Hallo vrienden!
Na het publiceren van het artikel waren er veel opmerkingen over de gevaren van Li-Ion-oplossingen voor servers en datacenters. Daarom proberen we vandaag uit te zoeken wat de verschillen zijn tussen industriƫle oplossingen op lithium voor UPS en de batterij in je gadget, hoe de gebruiksomstandigheden van batterijen in een server verschillen, waarom een Li-Ion-batterij in een telefoon niet langer dan 2-3 jaar meegaat, terwijl het in een datacenter kan oplopen tot 10 jaar of meer. Waarom zijn de risico's van brand door lithium in een datacenter/server minimaal?
Ja, ongelukken met UPS-batterijen zijn mogelijk, ongeacht het type energieopslag, maar de mythe van de 'brandgevaarlijkheid' van industriƫle lithiumoplossingen klopt niet.
Want velen hebben de met een lithiumaccu in een rijdende auto op de snelweg? Laten we daarom eens kijken, analyseren en vergelijkenā¦
Hier zien we een typisch geval van ongecontroleerde zelfverwarming, thermische runaway van de telefoonbatterij, wat tot dit incident heeft geleid. Je zou zeggen: KIJKT! Dit is slechts een telefoon, alleen een gek zou zoiets in een serverruimte plaatsen!
Ik ben ervan overtuigd dat de lezer na het bestuderen van dit materiaal zijn of haar standpunt over deze kwestie zal veranderen.
De huidige situatie op de markt voor datacenters
Het is geen geheim dat de bouw van datacenters een langetermijninvestering is. De kosten van alleen de technische apparatuur kunnen tot 50% van de totale kapitaalkosten bedragen. De terugverdientijd is ongeveer 10-15 jaar. Het is logisch dat er een verlangen ontstaat om de totale eigendomsprijs gedurende de hele levenscyclus van het datacenter te verlagen en tegelijkertijd de technische apparatuur te consolideren, zodat er meer ruimte vrijkomt voor nuttige belasting.
De optimale oplossing zijn industriĆ«le UPS-systemen van de nieuwe iteratie op basis van Li-Ion-batterijen, die al lang zijn verlost van ākinderziektenā zoals brandgevaar, onjuiste laad- en ontlaadalgoritmen en zijn voorzien van veel beschermingsmechanismen.
Met de toename van de vermogens van reken- en netwerkinfrastructuur neemt de vraag naar UPS'en toe. Tegelijkertijd stijgen de eisen aan de autonomie van batterijvoeding in geval van problemen met de centrale stroomvoorziening en/of storingen bij het inschakelen van de back-upvoeding in het geval van toepassing of aanwezigheid van aggregaten.
Wat ons betreft, zijn er hier twee hoofdredenen:
- De snelle groei van verwerkte en verzonden informatievolumes
Bijvoorbeeld, , die
moet worden opgeslagen en verwerkt. - De stijgende vraag naar elektriciteit. Ondanks de algemene tendens van het verlagen van het energieverbruik van IT-apparatuur, neemt het specifieke energieverbruik van elektronische componenten af.
De energiekurve van slechts Ć©Ć©n operationeel datacenter
Deze trend wordt ook weerspiegeld in de prognoses van de datacentermarkt in ons landVolgens de website, bedraagt het totale aantal in gebruik genomen racklocaties meer dan 20 duizend. "Het aantal in gebruik genomen racklocaties bij de 20 grootste datacenterleveranciers steeg in 2017 met 3% en bereikte 22,4 duizend (gegevens per 1 oktober 2017)", staat in het rapport van CNews Analytics. Volgens schattingen van adviesbureaus zal het aantal racklocaties tegen 2021 toenemen tot 49 duizend. Dat betekent dat de werkelijke capaciteit van datacenters in twee jaar tijd kan verdubbelen. Waar heeft dit mee te maken? Vooral met de groei van het volume informatie: zowel opgeslagen als verwerkte informatie.
