リチウムイオン UPS の時代: 火災の危険性、それとも安全な未来への一歩?

Здравствуйте、друзья！

記事公開後 「UPS とバッテリーアレイ: どこに置くか? ちょっと待って" サーバーやデータセンター向けのリチウムイオンソリューションの危険性については、多くのコメントが寄せられています。 したがって、今日は、UPS 用の産業用リチウム ソリューションとガジェットのバッテリーの違いは何なのか、サーバー ルームのバッテリーの動作条件はどのように異なるのか、なぜリチウムイオン携帯電話のバッテリーが長持ちしないのかを解明していきます。 2 ～ 3 年以上、データセンターではこの数字は 10 年以上に増加します。 データセンター/サーバールームでのリチウム火災のリスクが最小限である理由。

確かに、エネルギー貯蔵装置の種類に関係なく、UPS バッテリーによる事故の可能性はありますが、産業用リチウム ソリューションの「火災の危険性」に関する通説は真実ではありません。

結局のところ、多くの人がそれを見てきました 携帯電話が発火するビデオ 高速道路を走行中の車にリチウム電池を搭載していますか? それで、見て、理解して、比較してみましょう...

ここでは、このようなインシデントを引き起こした、携帯電話のバッテリーの制御不能な自己発熱、熱暴走の典型的なケースを示しています。 あなたはこう言うでしょう：ここです！ これは単なる電話です。そのようなものをサーバー ルームに置くのは、頭のおかしい人だけです。

この資料を学んだ後、読者はこの問題についての見方が変わると確信しています。

データセンター市場の現状

データセンターの構築が長期的な投資であることは周知の事実です。 エンジニアリング機器の価格だけでも、すべての資本コストの 50% に達する場合があります。 投資回収期間は約 10 ～ 15 年です。 当然のことながら、データセンターのライフサイクル全体を通じて総所有コストを削減し、同時にエンジニアリング機器をコンパクトにしてペイロード用にできるだけ多くのスペースを確保したいという要望があります。

最適な解決策は、リチウムイオン電池をベースにした産業用 UPS の新しいバージョンです。これは火災の危険や誤った充放電アルゴリズムなどの「小児病」を長い間取り除き、大量の保護メカニズムを獲得しています。

コンピューティングおよびネットワーク機器の容量の増加に伴い、UPS の需要が高まっています。 同時に、集中電源の問題やディーゼル発電機セットの使用/可用性の場合のバックアップ電源の起動時の障害が発生した場合に、バッテリー寿命に対する要件が増加します。

私たちの意見では、主な理由は XNUMX つあります。

1. 処理および送信される情報量の急速な増加
   たとえば、 ボーイング社の新型旅客機
   787 ドリームライナーは 500 回のフライトで XNUMX ギガバイトを超える情報を生成しますどれ
   保存して処理する必要があります。
2. 電力エネルギー消費のダイナミクスの増加。 IT 機器のエネルギー消費量を削減するという一般的な傾向にもかかわらず、電子コンポーネントの特定のエネルギー消費量は削減されています。

稼働中の XNUMX つのデータセンターのみのエネルギー消費グラフ
我が国のデータセンター市場予測でも同様の傾向が示されています。サイトによると expert.ru「20 年にデータセンター サービス プロバイダー大手 20 社が稼働させたラック スペースの数は 2017% 増加し、3 千個に達しました (データは 22,4 年 1 月 2017 日時点)。」 2021)」と CNews Analytics レポートは述べています。 コンサルティング会社によると、49 年までにラックスペースの数は XNUMX に増加すると予想されています。 つまり、XNUMX 年後にはデータセンターの実際の容量が XNUMX 倍になる可能性があります。 これは何と関係があるのでしょうか？ まず第一に、保存される情報と処理される情報の量が増加することです。

クラウドに加えて、各地域のデータセンター能力の開発が成長ポイントであるとプレーヤーは考えています。これらの地域は、ビジネス開発のための余力がある唯一のセグメントです。 IKS-Consulting によると、2016 年に市場で提供されている全リソースのうち、これらの地域が占める割合はわずか 10% に過ぎず、首都とモスクワ地域が市場の 73%、サンクトペテルブルクとレニングラード地域が 17% を占めていました。 地域では、高度な耐障害性を備えたデータセンターのリソースが不足し続けています。

2025 年までに、世界のデータ総量は 10 年と比較して 2016 倍に増加すると予測されています。

それでも、サーバーやデータセンターの UPS にとってリチウムはどの程度安全なのでしょうか?

