리튬이온 UPS를 위한 시간: 화재 위험이 있습니까? 아니면 미래를 향한 안전한 발걸음입니까?

안녕하세요 친구!

기사가 게재된 후 “UPS와 배터리 어레이: 어디에 놓을까요? 기다려봐" 서버 및 데이터 센터용 리튬 이온 솔루션의 위험성에 대해 많은 의견이 있었습니다. 따라서 오늘 우리는 UPS용 산업용 리튬 솔루션과 장치 배터리의 차이점, 서버실의 배터리 작동 조건이 어떻게 다른지, 리튬 이온 전화기에서 배터리가 지속되지 않는 이유를 알아내려고 노력할 것입니다. 2~3년 이상, 데이터 센터에서는 이 수치가 10년 이상으로 늘어납니다. 데이터 센터/서버실에서 리튬 화재 위험이 최소화되는 이유

예, 에너지 저장 장치의 유형에 관계없이 UPS 배터리로 인한 사고는 가능하지만 산업용 리튬 솔루션의 "화재 위험"에 대한 통념은 사실이 아닙니다.

결국 많은 사람들이 그것을 보았습니다. 휴대폰에 불이 붙는 영상 고속도로를 달리는 자동차에 리튬 배터리가 있다고요? 자, 알아보고, 알아보고, 비교해 봅시다...

여기에서는 통제되지 않은 자체 발열, 전화기 배터리의 열 폭주로 인해 이러한 사고가 발생하는 전형적인 사례를 볼 수 있습니다. 당신은 말할 것입니다 : 여기! 그냥 전화기일 뿐이고, 미친 사람만이 그런 걸 서버실에 놓을 거에요!

나는 이 자료를 연구한 후에 독자가 이 문제에 대한 그의 관점을 바꿀 것이라고 확신합니다.

데이터센터 시장 현황

데이터 센터를 구축하는 것이 장기적인 투자라는 것은 누구나 다 아는 사실입니다. 엔지니어링 장비 가격만 해도 전체 자본 비용의 50%에 달할 수 있습니다. 투자 회수 기간은 약 10~15년입니다. 당연히 데이터 센터의 전체 수명 주기에 걸쳐 총 소유 비용을 절감하는 동시에 엔지니어링 장비를 소형화하여 페이로드를 위한 공간을 최대한 확보하려는 욕구가 있습니다.

최적의 솔루션은 오랫동안 화재 위험, 잘못된 충전-방전 알고리즘 형태의 "어린 시절 질병"을 제거하고 대량의 보호 메커니즘을 획득한 리튬 이온 배터리를 기반으로 한 산업용 UPS의 새로운 반복입니다.

컴퓨팅 및 네트워크 장비의 용량이 증가함에 따라 UPS에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 동시에 중앙 집중식 전원 공급 장치에 문제가 발생하거나 디젤 발전기 세트를 사용/가용한 경우 백업 전원을 시작할 때 오류가 발생하는 경우 배터리 수명에 대한 요구 사항이 늘어납니다.

우리의 의견으로는 크게 두 가지 이유가 있습니다.

1. 처리 및 전송되는 정보량의 급격한 증가
   예를 들어, 보잉의 신형 여객기
   787 드림라이너는 한 번의 비행으로 500GB 이상의 정보를 생성합니다.어느
   저장하고 처리해야 합니다.
2. 전기 에너지 소비 역학의 성장. IT 장비의 에너지 소비를 줄이는 일반적인 추세에도 불구하고 전자 부품의 특정 에너지 소비를 줄입니다.

