리튬-이온 UPS 시대: 화재 위험인가, 아니면 미래로의 안전한 전환인가?

안녕하세요 친구!

기사가 게재된 후 "UPS와 배터리 배열: 어디에 설치해야 할까요? 잠깐만요" 서버룸과 데이터센터용 리튬 이온 솔루션의 위험성에 대한 의견이 많았습니다. 따라서 오늘은 UPS용 산업용 리튬 이온 솔루션과 일반 가젯에 사용되는 배터리의 차이점, 서버룸에서 배터리의 작동 조건이 어떻게 다른지, 휴대폰용 리튬 이온 배터리의 수명이 2~3년밖에 되지 않는 반면 데이터센터에서는 10년 이상으로 길어지는 이유, 그리고 데이터센터/서버룸에서 리튬 이온 화재 위험이 극히 낮은 이유를 알아보겠습니다.

그렇습니다. 에너지 저장 장치의 종류와 관계없이 UPS 배터리 고장은 발생할 수 있습니다. 그러나 산업용 리튬 솔루션의 "화재 위험"에 대한 신화는 현실과 일치하지 않습니다.

결국 많은 사람들이 그것을 보았습니다. 휴대전화에 불이 붙는 영상 고속도로를 달리는 차에 리튬 배터리를 장착한다면 어떨까요? 자, 한번 살펴보고, 알아보고, 비교해 볼까요...

여기서 우리는 통제되지 않는 자가 발열, 즉 휴대폰 배터리의 열 폭주로 인해 발생한 전형적인 사고 사례를 볼 수 있습니다. "와! 그냥 휴대폰인데, 미친놈이 서버실에 이런 걸 설치하겠어!"라고 생각하실 겁니다.

독자 여러분께서는 이 자료를 공부하신 후, 이 문제에 대한 관점이 바뀌리라 믿습니다.

데이터 센터 시장의 현재 상황

데이터 센터 건설이 장기 투자라는 것은 누구나 아는 사실입니다. 엔지니어링 장비 가격만으로도 전체 자본 지출의 50%를 차지할 수 있습니다. 투자 회수 기간은 약 10~15년입니다. 데이터 센터의 수명 주기 전반에 걸쳐 총소유비용(TCO)을 절감하고, 동시에 엔지니어링 장비를 소형화하여 최대한 많은 공간을 활용하고자 하는 것은 당연한 일입니다.

최적의 솔루션은 화재 위험, 잘못된 충전-방전 알고리즘의 형태로 "어린 시절 질병"을 오래 전에 없애고 대량의 보호 메커니즘을 갖춘 리튬 이온 배터리를 기반으로 한 산업용 UPS의 새로운 반복입니다.

컴퓨팅 및 네트워크 장비 용량 증가에 따라 UPS에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 이와 동시에, 중앙 집중식 전원 공급 장치 문제 및/또는 디젤 발전기 사용/가용성으로 인한 백업 전원 공급 장치 고장 발생 시 배터리 수명에 대한 요구도 증가하고 있습니다.

우리의 의견으로는 두 가지 주요 이유가 있습니다.

1. 처리되고 전송되는 정보량의 급격한 증가
   예를 들어, 새로운 보잉 여객기
   787 드림라이너는 비행당 500기가바이트 이상의 데이터를 생성합니다.어느
   저장하고 처리해야 합니다.
2. 전력 소비량의 증가 추세. IT 장비의 에너지 소비가 전반적으로 감소하는 추세에도 불구하고, 전자 부품의 에너지 소비량은 감소하고 있습니다.

