Cześć przyjaciele!
Po opublikowaniu artykułu Pojawiło się wiele komentarzy na temat zagrożeń związanych z rozwiązaniami Li-Ion dla serwerów i centrów danych. Dlatego dzisiaj postaramy się dowiedzieć, czym różnią się przemysłowe rozwiązania litowe do UPS od baterii w Twoim gadżecie, czym różnią się warunki pracy baterii w serwerowni, dlaczego w telefonie Li-Ion bateria nie wytrzymuje ponad 2-3 lata, a w centrum danych liczba ta wzrośnie do 10 lub więcej lat. Dlaczego ryzyko pożaru litu w centrum danych/serwerowni jest minimalne.
Tak, wypadki z akumulatorami UPS są możliwe niezależnie od rodzaju nośnika energii, jednak mit o „zagrożeniu pożarowym” przemysłowych rozwiązań litowych nie jest prawdziwy.
W końcu wielu to widziało z baterią litową w samochodzie poruszającym się po autostradzie? Zobaczmy, rozpracujmy, porównajmy...
Widzimy tu typowy przypadek niekontrolowanego samonagrzewania, niekontrolowanej ucieczki termicznej baterii telefonu, która doprowadziła do takiego zdarzenia. Powiesz: TUTAJ! To tylko telefon, tylko szaleniec umieściłby coś takiego w serwerowni!
Jestem pewien, że po przestudiowaniu tego materiału czytelnik zmieni swój punkt widzenia w tej kwestii.
Aktualna sytuacja na rynku data center
Nie jest tajemnicą, że budowa centrum danych to inwestycja długoterminowa. Cena samego sprzętu inżynieryjnego może stanowić 50% kosztu wszystkich kosztów kapitałowych. Horyzont zwrotu inwestycji to około 10-15 lat. Naturalnie istnieje chęć obniżenia całkowitego kosztu posiadania w całym cyklu życia centrum danych, a jednocześnie kompaktowego sprzętu inżynieryjnego, uwalniającego jak najwięcej miejsca na ładunek.
Optymalnym rozwiązaniem jest nowa odsłona przemysłowych zasilaczy UPS opartych na akumulatorach Li-Ion, które już dawno pozbyły się „chorób dziecięcych” w postaci zagrożenia pożarowego, nieprawidłowych algorytmów ładowania i rozładowania oraz zyskały masę mechanizmów ochronnych.
Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej i sprzętu sieciowego rośnie zapotrzebowanie na UPS. Jednocześnie wymagania dotyczące żywotności akumulatorów rosną w przypadku problemów ze scentralizowanym zasilaniem i/lub awarii podczas uruchamiania rezerwowego źródła zasilania w przypadku użycia/dostępności agregatu prądotwórczego na olej napędowy.
Naszym zdaniem są dwa główne powody:
- Szybki wzrost ilości przetwarzanych i przesyłanych informacji
Naprzykład , Który
należy zapisać i przetworzyć. - Wzrost dynamiki zużycia energii elektrycznej. Pomimo ogólnego trendu zmniejszania zużycia energii przez sprzęt IT, zmniejszenie jednostkowego zużycia energii przez elementy elektroniczne.
Wykres zużycia energii tylko jednego działającego centrum danych
Tę samą tendencję wskazują prognozy rynku centrów danych w naszym kraju.Według stronyłączna liczba oddanych miejsc rackowych wynosi ponad 20 tys. „Liczba stanowisk rackowych oddanych do użytku przez 20 największych dostawców usług data center w 2017 roku wzrosła o 3% i wyniosła 22,4 tys. (dane na 1 października 2017 r.). 2021)” – czytamy w raporcie CNews Analytics. Według agencji doradczych do 49 roku liczba miejsc regałowych ma wzrosnąć do XNUMX tys. Oznacza to, że za dwa lata rzeczywista pojemność centrum danych może się podwoić. Z czym to się wiąże? Przede wszystkim wraz ze wzrostem ilości informacji: zarówno przechowywanych, jak i przetwarzanych.