단 하나의 운영 중인 데이터 센터의 에너지 소비 그래프
우리나라의 데이터센터 시장 전망에서도 동일한 추세가 입증됩니다.사이트에 따르면 expert.ru"20년 20대 데이터센터 서비스 제공업체가 가동한 랙 공간의 수는 2017개가 넘으며, 3년에 22,4% 증가해 1천 개에 달했습니다(2017년 2021월 49일 기준 데이터). XNUMX),” – CNews Analytics 보고서에 나와 있습니다. 컨설팅 기관에 따르면 XNUMX년까지 랙 공간 수가 XNUMX개로 늘어날 것으로 예상됩니다. 즉, XNUMX년 안에 데이터 센터의 실제 용량이 두 배로 늘어날 수 있습니다. 이것은 무엇과 관련이 있습니까? 우선, 정보의 양이 증가함에 따라 저장 및 처리됩니다.

클라우드 외에도 플레이어는 지역의 데이터 센터 용량 개발을 성장 포인트로 간주합니다. 이는 비즈니스 개발을 위한 예비 공간이 있는 유일한 부문입니다. IKS-Consulting에 따르면 2016년에 지역은 시장에 제공되는 전체 자원의 10%만을 차지했으며, 수도와 모스크바 지역은 시장의 73%, 상트페테르부르크와 레닌그라드 지역은 17%를 차지했습니다. 지역에서는 높은 수준의 내결함성을 갖춘 데이터 센터 리소스가 계속 부족합니다.

2025년에는 전 세계 데이터 총량이 10년 대비 2016배 증가할 것으로 예상된다.

그럼에도 불구하고 리튬은 서버나 데이터 센터 UPS에 얼마나 안전합니까?

단점: 리튬 이온 솔루션의 비용이 높습니다.

리튬이온 배터리의 가격은 표준 솔루션에 비해 여전히 높습니다. SE 추정에 따르면 리튬 이온 솔루션의 경우 100kVA 이상의 고전력 UPS에 대한 초기 비용은 1,5배 더 높지만 궁극적으로 소유 비용 절감 효과는 30~50%에 이를 것입니다. 다른 나라의 군산복합체와 비교해보면 다음과 같습니다. 일본 잠수함의 작전 리튬 이온 배터리로. 상대적으로 저렴하고 안전성이 높기 때문에 인산철리튬 배터리(사진의 LFP)가 이러한 솔루션에 사용되는 경우가 많습니다.

기사에는 잠수함용 새 배터리에 100억 달러가 지출되었다고 언급되어 있습니다. 이를 다른 값으로 변환해 보겠습니다.4,2톤은 일본 잠수함의 수중 배수량이다. 표면 변위 - 2,95톤. 일반적으로 보트 무게의 20~25%는 배터리로 구성됩니다. 여기에서 우리는 약 740톤의 납축 배터리를 가져옵니다. 또한 리튬의 질량은 납축전지의 약 1/3 -> 리튬 246톤입니다. 리튬 이온의 경우 70kWh/kg에서 약 17MWh의 배터리 어레이 전력을 얻습니다. 그리고 배터리 질량의 차이는 약 495톤입니다... 여기서는 고려하지 않습니다. 은-아연 배터리잠수함 한 척당 14,5톤의 은이 필요하고, 납축전지보다 가격이 4배 더 비싸다. 솔루션의 성능에 따라 리튬 이온 배터리는 이제 VRLA보다 1,5~2배 더 비싸다는 점을 상기시켜 드리겠습니다.
일본인은 어떻습니까? 그들은 "보트를 700톤 경량화"하면 내항성과 안정성이 변경된다는 사실을 너무 늦게 기억했습니다. 아마도 보트의 설계 중량 분포를 되돌리기 위해 선내에 무기를 추가해야했을 것입니다.

리튬 이온 배터리는 납축 배터리보다 무게도 가볍기 때문에 소류급 잠수함 설계는 밸러스트와 안정성을 유지하기 위해 다소 재설계되어야 했습니다.