단일 운영 데이터 센터의 에너지 소비 차트
이와 같은 추세는 우리나라 데이터센터 시장에 대한 전망에서도 나타나고 있습니다.사이트에 따르면 expert.ru운영 중인 랙 공간의 총 수는 20만 개가 넘습니다. CNews Analytics 보고서에 따르면, "20년 상위 2017대 데이터센터 서비스 제공업체의 운영 중인 랙 공간 수는 3% 증가하여 22,4만 1개(2017년 2021월 49일 기준)"에 달했습니다. 컨설팅 기관에 따르면, XNUMX년까지 랙 공간 수는 XNUMX만 XNUMX개로 증가할 것으로 예상됩니다. 즉, XNUMX년 안에 데이터센터의 실제 용량이 두 배로 증가할 수 있다는 뜻입니다. 그 이유는 무엇일까요? 우선, 저장 및 처리되는 정보의 양이 증가했기 때문입니다.

클라우드 외에도, 기업들은 지역 내 데이터 센터 용량 개발을 성장 포인트로 보고 있습니다. 지역 내 데이터 센터 용량은 사업 개발에 대한 예비력이 있는 유일한 분야이기 때문입니다. IKS-Consulting에 따르면, 2016년 지역 내 데이터 센터 용량은 전체 시장의 10%에 불과했고, 수도와 모스크바 지역이 73%, 상트페테르부르크와 레닌그라드 지역이 17%를 차지했습니다. 이 지역들은 높은 수준의 내결함성을 갖춘 데이터 센터 리소스 부족을 지속적으로 겪고 있습니다.

2025년까지 전 세계 데이터 총량은 10년 대비 2016배 증가할 것으로 예상됩니다.

그렇다면 리튬은 서버실이나 데이터 센터 UPS에 사용하기에 얼마나 안전할까요?

단점: 리튬이온 솔루션 비용이 높다.

리튬 이온 배터리 가격은 표준 솔루션에 비해 여전히 높습니다. SE 추정에 따르면, 리튬 이온 솔루션용 100kVA 이상의 강력한 UPS 초기 비용은 1,5배 더 높지만, 궁극적으로는 30~50%의 비용 절감 효과가 있을 것으로 예상됩니다. 다른 국가의 군산복합체와 비교했을 때, 이 배터리 출시 소식은 다음과 같습니다. 일본 잠수함의 착취 리튬 이온 배터리가 있습니다. 이러한 솔루션에는 비교적 저렴하고 안전성이 더 높은 리튬-철-인산 배터리(사진 참조 - LFP)가 자주 사용됩니다.

해당 기사에서는 잠수함의 새로운 배터리에 100억 달러가 쓰였다고 언급했는데, 이를 다른 가치로 재계산해 보겠습니다.일본 잠수함의 수중 배수량은 4,2만 톤입니다. 수상 배수량은 2,95만 톤입니다. 일반적으로 잠수함 무게의 20~25%는 배터리로 구성됩니다. 여기서 약 740톤이 납축전지입니다. 더 나아가 리튬의 무게는 납축전지의 약 1/3에 해당하며, 이는 리튬 246톤에 해당합니다. 리튬이온 배터리의 경우 70kWh/kg으로 계산하면 배터리 어레이 용량은 약 17MWh입니다. 배터리 무게 차이는 약 495톤입니다. 여기서는 배터리 무게 차이를 고려하지 않았습니다. 은-아연 전지잠수함 한 대당 14,5톤의 은이 필요하며 납축전지보다 4배 더 비쌉니다. 리튬이온 배터리는 현재 VRLA보다 1,5~2배 정도 더 비쌉니다. 단, 솔루션의 출력에 따라 다릅니다.
일본은 어땠을까요? 700톤의 "함정 경량화"가 항해 성능과 안정성에 변화를 가져온다는 사실을 그들은 너무 늦게 깨달았습니다. 아마도 설계 중량 분포를 맞추기 위해 무기를 추가해야 했을 것입니다.

리튬 이온 배터리는 납산 배터리보다 무게가 가볍기 때문에 소류급 잠수함의 설계는 밸러스트와 안정성을 유지하기 위해 어느 정도 재설계되어야 했습니다.

