komentar tentang bahaya solusi Li-Ion untuk server dan pusat data. Oleh karena itu, hari ini kami akan mencoba mencari tahu apa perbedaan antara solusi litium industri untuk UPS dan baterai di gadget Anda, perbedaan kondisi pengoperasian baterai di ruang server, mengapa baterai di ponsel Li-Ion tidak tahan lama. lebih dari 2-3 tahun, dan di pusat data angka ini akan meningkat menjadi 10 tahun atau lebih. Mengapa risiko kebakaran litium di pusat data/ruang server minimal.
Ya, kecelakaan dengan baterai UPS mungkin saja terjadi, apa pun jenis perangkat penyimpanan energinya, namun mitos tentang “bahaya kebakaran” pada solusi litium industri tidaklah benar.
Lagipula, banyak yang sudah melihatnya dengan baterai litium di dalam mobil yang melaju di jalan raya? Jadi, mari kita lihat, cari tahu, bandingkan...
Di sini kita melihat kasus khas dari pemanasan sendiri yang tidak terkendali, pelepasan panas pada baterai ponsel, yang menyebabkan kejadian seperti itu. Anda akan berkata: DI SINI! Itu hanya telepon, hanya orang gila yang akan menaruh benda seperti itu di ruang server!
Saya yakin setelah mempelajari materi ini, pembaca akan mengubah sudut pandangnya tentang masalah ini.
Situasi terkini di pasar pusat data
Bukan rahasia lagi bahwa membangun pusat data merupakan investasi jangka panjang. Harga peralatan teknik saja bisa mencapai 50% dari biaya seluruh biaya modal. Jangka waktu pengembaliannya sekitar 10-15 tahun. Tentu saja, ada keinginan untuk mengurangi total biaya kepemilikan di seluruh siklus hidup pusat data, dan pada saat yang sama juga memadatkan peralatan teknik, sehingga memberikan ruang sebanyak mungkin untuk muatan.
Solusi optimalnya adalah iterasi baru UPS industri berbasis baterai Li-Ion, yang telah lama menghilangkan “penyakit masa kanak-kanak” dalam bentuk bahaya kebakaran, algoritme pengosongan muatan yang salah, dan telah memperoleh banyak mekanisme perlindungan.
Dengan meningkatnya kapasitas peralatan komputasi dan jaringan, permintaan UPS semakin meningkat. Pada saat yang sama, persyaratan masa pakai baterai meningkat jika terjadi masalah dengan pasokan daya terpusat dan/atau kegagalan saat menghidupkan sumber daya cadangan jika genset diesel digunakan/tersedia.
Menurut kami, ada dua alasan utama:
- Pertumbuhan pesat dalam volume informasi yang diproses dan dikirimkan
Misalnya, yang
perlu disimpan dan diproses. - Pertumbuhan dinamika konsumsi energi listrik. Meskipun ada tren umum penurunan konsumsi energi peralatan TI, pengurangan konsumsi energi spesifik komponen elektronik.
Grafik konsumsi energi hanya satu pusat data yang beroperasi
Tren yang sama juga ditunjukkan oleh perkiraan pasar pusat data di negara kita.Menurut situs tersebut, jumlah ruang rak yang dioperasikan lebih dari 20 ribu. “Jumlah ruang rak yang dioperasikan oleh 20 penyedia layanan pusat data terbesar pada tahun 2017 meningkat sebesar 3% dan mencapai 22,4 ribu (data per 1 Oktober, 2017),” – kata laporan CNews Analytics. Menurut lembaga konsultan, pada tahun 2021 jumlah ruang rak diperkirakan meningkat menjadi 49 ribu. Artinya, dalam dua tahun sebenarnya kapasitas data center bisa berlipat ganda. Apa hubungannya ini? Pertama-tama, dengan bertambahnya jumlah informasi: baik yang disimpan maupun diproses.