일본에서는 GS 유아사(GS Yuasa)가 생산하는 리튬-니켈-코발트-알루미늄 산화물(NCA)과 도시바가 생산하는 리튬 티타네이트(LTO)의 두 가지 유형의 리튬 이온 배터리가 개발되어 작동 가능하게 되었습니다. Kobayashi에 따르면 일본 해군은 NCA 배터리를 사용할 것이며 호주는 최근 입찰에서 Soryu급 잠수함에 사용할 LTO 배터리를 제안했다고 합니다.

떠오르는 태양의 땅에서 안전에 대한 경건한 태도를 알면 리튬 안전 문제가 해결, 테스트 및 인증되었다고 가정할 수 있습니다.

위험: 화재 위험.

이러한 솔루션의 안전성에 대해 정반대의 의견이 있기 때문에 여기서 출판 목적을 알아낼 것입니다. 그러나 이것은 모두 수사적이지만 특정 산업 솔루션은 어떻습니까?

우리는 이미 보안 문제에 대해 논의했습니다. 기사, 하지만 이 문제에 대해 다시 생각해 보겠습니다. 삼성SDI에서 제작하고 슈나이더 일렉트릭 UPS의 일부로 사용하는 배터리의 모듈과 LMO/NMC 셀의 보호 수준을 살펴본 그림을 살펴보겠습니다.

사용자의 기사에서 화학 공정이 논의되었습니다. 레이디N 리튬 이온 배터리는 어떻게 폭발합니까?. 특정 사례에서 발생할 수 있는 위험을 이해하고 이를 Galaxy VM 기반의 포괄적인 솔루션의 일부로 기성품 Type G 리튬 이온 랙의 필수 부분인 삼성 SDI 셀의 다단계 보호와 비교해 보겠습니다. .

리튬 이온 전지의 화재 위험과 원인에 대한 일반적인 사례 흐름도부터 시작해 보겠습니다.

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

리튬 이온 셀의 화학 구조에 따라 셀의 열 폭주 특성에 차이가 있으므로 여기서는 기사에 설명된 리튬-니켈-코발트-알루미늄 셀(LiNiCoAlIO2 기반)의 프로세스에 중점을 두겠습니다. 또는 NCA.
세포에서 사고가 발생하는 과정은 세 단계로 나눌 수 있습니다.

1. 1단계(발병). 셀의 화학 구조에 따라 온도 증가 구배가 분당 0,2℃를 초과하지 않고 셀 온도 자체가 130~200℃를 초과하지 않는 경우 셀의 정상 작동;
2. 2단계, 워밍업(가속). 이 단계에서는 온도가 상승하고 온도 구배가 급격히 증가하며 열에너지가 활발하게 방출됩니다. 일반적으로 이 과정에는 가스 방출이 수반됩니다. 과도한 가스 발생은 안전 밸브를 작동하여 보상해야 합니다.
3. 3단계, 열폭주(Runaway). 180-200도 이상의 배터리 가열. 이 경우, 양극재는 불균형화 반응을 일으키고 산소를 방출합니다. 이는 열 폭주 수준입니다. 이 경우 가연성 가스와 산소의 혼합이 발생하여 자연 연소가 발생할 수 있기 때문입니다. 그러나 어떤 경우에는 이 프로세스를 제어하고 읽을 수 있습니다. 외부 요인의 체제가 변경되면 어떤 경우에는 열 폭주가 주변 공간에 치명적인 결과를 초래하지 않고 중지됩니다. 이러한 상황 이후 리튬 셀 자체의 서비스 가능성과 성능은 고려되지 않습니다.

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

리튬이온 UPS의 LMO/NMC 유형 셀은 어떻습니까?

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– 양극과 전해질의 접촉을 방지하기 위해 셀(SFL)의 일부로 세라믹 층을 사용합니다. 섭씨 130도에서는 리튬이온의 이동이 차단됩니다.