일본은 두 종류의 리튬 이온 배터리를 개발하여 실전 배치했습니다. GS 유아사의 리튬-니켈-코발트-알루미늄-산화물(NCA) 배터리와 도시바의 리튬-티타네이트(LTO) 배터리입니다. 일본 해군은 NCA 배터리를 사용할 예정이며, 고바야시 사장은 호주가 최근 소류급 잠수함에 사용할 LTO 배터리를 제출했다고 밝혔습니다.

태양이 뜨는 땅에서 안전에 대한 경건한 태도를 보인다면 리튬 안전 문제가 해결되고, 테스트되고, 인증되었을 것이라고 추측할 수 있습니다.

위험: 화재 위험.

이러한 솔루션의 안전성에 대한 의견이 정반대이기 때문에, 여기서는 출판 목적으로 이 문제를 다루겠습니다. 하지만 이 모든 것은 시적인 표현일 뿐이며, 구체적인 산업 솔루션은 어떨까요?

우리는 이미 보안 문제를 논의했습니다. 기사하지만 이 문제를 다시 한번 살펴보겠습니다. 삼성SDI에서 제조하고 슈나이더 일렉트릭의 UPS에 사용된 모듈과 LMO/NMC 배터리 셀의 보호 수준을 고려한 그림을 살펴보겠습니다.

사용자 기사에서는 화학 공정에 대해 논의했습니다. 레이디엔 리튬 이온 배터리가 폭발하는 방식. 특정 사례에서 발생할 수 있는 위험을 파악하고 이를 Galaxy VM 기반 종합 솔루션의 일부인 기성형 Li-Ion Type G 랙의 일부인 Samsung SDI 셀의 다중 레벨 보호와 비교해 보겠습니다.

리튬 이온 전지 화재의 위험과 원인에 대한 일반적인 사례 흐름도부터 시작해 보겠습니다.

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스포일러 아래에서 리튬 이온 배터리의 연소 위험에 대한 이론적 문제와 프로세스의 물리학을 연구할 수 있습니다.리튬이온 전지의 화재 위험 및 원인(안전 위험)에 대한 초기 블록 다이어그램 과학 기사 2018 년.

리튬 이온 전지의 화학 구조에 따라 전지의 열 폭주 특성이 다르므로, 이 글에서는 리튬-니켈-코발트-알루미늄 전지(LiNiCoAIO2 기반)나 NCA에서 본 논문에 기술된 공정에 초점을 맞추겠습니다.
세포 내에서 사고가 발생하는 과정은 세 단계로 나눌 수 있습니다.

1. 1단계(발병). 세포가 정상적으로 작동하는 단계로, 온도 상승 구배가 분당 0,2°C를 넘지 않고 세포 자체 온도도 세포 화학 구조에 따라 130~200°C를 넘지 않습니다.
2. 2단계, 가열(가속). 이 단계에서는 온도가 상승하고 온도 구배가 급격히 증가하며 열에너지가 활발하게 방출됩니다. 일반적으로 이 과정에는 가스 방출이 수반됩니다. 과도한 가스 방출은 안전 밸브를 작동시켜 보상해야 합니다.
3. 3단계, 열 폭주. 배터리가 180~200도 이상으로 가열됩니다. 이 경우 양극재가 불균등화 반응을 일으켜 산소를 방출합니다. 이것이 열 폭주 수준인데, 이 경우 가연성 가스와 산소의 혼합물이 발생하여 자연 발화를 일으킬 수 있기 때문입니다. 그러나 이 과정은 경우에 따라 제어될 수 있습니다. 외부 요인의 모드가 변경되면 열 폭주는 주변 공간에 치명적인 영향을 미치지 않고 중단되는 경우도 있습니다. 이러한 현상 이후 리튬 셀 자체의 서비스 가능성 및 작동성은 고려되지 않습니다.