Naast clouds rekenen spelers de ontwikkeling van datacentercapaciteit in de regio's tot de groeipunten: dit is het enige segment waar nog ruimte is voor bedrijfsontwikkeling. Volgens IKS-Consulting was in 2016 slechts 10% van alle op de markt aangeboden middelen afkomstig uit de regio's, terwijl de hoofdstad en de regio Moskou 73% van de markt besloegen, en Sint-Petersburg en de Leningrad-regio 17%. In de regio's blijft er een tekort aan datacenterbronnen met een hoge mate van storingsbestendigheid.
Tegen 2025 zal, volgens de prognoses, het totale volume data in de wereld 10 keer groter zijn dan in 2016.
Hoe veilig is lithium echter voor UPS systemen in serverruimtes of datacenters?
Nadeel: hoge kosten van Li-Ion oplossingen.
De prijs van lithium-ion accu's blijft hoog in vergelijking met standaardoplossingen. Volgens schattingen van het bedrijf SE zullen de initiƫle kosten voor krachtige UPS-systemen boven de 100 kVA voor Li-Ion oplossingen 1,5 keer hoger zijn, maar uiteindelijk bedraagt de besparing bij eigendom 30-50%. Ter vergelijking met de defensiesector van andere landen, hier is het nieuws over de ingebruikname van met Li-Ion batterijen. In dergelijke oplossingen worden vaak lithium-ijzerfosfaatbatterijen (op de foto - LFP) gebruikt vanwege hun relatieve betaalbaarheid en grotere veiligheid.
In het artikel wordt vermeld dat er $100 miljoen is besteed aan nieuwe batterijen voor de onderzeeƫr, laten we dit proberen om te rekenen in andere grootheden...4,2 duizend ton - onderwaterverplaatsing van de Japanse onderzeeƫr. Bovenwaterverplaatsing - 2,95 duizend ton. Gewoonlijk bestaat 20-25% van het gewicht van het schip uit accu's. Daaruit halen we ongeveer 740 ton - lood-zuuraccu's. Verder: het gewicht van lithium is ongeveer 1/3 van lood-zuuraccu's -> 246 ton lithium. Met 70 kWh/kg voor Li-Ion krijgen we ongeveer 17 MWh aan batterijvermogen. En het verschil in accugewicht - ongeveer 495 ton... Hier nemen we geen rekening mee met , waarvan voor ƩƩn onderzeeƫr 14,5 ton zilver nodig is, en qua kosten zijn ze vier keer duurder dan lood-zuuraccu's. Ter herinnering: Li-Ion batterijen zijn momenteel slechts 1,5-2 keer duurder dan VRLA, afhankelijk van de vermogensoplossing.
En wat doen de Japanners? Ze herinnerden zich te laat dat een "verlichting van het schip" met 700 ton veranderingen in de zeewaardigheid en stabiliteit met zich meebrengt... Waarschijnlijk moesten ze wapens aan boord toevoegen om de ontwerpeisen voor de gewichtsverhouding van het schip te herstellen.
Lithium-ionbatterijen wegen ook minder dan lood-zuuraccu's, daarom moest het ontwerp van de onderzeeƫr van het type Soryu iets worden aangepast om de ballast en stabiliteit te behouden.
In Japan zijn er twee types lithium-ionaccu's ontwikkeld en in gebruik genomen: lithium-nikkel-kobalt-aluminiumooxid (NCA) geproduceerd door GS Yuasa en lithium-titanaat (LTO) geproduceerd door Toshiba. De Japanse marine zal NCA-batterijen gebruiken, terwijl volgens Kobayashi LTO-batterijen zijn aangeboden voor gebruik op onderzeeƫrs van het type Soryu in een recente aanbesteding in Australiƫ.
Wetende de zorgvuldige houding ten aanzien van veiligheid in het land van de Rijzende Zon, kunnen we aannemen dat de veiligheidskwesties rondom lithium daar zijn opgelost, getest en gecertificeerd.