– 보호 벤트 밸브 외에도 내부 퓨즈와 함께 작동하고 손상된 셀을 차단하여 열 폭주 과정이 위험한 수준에 도달하는 것을 방지하는 과충전 장치(OSD) 보호 시스템이 사용됩니다. 또한 내부 OSD 시스템은 압력이 3,5kgf/cm2, 즉 셀 안전 밸브의 응답 압력보다 절반 낮은 수준에 도달하면 더 일찍 트리거됩니다.

그런데 셀 퓨즈는 2500초 이내에 2A 이상의 전류에서 작동합니다. 온도 구배가 10°C/min의 판독값에 도달한다고 가정해 보겠습니다. 10초 안에 셀은 오버클러킹 모드에 있는 동안 온도를 약 1,7도 더할 시간을 갖게 됩니다.

– 재충전 모드에서 셀의 250층 분리막은 리튬 이온이 셀의 양극으로 전이되는 것을 차단합니다. 차단 온도는 섭씨 XNUMX도입니다.

이제 셀 온도에 대해 알아봅시다. 다양한 유형의 보호가 셀 수준에서 실행되는 단계를 비교해 보겠습니다.

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

— 안전 밸브 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= 외부 압력

- 2A에서 2500초 동안 셀 내부에서 퓨즈를 생성합니다(과전류 모드).

셀의 열 폭주 위험은 셀의 충전 정도/레벨에 따라 직접적으로 달라집니다. 자세한 내용은 여기를 참조하세요.열폭주 위험과 관련하여 셀 충전 수준의 영향을 고려해 보겠습니다. 셀 온도와 SOC 매개변수(충전 상태, 배터리 충전 정도) 간의 대응표를 살펴보겠습니다.

배터리 충전 수준은 백분율로 측정되며 총 충전량 중 배터리에 아직 남아 있는 충전량이 얼마나 되는지 보여줍니다. 이 경우 배터리 충전 모드를 고려하고 있습니다. 리튬 셀의 화학적 성질에 따라 배터리는 과충전 시 다르게 동작할 수 있으며 열 폭주에 대한 민감도가 다르다는 결론을 내릴 수 있습니다. 이는 다양한 유형의 리튬 이온 셀의 비용량(A*h/그램)이 다르기 때문입니다. 전지의 특정 용량이 클수록 재충전 중 열 방출이 더 빨라집니다.

또한 100% SOC에서는 외부 단락으로 인해 셀의 열폭주가 발생하는 경우가 많습니다. 반면, 셀이 80% SOC에 있을 때 셀의 최대 열 폭주 온도는 위로 이동합니다. 세포는 비상 상황에 대한 저항력이 더욱 높아집니다.

마지막으로 70% SOC의 경우 외부 단락으로 인해 열 폭주가 전혀 발생하지 않을 수 있습니다. 즉, 셀 발화 위험이 크게 줄어들며, 가장 가능성이 높은 시나리오는 리튬 배터리의 안전 밸브 작동뿐입니다.

또한, 표에서 우리는 배터리의 LFP(보라색 곡선)가 일반적으로 온도 상승이 가파르다는 결론을 내릴 수 있습니다. 즉, "예열" 단계가 "열 폭주" 단계로 원활하게 전환되고 안정성이 향상됩니다. 과충전에 대한 이 시스템은 다소 더 나쁩니다. 보시다시피 LMO 배터리는 재충전시 더 부드러운 가열 특성을 가지고 있습니다.

중요 : OSD 시스템이 트리거되면 셀이 바이패스로 재설정됩니다. 따라서 랙의 전압은 감소하지만 작동 상태를 유지하며 랙 자체의 BMS 시스템을 통해 UPS 모니터링 시스템에 신호를 제공합니다. VRLA 배터리를 사용하는 기존 UPS 시스템의 경우, 스트링의 한 배터리 내에서 단락이나 파손이 발생하면 UPS 전체의 고장이 발생하고 IT 장비의 기능이 손실될 수 있습니다.

위의 내용을 바탕으로 UPS에 리튬 솔루션을 사용하는 경우 다음과 같은 위험이 여전히 관련됩니다.