Oprócz chmur gracze uważają rozwój pojemności centrów danych w regionach za punkty wzrostu: to jedyny segment, w którym jest rezerwa na rozwój biznesu. Według IKS-Consulting w 2016 roku na regiony przypadało zaledwie 10% wszystkich zasobów oferowanych na rynku, podczas gdy stolica i obwód moskiewski zajmowały 73% rynku, a Petersburg i obwód leningradzki - 17%. W regionach w dalszym ciągu brakuje zasobów centrów danych o wysokim stopniu odporności na awarie.
Przewiduje się, że do 2025 r. całkowita ilość danych na świecie wzrośnie 10-krotnie w porównaniu z 2016 r.
Jak jednak bezpieczny jest lit dla zasilacza UPS dla serwerów lub centrów danych?
Wada: wysoki koszt rozwiązań Li-Ion.
Cena akumulatorów litowo-jonowych jest nadal wysoka w porównaniu do standardowych rozwiązań. Według szacunków SE początkowe koszty zasilaczy UPS dużej mocy powyżej 100 kVA dla rozwiązań Li-Ion będą 1,5 razy wyższe, ale ostatecznie oszczędności w zakresie własności wyniosą 30-50%. Jeśli dokonamy porównań z kompleksem wojskowo-przemysłowym innych krajów, oto wiadomość o uruchomieniu w z akumulatorami litowo-jonowymi. Dość często w tego typu rozwiązaniach stosowane są akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (na zdjęciu LFP) ze względu na ich względną taniość i większe bezpieczeństwo.
W artykule jest mowa o tym, że na nowe akumulatory do łodzi podwodnej wydano 100 milionów dolarów, spróbujmy przeliczyć to na inne wartości…4,2 tys. ton to podwodna wyporność japońskiego okrętu podwodnego. Wyporność powierzchniowa – 2,95 tys. ton. Z reguły 20-25% masy łodzi stanowią akumulatory. Stąd wywozimy około 740 ton – akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Dalej: masa litu stanowi około 1/3 masy akumulatorów kwasowo-ołowiowych -> 246 ton litu. Przy 70 kWh/kg w przypadku Li-Ion otrzymujemy około 17 MWh mocy akumulatora. A różnica w masie akumulatorów wynosi około 495 ton... Tutaj nie bierzemy pod uwagę , które wymagają 14,5 tony srebra na łódź podwodną i kosztują 4 razy więcej niż akumulatory kwasowo-ołowiowe. Przypomnę, że akumulatory Li-Ion są obecnie tylko 1,5-2 razy droższe od VRLA, w zależności od mocy rozwiązania.
A co z Japończykami? Zbyt późno przypomnieli sobie, że „odciążenie łodzi” o 700 ton wiąże się ze zmianą jej zdolności żeglugowej i stabilności... Prawdopodobnie musieli dodać broń na pokład, aby przywrócić projektowy rozkład masy łodzi.
Akumulatory litowo-jonowe ważą również mniej niż akumulatory kwasowo-ołowiowe, dlatego konstrukcja łodzi podwodnej klasy Soryu musiała zostać nieco przeprojektowana, aby zachować balast i stabilność.
W Japonii stworzono i doprowadzono do stanu użytkowego dwa rodzaje akumulatorów litowo-jonowych: litowo-niklowo-kobaltowo-tlenkowo-glinowy (NCA) produkowany przez firmę GS Yuasa oraz tytanian litu (LTO) produkowany przez Toshiba Corporation. Według Kobayashiego japońska marynarka wojenna będzie używać akumulatorów NCA, podczas gdy Australii w niedawnym przetargu zaoferowano akumulatory LTO do użytku na okrętach podwodnych klasy Soryu.
Znając pełne szacunku podejście do bezpieczeństwa w Krainie Kwitnącej Wiśni możemy założyć, że kwestie bezpieczeństwa litu zostały rozwiązane, przetestowane i certyfikowane.
Ryzyko: zagrożenie pożarowe.
Tutaj dowiemy się, jaki jest cel publikacji, gdyż opinie na temat bezpieczeństwa tych rozwiązań są diametralnie różne. Ale to wszystko retoryka, ale co z konkretnymi rozwiązaniami przemysłowymi?