Selain cloud, para pelaku pasar menganggap pengembangan kapasitas pusat data di wilayah tersebut sebagai titik pertumbuhan: mereka adalah satu-satunya segmen yang memiliki cadangan untuk pengembangan bisnis. Menurut IKS-Consulting, pada tahun 2016, wilayah hanya menyumbang 10% dari seluruh sumber daya yang ditawarkan di pasar, sementara ibu kota dan wilayah Moskow menempati 73% pasar, dan St. Petersburg dan wilayah Leningrad - 17%. Di wilayah tertentu, masih terdapat kekurangan sumber daya pusat data dengan tingkat toleransi kesalahan yang tinggi.
Pada tahun 2025, jumlah total data di dunia diproyeksikan meningkat 10 kali lipat dibandingkan tahun 2016.
Namun, seberapa amankah litium untuk UPS server atau pusat data?
Kerugian: tingginya biaya solusi Li-Ion.
Harga baterai lithium-ion masih tinggi dibandingkan solusi standar. Menurut perkiraan SE, biaya awal untuk UPS berdaya tinggi di atas 100 kVA untuk solusi Li-Ion akan 1,5 kali lebih tinggi, namun pada akhirnya penghematan kepemilikan akan mencapai 30-50%. Jika kita bandingkan dengan kompleks industri militer negara lain, berikut berita peluncurannya dengan baterai Li-Ion. Cukup sering, baterai lithium iron phosphate (LFP di foto) digunakan dalam solusi tersebut karena harganya yang relatif murah dan lebih aman.
Artikel tersebut menyebutkan bahwa $100 juta dihabiskan untuk baterai baru untuk kapal selam, mari kita coba mengubahnya menjadi nilai lain...4,2 ribu ton adalah perpindahan bawah air kapal selam Jepang. Perpindahan permukaan - 2,95 ribu ton. Biasanya, 20-25% berat kapal terdiri dari baterai. Dari sini kami mengambil sekitar 740 ton - baterai timbal-asam. Selanjutnya: massa litium kira-kira 1/3 massa baterai timbal-asam -> 246 ton litium. Pada 70 kWh/kg untuk Li-Ion kami mendapatkan daya rangkaian baterai sekitar 17 MWh. Dan selisih massa baterainya kurang lebih 495 ton... Di sini kami tidak memperhitungkan , yang membutuhkan 14,5 ton perak per kapal selam, dan harganya 4 kali lebih mahal dibandingkan baterai timbal-asam. Izinkan saya mengingatkan Anda bahwa baterai Li-Ion sekarang hanya 1,5-2 kali lebih mahal daripada VRLA, tergantung pada kekuatan solusinya.
Bagaimana dengan orang Jepang? Mereka terlambat ingat bahwa “meringankan kapal” sebanyak 700 ton berarti mengubah kelaikan dan stabilitasnya... Mereka mungkin harus menambahkan senjata ke kapal untuk mengembalikan distribusi berat desain kapal.
Baterai litium-ion juga lebih ringan dibandingkan baterai timbal-asam, sehingga desain kapal selam kelas Soryu harus didesain ulang untuk menjaga pemberat dan stabilitas.
Di Jepang, dua jenis baterai litium-ion telah dibuat dan dioperasikan: litium-nikel-kobalt-aluminium-oksida (NCA) yang diproduksi oleh GS Yuasa dan litium titanat (LTO) yang diproduksi oleh Toshiba Corporation. Angkatan Laut Jepang akan menggunakan baterai NCA, sementara Australia ditawari baterai LTO untuk digunakan pada kapal selam kelas Soryu dalam tender baru-baru ini, menurut Kobayashi.
Mengetahui sikap hormat terhadap keselamatan di Negeri Matahari Terbit, kita dapat berasumsi bahwa masalah keamanan litium telah diselesaikan, diuji, dan disertifikasi.
Risiko: bahaya kebakaran.