Risico: brandgevaar.
Hierin zullen we de doelstellingen van de publicatie bespreken, aangezien er diametraal tegenovergestelde meningen bestaan over de veiligheid van deze oplossingen. Maar dat is slechts een zijspoor; wat zijn de specifieke industriƫle oplossingen?
We hebben de veiligheidskwesties al besproken in onze , maar we zullen deze kwestie nog eens onder de loep nemen. Laten we kijken naar de afbeelding waarin het beschermingsniveau van de module en cellen van de LMO/NMC-batterij geproduceerd door Samsung SDI en gebruikt in de UPS van Schneider Electric wordt besproken.
Chemische processen zijn behandeld in het artikel van gebruiker . Laten we de mogelijke risico's in ons specifieke geval proberen te begrijpen en deze vergelijken met de multilagige bescherming in de Samsung SDI-cellen, die deel uitmaken van de kant-en-klare Li-Ion rack Type G binnen een geĆÆntegreerde oplossing op basis van Galaxy VM.
Laten we beginnen met de algemene blokkendiagram van risico's en oorzaken van brand bij lithium-ioncellen.
In de spoiler kunnen theoretische kwesties over risico's van brand bij lithium-ionbatterijen en de fysica van de processen worden bestudeerd.De oorspronkelijke blokkendiagram van risico's en oorzaken van brand (Safety Hazard) van een lithium-ioncel uit van 2018.
Aangezien de thermische ontbrandingseigenschappen van een lithium-ioncel variƫren afhankelijk van de chemische structuur, zullen we ons hier richten op het proces dat in het artikel wordt beschreven voor de lithium-nikkel-kobaltaanode (op basis van LiNiCoAIO2) of NCA.
Het ontwikkelingsproces van een ongeval in de cel kan in drie fasen worden verdeeld:
- Fase 1 (Onset). Normale werking van de cel, waarbij de temperatuurstijging niet meer dan 0,2 Ā°C per minuut bedraagt en de temperatuur van de cel niet boven de 130ā200 Ā°C uitkomt, afhankelijk van de chemische structuur van de cel;
- Fase 2, opwarming (Acceleration). In deze fase stijgt de temperatuur, de temperatuurstijging versnelt, en er vindt intense warmteafgifte plaats. In het algemeen gaat dit proces gepaard met gasvorming. Overtollige gasvorming moet worden gecompenseerd door het openen van de veiligheidsklep;
- Fase 3, thermische runaway. De temperatuur van de batterij overschrijdt 180-200 graden. Op dit moment reageert het kathodemateriaal met disproportionering en geeft zuurstof vrij. Dit is het niveau van thermische runaway, omdat er in dit geval een mengsel van brandbare gassen met zuurstof kan ontstaan, wat zelfontbranding kan veroorzaken. Dit proces kan echter in sommige gevallen beheersbaar zijn, namelijk wanneer de externe factoren veranderen; in veel gevallen stopt thermische runaway zonder fatale gevolgen voor de omgeving. De werking en functionaliteit van de lithiumcel na deze gebeurtenissen worden niet overwogen.
De temperatuur van thermische runaway hangt af van de grootte van de cel, de constructie van de cel en het materiaal. De temperatuur van thermische runaway kan variƫren van 130 tot 200 graden Celsius. Tijd voor thermische runaway kan verschillen en bedraagt minuten, uren of zelfs dagen...
Wat hebben we met LMO/NMC cellen in lithium-ion UPS?
ā Om te voorkomen dat de anod met het elektrolyt in contact komt, wordt er een keramische laag in de cel gebruikt (SFL). De blokkering van de lithiumionen vindt plaats bij 130 Ā°C.