열 폭주 온도는 셀 크기, 셀 설계 및 재료에 따라 달라집니다. 열 폭주 온도는 섭씨 130도에서 200도까지 다양합니다. 열 폭주 시간은 몇 분, 몇 시간, 심지어 며칠까지 다양합니다.

리튬 이온 UPS의 LMO/NMC 셀은 어떤가요?

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– 양극과 전해질의 접촉을 방지하기 위해 셀(SFL) 내부에 세라믹 층을 사용합니다. 리튬 이온의 이동은 섭씨 130도에서 차단됩니다.

– 보호 환기 밸브 외에도 과충전 보호 시스템(과충전 장치, OSD)이 사용됩니다. 이 시스템은 내부 퓨즈와 함께 작동하여 손상된 셀을 차단하여 열 폭주 과정이 위험 수준에 도달하는 것을 방지합니다. 또한, 내부 OSD 시스템은 압력이 셀 보호 밸브 작동 압력의 절반인 3,5kgf/cm²에 도달하면 더 일찍 작동합니다.

그런데 셀 퓨즈는 2500A 이상의 전류에서 2초 이내에 트립됩니다. 온도 기울기가 분당 10도에 도달했다고 가정해 보겠습니다. 10초 안에 셀은 가속 모드에서 온도를 약 1,7도 높일 수 있습니다.

– 충전 모드에서 셀 내부의 250중 분리막은 리튬 이온이 셀 음극으로 이동하는 것을 차단합니다. 차단 온도는 섭씨 XNUMX도입니다.

이제 세포 온도에 따른 결과를 살펴보겠습니다. 세포 수준에서 다양한 유형의 보호가 어떤 단계에서 발생하는지 비교해 보겠습니다.

— OSD 시스템 – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= 외부 압력
과전류에 대한 추가 보호.

— 안전밸브 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= 외부압력

- 셀 내부 퓨즈 2초간 2500A(과전류 모드)

셀의 열 폭주 위험은 셀의 충전 정도/수준에 따라 달라집니다. 자세한 내용은 여기를 참조하세요...열 폭주 위험의 맥락에서 셀 충전 수준의 영향을 고려해 보겠습니다. 셀 온도와 SOC(충전 상태) 매개변수 간의 대응표를 살펴보겠습니다.

배터리 충전 수준은 백분율로 측정되며, 완전 충전량 중 배터리에 남아 있는 부분을 나타냅니다. 이 경우 배터리 재충전 모드를 고려합니다. 리튬 셀의 화학적 조성에 따라 배터리는 재충전 시 다르게 동작하고 열 폭주 경향이 다를 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다. 이는 리튬 이온 셀의 종류에 따라 비용량(Ah/g)이 다르기 때문입니다. 셀의 비용량이 높을수록 재충전 시 열 발생 속도가 빨라집니다.

또한, 배터리 잔량이 100%일 때 외부 단락으로 인해 셀의 열 폭주가 발생하는 경우가 많습니다. 반면, 배터리 잔량이 80%일 때는 셀의 열 폭주 발생 최대 온도가 더 높은 쪽으로 이동합니다. 따라서 셀은 비상 모드에 대한 내성이 더욱 강화됩니다.

마지막으로, SOC의 70%에서는 외부 단락이 열 폭주의 원인이 아닐 수 있습니다. 즉, 셀 화재 위험이 크게 감소하며, 가장 가능성 있는 시나리오는 리튬 배터리의 안전 밸브가 작동하는 것일 뿐입니다.

또한, 표에서 알 수 있듯이 LFP(보라색 곡선) 배터리는 일반적으로 온도 상승 기울기가 가파르다는 결론을 내릴 수 있습니다. 즉, "예열" 단계에서 "열 폭주" 단계로 부드럽게 넘어가며, 이 시스템의 과충전 안정성은 다소 떨어집니다. LMO 배터리는 과충전 시 발열 특성이 더 매끄럽습니다.