Di sinilah kita akan mengetahui tujuan publikasi ini, karena terdapat pendapat yang bertentangan secara diametris mengenai keamanan solusi ini. Tapi ini semua hanya retorika, tapi bagaimana dengan solusi industri yang spesifik?
Kami telah membahas masalah keamanan di kami , tapi mari kita bahas masalah ini lagi. Mari kita lihat gambar yang menguji tingkat perlindungan modul dan sel LMO/NMC pada baterai yang diproduksi oleh Samsung SDI dan digunakan sebagai bagian dari UPS Schneider Electric.
Proses kimia telah dibahas dalam artikel pengguna . Mari kita coba memahami kemungkinan risiko dalam kasus khusus kita dan membandingkannya dengan perlindungan multi-level pada sel Samsung SDI, yang merupakan bagian integral dari rak Li-Ion Tipe G yang sudah jadi sebagai bagian dari solusi komprehensif berdasarkan Galaxy VM .
Mari kita mulai dengan diagram alur kasus umum mengenai risiko dan penyebab kebakaran pada sel litium-ion.
Di bawah spoiler, Anda dapat mempelajari masalah teoretis tentang risiko kebakaran baterai lithium-ion dan fisika prosesnyaDiagram blok awal risiko dan penyebab kebakaran (Safety Hazard) sel lithium-ion dari 2018 tahun.
Karena bergantung pada struktur kimia sel litium-ion, terdapat perbedaan dalam karakteristik pelarian termal sel, di sini kita akan fokus pada proses yang dijelaskan dalam artikel dalam sel litium-nikel-kobalt-aluminium (berdasarkan LiNiCoAIO2) atau NCA.
Proses berkembangnya kecelakaan di dalam sel dapat dibagi menjadi tiga tahap:
- tahap 1 (Awal). Pengoperasian normal sel ketika gradien kenaikan suhu tidak melebihi 0,2 derajat Celcius per menit, dan suhu sel itu sendiri tidak melebihi 130-200 derajat Celcius, tergantung pada struktur kimia sel;
- tahap 2, pemanasan (Akselerasi). Pada tahap ini, suhu meningkat, gradien suhu meningkat dengan cepat, dan energi panas dilepaskan secara aktif. Pada umumnya proses ini disertai dengan keluarnya gas. Evolusi gas yang berlebihan harus dikompensasi dengan pengoperasian katup pengaman;
- tahap 3, pelarian termal (Pelarian). Baterai memanas lebih dari 180-200 derajat. Dalam hal ini, bahan katoda mengalami reaksi disproporsionasi dan melepaskan oksigen. Ini adalah tingkat pelarian termal, karena dalam hal ini dapat terjadi campuran gas yang mudah terbakar dengan oksigen, yang akan menyebabkan pembakaran spontan. Namun, proses ini dalam beberapa kasus dapat dikendalikan, dibaca - ketika rezim faktor eksternal berubah, pelepasan panas dalam beberapa kasus berhenti tanpa konsekuensi fatal bagi ruang di sekitarnya. Kemudahan servis dan kinerja sel litium itu sendiri setelah kejadian ini tidak dipertimbangkan.
Temperatur pelarian termal bergantung pada ukuran sel, desain sel, dan material. Suhu pelarian termal dapat bervariasi dari 130 hingga 200 derajat Celcius. Waktu pelarian termal dapat bervariasi dan berkisar dari menit, jam atau bahkan hari...
Bagaimana dengan sel tipe LMO/NMC pada UPS litium-ion?
– Untuk mencegah kontak anoda dengan elektrolit, digunakan lapisan keramik sebagai bagian sel (SFL). Pergerakan ion litium terhambat pada suhu 130 derajat Celcius.
– Selain katup ventilasi pelindung, digunakan sistem perlindungan Over Charge Device (OSD), yang bekerja bersama dengan sekering internal dan mematikan sel yang rusak, mencegah proses pelarian termal mencapai tingkat berbahaya. Selain itu, sistem OSD internal akan terpicu lebih awal, ketika tekanan mencapai 3,5 kgf/cm2, yaitu setengah lebih rendah dari tekanan respons katup pengaman sel.