1. 외부 단락으로 인한 셀 또는 모듈의 열 폭주 - 여러 수준의 보호.
2. 내부 배터리 오작동으로 인한 셀 또는 모듈의 열 폭주 - 셀 또는 모듈 수준의 여러 수준의 보호입니다.
3. 과충전 – BMS 보호에 더해 랙, 모듈, 셀에 대한 모든 수준의 보호가 제공됩니다.
4. 기계적 손상은 우리의 경우와 관련이 없으며 사건의 위험은 무시할 수 있습니다.
5. 랙 및 모든 배터리(모듈, 셀) 과열. 최대 70-90도까지 중요하지 않습니다. UPS 설치실의 온도가 이 값 이상으로 상승하면 건물에 화재가 발생했다는 의미입니다. 일반적인 데이터 센터 운영 조건에서는 이벤트 위험이 미미합니다.
6. 높은 실내 온도에서 배터리 수명 감소 - 배터리 수명이 눈에 띄게 감소하지 않고 최대 40도 온도에서 장기간 작동이 허용됩니다. 납전지는 온도 상승에 매우 민감하며 온도 상승에 비례하여 남은 수명도 줄어듭니다.

데이터 센터, 서버룸 사용 사례에서 리튬 이온 배터리로 인한 사고 위험에 대한 흐름도를 살펴보겠습니다. 장치, 전화기의 배터리 작동 조건을 비교하면 리튬 UPS가 이상적인 조건에서 작동하므로 다이어그램을 조금 단순화하겠습니다.

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결론 : 데이터 센터 및 서버룸 UPS용 특수 리튬 배터리는 비상 상황에 대해 충분한 수준의 보호 기능을 갖추고 있으며 포괄적인 솔루션에서는 다양한 보호 수준과 이러한 솔루션 운영에 대한 XNUMX년 이상의 경험을 통해 다음과 같이 말할 수 있습니다. 신기술의 높은 안전성. 무엇보다도, 우리 부문에서 리튬 배터리의 작동은 리튬 이온 기술의 "온실" 조건과 비슷하다는 점을 잊어서는 안 됩니다. 주머니에 있는 스마트폰과 달리 누구도 데이터 센터에 배터리를 떨어뜨리거나 과열되거나 방전되지 않습니다. 매일 버퍼 모드에서 적극적으로 사용하십시오.

이메일로 요청을 보내면 서버룸이나 데이터 센터에 리튬 이온 배터리를 사용하는 특정 솔루션에 대해 자세히 알아보고 논의할 수 있습니다. [이메일 보호], 또는 회사 홈페이지를 통해 요청 www.ot.ru.

개방형 기술 – 귀하의 목표와 목적에 맞게 특별히 조정된 세계 리더들의 신뢰할 수 있는 종합 솔루션입니다.

저자 : 쿨리코프 올렉
선도적인 설계 엔지니어
통합 솔루션 부서
개방형 기술 회사

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리튬이온 기술을 기반으로 한 산업용 솔루션의 안전성과 적용 가능성에 대해 어떻게 생각하시나요?

• 16,2%위험하고 스스로 점화되므로 어떤 경우에도 서버실에 두지 않습니다.11

• 10,3%저는 그런거 별로 관심이 없어서 주기적으로 일반 배터리를 교체하는데 다 괜찮습니다.7

• 16,2%안전하고 유망할 수 있는지 생각해 볼 필요가 있습니다.11

• 23,5%흥미롭네요. 가능성을 조사해 보겠습니다.16

• 13,2%관심 있는! 한 번만 투자하면 납 배터리 하나의 고장으로 인해 전체 데이터 센터가 압도되는 것을 두려워하지 마십시오.9

• 20,6%흥미로운! 단점과 위험보다 장점이 훨씬 더 많습니다.14

68명의 사용자가 투표했습니다. 25명의 사용자가 기권했습니다.

출처 : habr.com