Kwestie bezpieczeństwa omawialiśmy już w naszym , ale zatrzymajmy się jeszcze raz nad tą kwestią. Przejdźmy do rysunku, na którym zbadano poziom ochrony modułu i ogniwa LMO/NMC akumulatora wyprodukowanego przez firmę Samsung SDI i zastosowanego w zasilaczu UPS Schneider Electric.
Procesy chemiczne zostały omówione w artykule użytkownika . Spróbujmy zrozumieć możliwe zagrożenia w naszym konkretnym przypadku i porównać je z wielopoziomową ochroną w ogniwach Samsung SDI, które stanowią integralną część gotowego stojaka typu G Li-Ion w ramach kompleksowego rozwiązania opartego na Galaxy VM .
Zacznijmy od ogólnego schematu ryzyka i przyczyn pożaru w ogniwie litowo-jonowym.
Pod spojlerem można zapoznać się z teoretycznymi zagadnieniami zagrożenia pożarowego akumulatorów litowo-jonowych oraz fizyką procesówWstępny schemat blokowy zagrożeń i przyczyn pożaru (zagrożenia bezpieczeństwa) ogniwa litowo-jonowego z 2018 roku.
Ponieważ w zależności od budowy chemicznej ogniwa litowo-jonowego występują różnice w niekontrolowanej charakterystyce termicznej ogniwa, tutaj skupimy się na procesie opisanym w artykule w ogniwie litowo-niklowo-kobaltowo-aluminiowym (na bazie LiNiCoAIO2) lub NCA.
Proces powstawania wypadku w komórce można podzielić na trzy etapy:
- etap 1 (początek). Normalna praca ogniwa, gdy gradient wzrostu temperatury nie przekracza 0,2 stopnia Celsjusza na minutę, a temperatura samego ogniwa nie przekracza 130-200 stopni Celsjusza, w zależności od budowy chemicznej ogniwa;
- etap 2, rozgrzewka (Przyspieszenie). Na tym etapie temperatura wzrasta, gradient temperatury gwałtownie wzrasta, a energia cieplna jest aktywnie uwalniana. Na ogół procesowi temu towarzyszy wydzielanie gazów. Nadmierne wydzielanie się gazu należy kompensować działaniem zaworu bezpieczeństwa;
- etap 3, ucieczka termiczna (Runaway). Nagrzewanie akumulatora powyżej 180-200 stopni. W tym przypadku materiał katody wchodzi w reakcję dysproporcjonowania i uwalnia tlen. Jest to poziom ucieczki termicznej, ponieważ w tym przypadku może wystąpić mieszanina gazów palnych z tlenem, co spowoduje samozapłon. Jednak proces ten w niektórych przypadkach można kontrolować, czytaj - gdy zmienia się reżim czynników zewnętrznych, ucieczka termiczna w niektórych przypadkach zatrzymuje się bez fatalnych konsekwencji dla otaczającej przestrzeni. Nie uwzględnia się przydatności do użytku i wydajności samego ogniwa litowego po tych zdarzeniach.
Temperatura niekontrolowanej temperatury zależy od rozmiaru ogniwa, konstrukcji ogniwa i materiału. Temperatura niestabilności termicznej może wahać się od 130 do 200 stopni Celsjusza. Czas niekontrolowanej temperatury może się różnić i wynosić od minut, godzin, a nawet dni...
A co z ogniwami typu LMO/NMC w zasilaczach UPS litowo-jonowych?
– Aby zapobiec kontaktowi anody z elektrolitem, w ogniwie zastosowano warstwę ceramiczną (SFL). Ruch jonów litu jest blokowany w temperaturze 130 stopni Celsjusza.
– Oprócz ochronnego zaworu odpowietrzającego zastosowano system zabezpieczający przed nadmiernym ładowaniem (OSD), który działa w połączeniu z wewnętrznym bezpiecznikiem i wyłącza uszkodzone ogniwo, zapobiegając osiągnięciu niebezpiecznego poziomu niekontrolowanego procesu termicznego. Co więcej, wewnętrzny system OSD zadziała wcześniej, gdy ciśnienie osiągnie wartość 3,5 kgf/cm2, czyli o połowę mniej niż ciśnienie zadziałania zaworu bezpieczeństwa ogniwa.