ā In aanvulling op de veiligheidsventiel wordt er een systeem voor bescherming tegen overbelasting (Over Charge Device, OSD) toegepast, dat samenwerkt met een interne zekering en de beschadigde cel uitschakelt, waardoor het proces van thermische runaway niet tot gevaarlijke waarden wordt gebracht. Daarbij zal de activering van het interne OSD-systeem eerder plaatsvinden, bij een druk van 3,5 kgf/cm2, dus de helft van de activeringsdruk van het veiligheidsventiel van de cel.
Overigens zal de zekering van de cel activeren bij stromen boven 2500 A binnen niet meer dan 2 seconden. Stel dat de temperatuurgradiĆ«nt 10 Ā°C/min bedraagt. In 10 seconden zal de cel ongeveer 1,7 graden aan zijn temperatuur toevoegen, terwijl deze zich in de rampmodus bevindt.
ā De driedelige separator in de cel in de oplaadmodus zal de overgang van lithiumionen naar de anod van de cel blokkeren. De blokkerings temperatuur bedraagt 250 Ā°C.
Laten we nu kijken naar de temperatuur van de cel; laten we vergelijken op welke fasen verschillende soorten bescherming op celniveau worden geactiveerd.
ā OSD-systeem ā 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= externe druk
Extra bescherming tegen overstroom.
ā veiligheidsklep 7,0Ā±1,0 kgf/cm2 <= externe druk
ā zekering binnen de cel 2 seconden bij 2500A (overbelastingsmodus)
Het risico van thermische ontploffing van de cel hangt rechtstreeks af van het niveau van de lading van de cel, meer details hier...Laten we het effect van het laadniveau van de cel bekijken in de context van de risico's van thermische ontploffing. We bekijken de temperatuur van de cel in relatie tot de SOC-parameter (State of Charge, laadniveau van de accu).
Het laadniveau van de accu wordt gemeten in percentages en geeft aan welk deel van de totale lading nog opgeslagen is in de accu. In dit geval bekijken we de situatie van overladen accu's. We kunnen concluderen dat, afhankelijk van de chemische samenstelling van de lithiumcel, de batterij zich verschillend kan gedragen bij opladen en een verschillende neiging kan hebben tot thermische ontploffing. Dit is te wijten aan de verschillende specifieke capaciteiten (Ah/g) van verschillende types Li-Ion cellen. Hoe hoger de specifieke capaciteit van de cel, hoe sneller de warmteontwikkeling zal zijn bij overladen.
Bovendien leidt een externe kortsluiting bij 100% SOC vaak tot thermische ontploffing van de cel. Aan de andere kant, wanneer de cel een laadniveau van 80% SOC heeft, verschuift de maximale temperatuur waarop thermische ontploffing begint naar boven. De cel wordt resistenter tegen noodsituaties.
En tot slot, bij 70% SOC kunnen externe kortsluitingen helemaal geen reden zijn voor thermische ontploffing. Dat wil zeggen, het risico op ontsteking van de cel neemt aanzienlijk af, en het meest waarschijnlijke scenario is alleen de activering van de veiligheidsklep van de lithiumaccu.
Bovendien kan uit de tabel worden geconcludeerd dat LFP (paarse lijn) batterijen doorgaans een steile temperatuurstijging hebben, dat wil zeggen, de fase 'opwarming' gaat geleidelijk over in de fase 'thermische ontploffing', en de weerstand van dit systeem tegen overladen is iets slechter. Batterijen van het type LMO hebben, zoals we zien, een vloeiendere opwarmingskarakteristiek bij overladen.
BELANGRIJK: Wanneer het OSD-systeem wordt geactiveerd, wordt de cel naar bypass gezet. Hierdoor daalt de spanning op de rek, maar blijft deze operationeel en geeft een signaal naar het UPS-monitoringsysteem via het BMS-systeem van de rek. In het geval van een klassieke UPS met VRLA-batterijen kan een kortsluiting of onderbreking binnen Ć©Ć©n batterij in de string leiden tot een volledige storing van de UPS en een verlies van functionaliteit van IT-apparatuur.