欠点: リチウムイオン ソリューションはコストが高い。

リチウムイオン電池の価格は、標準的なソリューションと比較して依然として高価です。 SE の見積もりによると、リチウムイオン ソリューション用の 100 kVA を超える高出力 UPS の初期コストは 1,5 倍になりますが、最終的には所有権の節約は 30 ～ 50% になります。 他国の軍産複合体と比較すると、次のようなニュースがあります。 日本の潜水艦の運用 リチウムイオン電池搭載。 比較的安価で安全性が高いため、このようなソリューションにはリン酸鉄リチウム電池 (写真では LFP) がよく使用されます。

記事では、潜水艦の新しいバッテリーに 100 億ドルが費やされたと述べています。これを他の価値に換算してみましょう...4,2千トンは日本の潜水艦の水中排水量に相当します。 表面変位 - 2,95千トン。 通常、ボートの重量の 20 ～ 25% はバッテリーで構成されています。 ここから約740トンの鉛蓄電池が運ばれます。 さらに、リチウムの質量は鉛蓄電池の約 1/3 -> リチウム 246 トンです。 リチウムイオンの場合は 70 kWh/kg で、約 17 MWh のバッテリー アレイ電力が得られます。 そして、バッテリーの質量の差は約495トンです...ここでは考慮しません 銀亜鉛電池、潜水艦14,5隻あたり4トンの銀が必要で、鉛蓄電池の1,5倍のコストがかかります。 ソリューションの能力にもよりますが、リチウムイオン電池は現在、VRLA よりも 2​​ ～ XNUMX 倍高価であることを思い出してください。
日本人はどうですか？ 彼らは、700 トンの「ボートの軽量化」には耐航性と安定性の変化が伴うことを遅すぎて思い出しました...おそらくボートの設計重量配分を戻すために、船上に兵器を追加する必要があったでしょう。

リチウムイオン電池は鉛蓄電池よりも軽量であるため、バラストと安定性を維持するためにそうりゅう型潜水艦の設計を若干再設計する必要がありました。

日本では、GSユアサが製造するリチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（NCA）と東芝が製造するチタン酸リチウム（LTO）のXNUMX種類のリチウムイオン電池が開発され、実用化されています。 小林氏によると、日本海軍はNCAバッテリーを使用する予定だが、オーストラリアは最近の入札でそうりゅう型潜水艦に使用するLTOバッテリーを提供されたという。

日出ずる国の安全に対する敬虔な姿勢を知れば、リチウムの安全性の問題は解決され、テストされ、認証されていると考えることができます。

リスク: 火災の危険。

これらのソリューションの安全性については正反対の意見があるため、ここで公開の目的を判断します。 しかし、これはすべてレトリックですが、具体的な産業上の解決策についてはどうでしょうか?

セキュリティの問題についてはすでに記事で説明しました。 記事ですが、この問題についてはもう一度考えてみましょう。 Samsung SDI が製造し、Schneider Electric UPS の一部として使用されているバッテリーのモジュールと LMO/NMC セルの保護レベルを調べた図に移りましょう。

化学プロセスについてはユーザーの記事で説明されています LadyN リチウムイオン電池はどのようにして爆発するのでしょうか?。 特定のケースで考えられるリスクを理解し、Samsung SDI セルのマルチレベル保護と比較してみましょう。Samsung SDI セルは、Galaxy VM に基づく包括的なソリューションの一部として、既製の Type G リチウムイオン ラックの不可欠な部分です。 。

リチウムイオン電池の火災のリスクと原因の一般的なケースのフローチャートから始めましょう。

もっと大きなものはどうですか？ 写真はクリック可能です。

スポイラーの下では、リチウムイオン電池の火災リスクに関する理論的問題とプロセスの物理学を学ぶことができます。リチウムイオン電池の火災のリスクと原因 (安全上の危険) の初期ブロック図 科学論文 2018年。

リチウムイオン電池の化学構造に応じて電池の熱暴走特性に違いがあるため、ここではリチウム-ニッケル-コバルト-アルミニウム電池（LiNiCoAIO2ベース）の記事で説明されているプロセスに焦点を当てます。またはNCA。
セル内で事故が発生するプロセスは、次の XNUMX つの段階に分けられます。