Omong-omong, sekering sel akan beroperasi pada arus di atas 2500 A dalam waktu tidak lebih dari 2 detik. Mari kita asumsikan gradien suhu mencapai 10 derajat C/menit. Dalam 10 detik, sel akan memiliki waktu untuk menambah suhu sekitar 1,7 derajat saat dalam mode overclocking.
– Pemisah tiga lapis dalam sel dalam mode isi ulang akan memblokir transisi ion litium ke anoda sel. Suhu pemblokiran adalah 250 derajat Celcius.
Sekarang mari kita lihat apa yang kita miliki dengan suhu sel; Mari kita bandingkan pada tahap apa berbagai jenis perlindungan dipicu pada tingkat sel.
— Sistem OSD – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= tekanan eksternal
Perlindungan tambahan terhadap arus lebih.
— katup pengaman 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= tekanan eksternal
- sekering di dalam sel 2 detik pada 2500A (mode arus berlebih)
Risiko pelepasan panas suatu sel secara langsung bergantung pada derajat/tingkat muatan sel, detail lebih lanjut di sini...Mari kita pertimbangkan pengaruh tingkat muatan sel dalam konteks risiko pelarian termal. Mari kita perhatikan tabel korespondensi antara suhu sel dan parameter SOC (Status Pengisian, tingkat pengisian baterai).
Tingkat pengisian daya baterai diukur dalam persentase dan menunjukkan berapa banyak total daya yang masih tersimpan di baterai. Dalam hal ini, kami sedang mempertimbangkan mode pengisian ulang baterai. Dapat disimpulkan bahwa bergantung pada kimia sel litium, baterai mungkin berperilaku berbeda ketika diisi daya berlebih dan memiliki kerentanan berbeda terhadap pelarian termal. Hal ini disebabkan oleh perbedaan kapasitas spesifik (A*h/gram) dari jenis sel Li-Ion yang berbeda. Semakin besar kapasitas spesifik sel, semakin cepat pelepasan panas selama pengisian ulang.
Selain itu, pada SOC 100%, korsleting eksternal sering kali menyebabkan hilangnya panas sel. Di sisi lain, ketika sel berada pada SOC 80%, suhu pelarian termal maksimum sel bergeser ke atas. Sel menjadi lebih tahan terhadap kondisi darurat.
Terakhir, untuk SOC 70%, korsleting eksternal mungkin tidak menyebabkan pelepasan panas sama sekali. Artinya, risiko penyalaan sel berkurang secara signifikan, dan skenario yang paling mungkin terjadi hanyalah pengoperasian katup pengaman baterai litium.
Selain itu, dari tabel tersebut kita dapat menyimpulkan bahwa LFP (kurva ungu) baterai biasanya mengalami kenaikan suhu yang tajam, yaitu tahap “pemanasan” dengan mulus bertransisi ke tahap “pelarian termal”, dan stabilitas baterai sistem ini terhadap pengisian daya yang berlebihan agak lebih buruk. Baterai LMO, seperti yang bisa kita lihat, memiliki karakteristik pemanasan yang lebih lancar saat diisi ulang.
PENTING: Ketika sistem OSD dipicu, sel diatur ulang untuk memintas. Dengan demikian, tegangan pada rak berkurang, namun tetap beroperasi dan memberikan sinyal ke sistem pemantauan UPS melalui sistem BMS pada rak itu sendiri. Dalam kasus sistem UPS klasik dengan baterai VRLA, korsleting atau putusnya satu baterai dalam satu rangkaian dapat menyebabkan kegagalan UPS secara keseluruhan dan hilangnya fungsionalitas peralatan TI.
Berdasarkan hal di atas, dalam kasus penggunaan solusi litium di UPS, risiko berikut tetap relevan:
- Pelarian termal sel atau modul akibat korsleting eksternal - beberapa tingkat perlindungan.