Nawiasem mówiąc, bezpiecznik ogniwowy zadziała przy prądach powyżej 2500 A w nie więcej niż 2 sekundy. Załóżmy, że gradient temperatury osiąga odczyt 10 stopni C/min. Za 10 sekund ogniwo będzie miało czas na podniesienie temperatury o około 1,7 stopnia w trybie overclockingu.
– Trójwarstwowy separator w ogniwie w trybie ładowania będzie blokował przejście jonów litu do anody ogniwa. Temperatura blokowania wynosi 250 stopni Celsjusza.
Zobaczmy teraz, co mamy z temperaturą ogniwa; Porównajmy, na jakich etapach uruchamiane są różne rodzaje zabezpieczeń na poziomie komórki.
— System OSD – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= ciśnienie zewnętrzne
Dodatkowa ochrona przed przetężeniami.
— zawór bezpieczeństwa 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= ciśnienie zewnętrzne
- bezpiecznik wewnątrz ogniwa 2 sekundy przy 2500A (tryb nadprądowy)
Ryzyko ucieczki termicznej ogniwa zależy bezpośrednio od stopnia/poziomu naładowania ogniwa, więcej szczegółów tutaj...Rozważmy wpływ poziomu naładowania ogniwa w kontekście ryzyka niekontrolowanej temperatury. Rozważmy tabelę zależności między temperaturą ogniwa a parametrem SOC (stan naładowania, stopień naładowania akumulatora).
Poziom naładowania akumulatora mierzony jest w procentach i pokazuje, jaka część całkowitego ładunku pozostała jeszcze w akumulatorze. W tym przypadku rozważamy tryb ładowania akumulatora. Można stwierdzić, że w zależności od składu chemicznego ogniwa litowego, akumulator może zachowywać się inaczej po przeładowaniu i mieć różną podatność na niekontrolowaną temperaturę. Wynika to z różnej pojemności właściwej (A*h/gram) różnych typów ogniw Li-Ion. Im większa pojemność właściwa ogniwa, tym szybsze wydzielanie ciepła podczas ładowania.
Dodatkowo, przy 100% SOC, zewnętrzne zwarcie często powoduje niekontrolowaną niekontrolowaną temperaturę ogniwa. Z drugiej strony, gdy ogniwo ma 80% SOC, maksymalna niekontrolowana temperatura ogniwa przesuwa się w górę. Komórka staje się bardziej odporna na warunki awaryjne.
Wreszcie, dla 70% SOC, zewnętrzne zwarcia mogą w ogóle nie powodować niekontrolowanej ucieczki termicznej. Oznacza to, że ryzyko zapłonu ogniwa jest znacznie zmniejszone, a najbardziej prawdopodobnym scenariuszem jest jedynie zadziałanie zaworu bezpieczeństwa baterii litowej.
Ponadto z tabeli możemy wywnioskować, że LFP (fioletowa krzywa) akumulatora zwykle charakteryzuje się gwałtownym wzrostem temperatury, to znaczy etap „rozgrzewania” płynnie przechodzi w etap „niekontrolowanej temperatury”, a stabilność ten system do przeładowania jest nieco gorszy. Jak widzimy, akumulatory LMO mają gładszą charakterystykę nagrzewania podczas ładowania.
WAŻNE: Po uruchomieniu systemu OSD komórka zostaje zresetowana do obejścia. W ten sposób napięcie na szafie ulega zmniejszeniu, ale pozostaje ona w pracy i dostarcza sygnał do systemu monitorowania UPS poprzez system BMS samej szafy. W przypadku klasycznego systemu UPS z akumulatorami VRLA zwarcie lub przerwa w obrębie jednego akumulatora w szeregu może doprowadzić do awarii całego UPS i utraty funkcjonalności sprzętu IT.
W związku z powyższym, w przypadku stosowania rozwiązań litowych w UPS, istotne pozostają następujące ryzyka:
- Ucieczka cieplna ogniwa lub modułu w wyniku zwarcia zewnętrznego – kilka poziomów ochrony.