1. ステージ 1 (発症)。 温度上昇勾配が毎分 0,2 ℃を超えず、セルの化学構造に応じてセル温度自体が 130 ～ 200 ℃を超えない場合のセルの通常動作。
2. ステージ2、ウォームアップ（加速）。 この段階では温度が上昇し、温度勾配が急激に大きくなり、熱エネルギーが活発に放出されます。 一般に、このプロセスにはガスの放出が伴います。 過剰なガスの発生は安全弁の動作によって補償する必要があります。
3. ステージ3、熱暴走（暴走）。 バッテリーが 180 ～ 200 度以上加熱されます。 この場合、カソード材料は不均化反応を起こし、酸素を放出します。 この場合、可燃性ガスと酸素の混合物が発生し、自然発火を引き起こす可能性があるため、これは熱暴走のレベルです。 ただし、場合によっては、このプロセスを制御したり、読み取ることができます。外部要因の状況が変化すると、場合によっては、周囲の空間に致命的な影響を与えることなく熱暴走が停止します。 これらの事象後のリチウム電池自体の保守性と性能は考慮されていません。

熱暴走温度は、セルのサイズ、セルの設計、および材料によって異なります。 熱暴走温度は摂氏 130 度から 200 度まで変化します。 熱暴走時間はさまざまで、数分、数時間、さらには数日にも及ぶ可能性があります。

リチウムイオン UPS の LMO/NMC タイプのセルはどうですか?

もっと大きなものはどうですか？ 写真はクリック可能です。

– アノードと電解液の接触を防ぐために、セル (SFL) の一部としてセラミック層が使用されます。 リチウムイオンの動きは130℃でブロックされます。

– 保護ベントバルブに加えて、過充電デバイス (OSD) 保護システムが使用されており、内部ヒューズと連携して動作し、損傷したセルをオフにして、熱暴走プロセスが危険なレベルに達するのを防ぎます。 さらに、圧力が 3,5 kgf/cm2、つまりセルの安全弁の応答圧力の半分以下に達すると、内部 OSD システムがより早く作動します。

ちなみに、セルヒューズは 2500 A を超える電流でも 2 秒以内に動作します。 温度勾配が 10 ℃/分の読み取り値に達したと仮定します。 オーバークロック モード中、10 秒以内にセルの温度が約 1,7 度上昇します。

– 再充電モードのセル内の 250 層セパレーターは、セルのアノードへのリチウムイオンの移行をブロックします。 ブロッキング温度はXNUMX℃です。

次に、セル温度について見てみましょう。 さまざまな種類の保護がどの段階でセルレベルでトリガーされるかを比較してみましょう。

— OSD システム – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= 外圧
過電流に対する追加の保護。

— 安全弁 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= 外圧

- セル内のヒューズを 2A で 2500 秒間 (過電流モード)

セルの熱暴走のリスクは、セルの充電の程度/レベルに直接依存します。詳細については、こちらをご覧ください...熱暴走のリスクとの関連で、セルの充電レベルの影響を考えてみましょう。 セル温度とSOCパラメータ（State of Charge、バッテリーの充電度）の対応表を考えてみましょう。

バッテリーの充電レベルはパーセンテージで測定され、総充電量のうちどれだけがバッテリーにまだ蓄えられているかを示します。 この場合、バッテリーの充電モードを考慮します。 リチウム電池の化学的性質に応じて、過充電時のバッテリーの動作が異なる可能性があり、熱暴走に対する感受性が異なると結論付けることができます。 これは、種類の異なるリチウムイオン電池の比容量 (A*h/グラム) が異なるためです。 セルの比容量が大きいほど、再充電中の熱放出が速くなります。

さらに、100% の SOC では、外部短絡によりセルが熱暴走を引き起こすことがよくあります。 一方、セルの SOC が 80% にある場合、セルの最大熱暴走温度は上方にシフトします。 細胞は緊急事態に対する耐性が高まります。

最後に、SOC が 70% の場合、外部短絡は熱暴走をまったく引き起こさない可能性があります。 つまり、セルの発火リスクが大幅に軽減され、最も可能性の高いシナリオは、リチウム電池の安全弁が作動するだけです。