중요 : OSD 시스템이 작동하면 셀은 바이패스 모드로 재설정됩니다. 따라서 랙의 전압은 감소하지만, 셀은 작동 상태를 유지하며 랙 자체의 BMS 시스템을 통해 UPS 모니터링 시스템에 신호를 보냅니다. VRLA 배터리를 사용하는 기존 UPS 시스템의 경우, 스트링 내 배터리 하나의 단락이나 파손이 UPS 전체의 고장 및 IT 장비의 작동 불능으로 이어질 수 있습니다.

위의 내용을 바탕으로 UPS에서 리튬 솔루션을 사용하는 경우 다음과 같은 위험이 여전히 존재합니다.

1. 외부 단락으로 인해 셀이나 모듈이 열 폭주하는 현상 - 여러 수준의 보호.
2. 내부 배터리 고장으로 인한 셀 또는 모듈의 열 폭주 - 셀 또는 모듈 수준에서 여러 수준의 보호가 필요합니다.
3. 충전 - BMS를 통한 보호는 랙, 모듈, 셀의 모든 수준의 보호를 의미합니다.
4. 우리의 경우 기계적 손상은 관련이 없으며, 사고 발생 위험은 무시할 만합니다.
5. 랙과 모든 배터리(모듈, 셀)의 과열. 70~90도까지는 위험하지 않습니다. UPS가 설치된 실내 온도가 이 값 이상으로 상승하면 건물에 이미 화재가 발생했음을 의미합니다. 데이터 센터의 정상 작동 모드에서는 화재 발생 위험은 미미합니다.
6. 높은 실내 온도에서 배터리 수명 감소 - 최대 40도(섭씨 XNUMX도)의 온도에서 장시간 작동하더라도 배터리 수명은 눈에 띄게 감소하지 않습니다. 납 배터리는 온도 상승에 매우 민감하며, 온도 상승에 비례하여 잔여 수명이 감소합니다.

데이터 센터나 서버실에서 리튬 이온 배터리를 사용하는 경우의 고장 위험 흐름도를 살펴보겠습니다. 리튬 UPS는 이상적인 조건에서 사용되므로, 다이어그램을 좀 더 단순화해 보겠습니다. 여러분의 기기나 휴대폰에 있는 배터리의 작동 조건과 비교해 보면,

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결론 : UPS 데이터 센터 및 서버용 특수 리튬 배터리는 비상 상황에 대비하여 충분한 수준의 보호 기능을 갖추고 있으며, 포괄적인 솔루션과 다양한 보호 등급, 그리고 5년 이상의 솔루션 운영 경험을 통해 신기술의 높은 안전성을 입증합니다. 무엇보다도, 우리 산업에서 리튬 배터리의 작동은 리튬 이온 기술의 "온실" 환경과 같다는 점을 잊지 마십시오. 주머니에 있는 스마트폰과 달리, 누구도 배터리를 데이터 센터에 떨어뜨리거나 과열되거나 매일 방전되거나 완충 모드로 사용하지 않을 것입니다.

서버실이나 데이터 센터에 리튬 이온 배터리를 사용하는 특정 솔루션에 대해 자세히 알아보고 논의하려면 이메일로 요청을 보내주세요. info@ot.ru또는 회사 웹사이트에서 요청하여 www.ot.ru.

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저자 : 쿨리코프 올렉
선도적인 설계 엔지니어
통합 솔루션 부서
오픈 테크놀로지스 회사

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• 16,2%우리는 그것에 대해 생각해야 합니다. 어쩌면 안전하고 유망할 수도 있습니다.11

• 23,5%흥미롭네요. 가능성을 고려해 볼게요.16

• 13,2%관심 있으세요! 한 번 투자하시면 리드 배터리 하나가 고장나서 데이터 센터 전체가 마비되는 것을 걱정하지 않으셔도 됩니다.9

• 20,6%흥미롭네요! 단점이나 위험보다 장점이 훨씬 더 많네요.14

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출처 : habr.com