- Ucieczka cieplna ogniwa lub modułu w wyniku awarii wewnętrznej baterii - kilka poziomów ochrony na poziomie ogniwa lub modułu.
- Przeładowanie – ochrona przez BMS plus wszystkie poziomy ochrony szafy, modułu, ogniwa.
- Uszkodzenia mechaniczne nie mają w naszym przypadku znaczenia, ryzyko zdarzenia jest znikome.
- Przegrzanie stojaka i wszystkich akumulatorów (modułów, ogniw). Bezkrytyczny do 70-90 stopni. Jeżeli temperatura w pomieszczeniu instalacji UPS wzrośnie powyżej tych wartości, oznacza to, że w budynku doszło do pożaru. W normalnych warunkach pracy centrum danych ryzyko wystąpienia zdarzenia jest znikome.
- Skrócona żywotność baterii w podwyższonych temperaturach pokojowych - dozwolona jest długotrwała praca w temperaturach do 40 stopni bez zauważalnego spadku żywotności baterii. Akumulatory ołowiowe są bardzo wrażliwe na każdy wzrost temperatury i skracają pozostały czas życia proporcjonalnie do wzrostu temperatury.
Przyjrzyjmy się schematowi ryzyka wypadków z akumulatorami litowo-jonowymi w naszym centrum danych, w przypadku użycia w serwerowni. Uprośćmy trochę schemat, ponieważ UPS-y litowe będą działać w idealnych warunkach, jeśli porównamy warunki pracy akumulatorów w Twoim gadżecie, telefonie.
WNIOSEK: Specjalistyczne baterie litowe do zasilaczy UPS w centrach danych i serwerowniach posiadają wystarczający poziom ochrony przed sytuacjami awaryjnymi, a w kompleksowym rozwiązaniu duża ilość stopni różnorodnej ochrony oraz ponad pięcioletnie doświadczenie w obsłudze tych rozwiązań pozwala nam mówić o wysoki poziom bezpieczeństwa nowych technologii. Między innymi nie powinniśmy zapominać, że praca baterii litowych w naszej branży wygląda jak warunki „szklarniowe” dla technologii Li-Ion: w przeciwieństwie do smartfona w kieszeni, nikt nie upuści baterii w centrum danych, nie przegrzeje się, nie rozładuje każdego dnia aktywnie korzystaj z trybu buforowego.
Możesz dowiedzieć się więcej szczegółów i omówić konkretne rozwiązanie z wykorzystaniem akumulatorów litowo-jonowych dla Twojej serwerowni lub centrum danych, wysyłając zapytanie e-mailem lub poprzez złożenie wniosku na stronie internetowej firmy .
OTWARTE TECHNOLOGIE – niezawodne kompleksowe rozwiązania światowych liderów, dostosowane specjalnie do Twoich celów i zadań.
Autor: Kulikow Oleg
Główny inżynier-konstruktor
Dział Rozwiązań Integracyjnych
Firma Otwarte Technologie
W ankiecie mogą brać udział tylko zarejestrowani użytkownicy. , Proszę.
Jakie jest Pana zdanie na temat bezpieczeństwa i możliwości zastosowania rozwiązań przemysłowych opartych na technologiach Li-Ion?
-
16,2%Niebezpieczny, samozapalny, w żadnym wypadku nie umieściłbym go w swojej serwerowni.11
-
10,3%Nie interesuje mnie to, więc co jakiś czas zmieniamy klasyczne baterie i wszystko jest OK.7
-
16,2%Musimy się zastanowić, czy byłoby to bezpieczne i obiecujące.11
-
23,5%Ciekawe, przyjrzę się możliwościom.16
-
13,2%Zainteresowany! Zainwestuj raz – i nie bój się przeciążenia całego centrum danych z powodu awarii jednego akumulatora ołowiowego.9
-
20,6%Ciekawy! Korzyści znacznie przewyższają wady i ryzyko.14
Głosowało 68 użytkowników. 25 użytkowników wstrzymało się od głosu.
Źródło: www.habr.com