さらに、表から、バッテリーの LFP (紫色の曲線) は通常、急激な温度上昇、つまり「ウォームアップ」段階から「熱暴走」段階にスムーズに移行し、バッテリーの安定性が保たれていると結論付けることができます。このシステムは過充電に対して多少劣ります。 ご覧のとおり、LMO バッテリーは充電時の加熱特性がよりスムーズです。

重要： OSD システムがトリガーされると、セルはバイパスにリセットされます。 したがって、ラックの電圧は低下しますが、動作は継続し、ラック自体の BMS システムを介して UPS 監視システムに信号を提供します。 VRLA バッテリを使用した従来の UPS システムの場合、ストリング内の XNUMX つのバッテリ内で短絡または破損が発生すると、UPS 全体が故障し、IT 機器の機能が失われる可能性があります。

上記に基づいて、UPS でリチウム ソリューションを使用する場合、次のリスクが依然として関係します。

1. 外部短絡によるセルまたはモジュールの熱暴走 - いくつかのレベルの保護。
2. 内部バッテリーの故障によるセルまたはモジュールの熱暴走 - セルまたはモジュール レベルでのいくつかのレベルの保護。
3. 過充電 – BMS による保護に加えて、ラック、モジュール、セルのすべてのレベルの保護。
4. 機械的損傷は今回のケースには関係なく、イベントのリスクは無視できます。
5. ラックおよびすべてのバッテリー (モジュール、セル) の過熱。 70〜90度までは危険ではありません。 UPS 設置室内の温度がこれらの値を超えて上昇した場合は、建物内で火災が発生していることを意味します。 データセンターの通常の運用状況では、イベントのリスクは無視できます。
6. 室温が上昇するとバッテリ寿命が減少します - 40 度までの温度で長時間動作しても、バッテリ寿命が顕著に低下することはありません。 鉛バッテリーは温度上昇に非常に敏感で、温度上昇に比例して寿命が短くなります。

データセンター、サーバールームの使用例におけるリチウムイオン電池の事故リスクのフローチャートを見てみましょう。 あなたのガジェットや携帯電話のバッテリーの動作条件を比較すると、リチウム UPS は理想的な条件で動作するため、図を少し単純化してみましょう。

写真はクリック可能です。

結論： データセンターおよびサーバールームの UPS 用に特化したリチウム電池は、緊急事態に対する十分なレベルの保護を備えています。また、包括的なソリューションでは、さまざまな保護のレベルが多数あり、これらのソリューションの運用における XNUMX 年以上の経験により、当社は以下のことを話すことができます。新技術の高い安全性。 とりわけ、私たちの分野におけるリチウム電池の運用は、リチウムイオン技術にとって「温室」状態であることを忘れてはなりません。ポケットの中にあるスマートフォンとは異なり、誰もデータセンターに電池を落としたり、過熱したり、放電したりすることはありません。毎日、バッファモードを積極的に使用してください。

電子メールでリクエストを送信することで、サーバー ルームまたはデータ センターにリチウムイオン電池を使用した具体的なソリューションについて詳細を確認し、話し合うことができます。 [メール保護]、または会社の Web サイトからリクエストすることにより、 www.ot.ru.

オープンテクノロジー – 世界のリーダーによる信頼性の高い包括的なソリューション。お客様の目標や目的に合わせてカスタマイズできます。

著者： クリコフ・オレグ
一流の設計エンジニア
インテグレーションソリューション部
オープンテクノロジー社

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リチウムイオン技術に基づく産業ソリューションの安全性と適用可能性についてどう思いますか?

• 視聴者の３８%が危険で自己発火するため、いかなる状況であってもサーバー ルームに置くことはできません。11

• 視聴者の３８%が私はこれには興味がないので、クラシックバッテリーを定期的に交換していますが、すべて問題ありません。7

• 視聴者の３８%が私たちはそれが安全で有望であるかどうかを考える必要があります。11

• 視聴者の３８%が興味深いですね、可能性を調べてみます。16

• 視聴者の３８%が興味がある！ 一度投資すれば、9 つの鉛バッテリーの故障によってデータ センター全体に負荷がかかることを恐れる必要はありません。XNUMX

• 視聴者の３８%が面白い！ メリットはデメリットやリスクをはるかに上回ります14。

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出所： habr.com