Op basis van het bovenstaande blijven de risico's voor het gebruik van lithiumoplossingen in UPS actueel:
- Thermische ontvlamming van de cel, module als gevolg van externe kortsluiting ā meerdere niveaus van bescherming.
- Thermische ontvlamming van de cel, module als gevolg van interne batterijstoringen ā meerdere niveaus van bescherming op cel- en modulenniveau.
- Overladen ā bescherming met behulp van BMS plus alle niveaus van bescherming van de rek, module, cel.
- Mechanische schade ā niet van toepassing voor onze situatie, risico is minimaal.
- Oververhitting van de rek en alle batterijen (modules, cellen). Niet kritisch tot 70-90 graden. Als de temperatuur in de installatieomgeving van de UPS boven deze waarden stijgt, betekent dit dat er al brand in het gebouw is. In normale bedrijfsomstandigheden van een datacenter is de kans op een incident minimaal.
- Verminderde levensduur van de batterijen bij verhoogde omgevingstemperaturen ā langdurig gebruik tot 40 graden is toegestaan zonder noemenswaardige vermindering van de batterijcapaciteit. Loodaccu's zijn zeer gevoelig voor enige temperatuurstijging en verminderen hun resterende capaciteit proportioneel met de stijging van de temperatuur.
Laten we kijken naar het stroomdiagram van de risico's van storingen met lithium-ionbatterijen in ons gebruiks geval in het datacenter, serverruimte. Laten we het schema iets vereenvoudigen, want lithium-UPS zullen worden gebruikt onder ideale omstandigheden in vergelijking met de omstandigheden waaronder batterijen in uw gadget, telefoon werken.
CONCLUSIE: Gespecialiseerde lithiumaccu's voor UPS datacenters en servers hebben een voldoende niveau van bescherming tegen noodsituaties, en in een geĆÆntegreerde oplossing bieden een groot aantal verschillende niveaus van bescherming. Meer dan vijf jaar ervaring met het gebruik van deze oplossingen maakt het mogelijk te spreken van een hoog niveau van veiligheid van nieuwe technologieĆ«n. Daarnaast moet niet vergeten worden dat het gebruik van lithium-accu's in onze sector lijkt op "kweekhuistoestanden" voor Li-Ion-technologieĆ«n: in tegenstelling tot uw smartphone in uw zak, wordt de accu in het datacenter niet dagelijks laten vallen, niet oververhit, niet elke dag ontladen, en niet actief in buffer modus gebruikt.
Om meer details te achterhalen en specifieke oplossingen met lithium-ionaccu's voor uw server of datacenter te bespreken, kunt u een aanvraag sturen naar het e-mailadres , of een aanvraag indienen op de website van het bedrijf .
OPEN TECHNIEKEN ā betrouwbare geĆÆntegreerde oplossingen van wereldwijde leiders, specifiek afgestemd op uw doelen en taken.
Auteur: Kulikov Oleg
Hoofd ingenieur ontwerper
Afdeling integratieoplossingen
Open Technieken Bedrijf
Alleen geregistreerde gebruikers kunnen deelnemen aan de enquĆŖte. , alstublieft.
Wat is uw mening over de veiligheid en toepasbaarheid van industriƫle oplossingen op basis van Li-Ion technologieƫn?
16,2%Het is gevaarlijk, kan zelfontbranden, absoluut niet geschik voor mijn serverruimte.
10,3%Dit interesseert me niet, we vervangen af en toe de klassieke accu's en alles is in orde.
16,2%Ik moet erover nadenken, misschien is het veilig en veelbelovend.
23,5%Interessant, ik zal de mogelijkheden bekijken.
13,2%Ik ben geĆÆnteresseerd! Een eenmalige investering - en niet bang zijn dat het hele datacenter faalt door een defecte loodaccu.
20,6%Interessant! De voordelen zijn veel groter dan de nadelen en risico's.
68 gebruikers hebben gestemd. 25 gebruikers hebben zich onthouden.
Bron: habr.com