- Pelarian termal suatu sel atau modul sebagai akibat dari kerusakan baterai internal - beberapa tingkat perlindungan pada tingkat sel atau modul.
- Overcharge – perlindungan oleh BMS ditambah semua tingkat perlindungan untuk rak, modul, sel.
- Kerusakan mekanis tidak relevan untuk kasus kami, risiko kejadian dapat diabaikan.
- Rak dan semua baterai (modul, sel) terlalu panas. Tidak kritis hingga 70-90 derajat. Jika suhu di ruang instalasi UPS naik melebihi nilai tersebut, berarti terjadi kebakaran di dalam gedung. Dalam kondisi pengoperasian pusat data normal, risiko kejadian dapat diabaikan.
- Mengurangi masa pakai baterai pada suhu ruangan yang tinggi - pengoperasian jangka panjang pada suhu hingga 40 derajat diperbolehkan tanpa penurunan masa pakai baterai yang nyata. Baterai timbal sangat sensitif terhadap peningkatan suhu dan mengurangi sisa masa pakainya sebanding dengan peningkatan suhu.
Mari kita lihat diagram alur risiko kecelakaan dengan baterai lithium-ion di pusat data kami, kasus penggunaan ruang server. Mari kita sederhanakan diagramnya sedikit, karena UPS lithium akan dioperasikan dalam kondisi ideal, jika kita membandingkan kondisi pengoperasian baterai di gadget atau ponsel Anda.
KESIMPULAN: Baterai lithium khusus untuk pusat data dan UPS ruang server memiliki tingkat perlindungan yang memadai terhadap situasi darurat, dan dalam solusi komprehensif, sejumlah besar tingkat perlindungan yang berbeda dan pengalaman lebih dari lima tahun dalam mengoperasikan solusi ini memungkinkan kita untuk berbicara tentang tingkat keamanan yang tinggi dari teknologi baru. Antara lain, kita tidak boleh lupa bahwa pengoperasian baterai litium di sektor kita tampak seperti kondisi "rumah kaca" untuk teknologi Li-Ion: tidak seperti ponsel cerdas yang ada di saku, tidak ada yang akan menjatuhkan baterai di pusat data, terlalu panas, habis. setiap hari, gunakan secara aktif dalam mode buffer.
Anda dapat mengetahui lebih detail dan mendiskusikan solusi spesifik penggunaan baterai lithium-ion untuk ruang server atau pusat data Anda dengan mengirimkan permintaan melalui email , atau dengan mengajukan permintaan di situs web perusahaan .
TEKNOLOGI TERBUKA – solusi komprehensif yang andal dari para pemimpin dunia, yang disesuaikan secara khusus dengan tujuan dan sasaran Anda.
penulis: Kulikov Oleg
Insinyur Desain Terkemuka
Departemen Solusi Integrasi
Perusahaan Teknologi Terbuka
Hanya pengguna terdaftar yang dapat berpartisipasi dalam survei. , silakan.
Apa pendapat Anda tentang keamanan dan penerapan solusi industri berdasarkan teknologi Li-Ion?
-
16,2%Berbahaya, dapat menyala sendiri, dalam keadaan apa pun saya tidak akan menaruhnya di ruang server saya.11
-
10,3%Saya tidak tertarik dengan hal ini, jadi kami mengganti baterai klasik secara berkala, dan semuanya baik-baik saja.7
-
16,2%Kita perlu memikirkan apakah hal ini aman dan menjanjikan.11
-
23,5%Menarik, saya akan melihat kemungkinannya.16
-
13,2%Tertarik! Investasikan sekali - dan jangan takut membebani seluruh pusat data karena kegagalan satu baterai utama.9
-
20,6%Menarik! Keuntungannya jauh lebih besar daripada kerugian dan risikonya.14
68 pengguna memilih. 25 pengguna abstain.
Sumber: www.habr.com