Bună prieteni!
După publicarea articolului Au existat multe comentarii despre pericolele soluțiilor Li-Ion pentru servere și centre de date. Prin urmare, astăzi vom încerca să ne dăm seama care sunt diferențele dintre soluțiile industriale cu litiu pentru un UPS și bateria din gadgetul dvs., cum diferă condițiile de funcționare ale bateriilor dintr-o cameră de server, de ce într-un telefon Li-Ion bateria nu durează mai mult de 2-3 ani, iar într-un centru de date această cifră va crește la 10 sau mai mulți ani. De ce riscurile de incendiu cu litiu într-un centru de date/camera de server sunt minime.
Da, accidentele cu bateriile UPS sunt posibile indiferent de tipul dispozitivului de stocare a energiei, dar mitul „pericolului de incendiu” al soluțiilor industriale cu litiu nu este adevărat.
La urma urmei, mulți au văzut asta cu o baterie cu litiu într-o mașină care se deplasează pe autostradă? Deci, să vedem, să ne dăm seama, să comparăm...
Aici vedem un caz tipic de autoincalzire necontrolata, fuga termica a bateriei telefonului, care a dus la un astfel de incident. Vei spune: AICI! E doar un telefon, doar un nebun ar pune așa ceva în camera serverului!
Sunt sigur că după ce va studia acest material, cititorul își va schimba punctul de vedere asupra acestei probleme.
Situația actuală pe piața centrelor de date
Nu este un secret pentru nimeni că construirea unui centru de date este o investiție pe termen lung. Numai prețul echipamentului de inginerie poate fi de 50% din costul tuturor costurilor de capital. Orizontul de rambursare este de aproximativ 10-15 ani. Desigur, există dorința de a reduce costul total de proprietate pe întregul ciclu de viață al centrului de date și, în același timp, de asemenea, echipamente de inginerie compacte, eliberând cât mai mult spațiu posibil pentru sarcina utilă.
Soluția optimă este o nouă iterație de UPS-uri industriale bazate pe baterii Li-Ion, care au scăpat de mult de „bolile copilăriei” sub formă de pericole de incendiu, algoritmi incorecți de încărcare-descărcare și au dobândit o masă de mecanisme de protecție.
Odată cu creșterea capacității echipamentelor de calcul și de rețea, cererea pentru UPS este în creștere. În același timp, cerințele de viață a bateriei cresc în cazul problemelor cu alimentarea centralizată și/sau defecțiunilor la pornirea unei surse de alimentare de rezervă în cazul utilizării/disponibilității unui grup electrogen diesel.
În opinia noastră, există două motive principale:
- Creșterea rapidă a volumului de informații procesate și transmise
De exemplu, că
trebuie să fie salvat și procesat. - Creșterea dinamicii consumului de energie electrică. În ciuda tendinței generale de reducere a consumului de energie al echipamentelor IT, reducerea consumului specific de energie al componentelor electronice.
Graficul consumului de energie al unui singur centru de date operațional
Aceeași tendință este demonstrată de previziunile pieței centrelor de date din țara noastră.Potrivit site-ului, numărul total de spații de rack puse în funcțiune este de peste 20 mii. „Numărul de spații de rack puse în funcțiune de cei mai mari 20 de furnizori de servicii de centre de date în 2017 a crescut cu 3% și a ajuns la 22,4 mii (date de la 1 octombrie, 2017),” – spune raportul CNews Analytics. Potrivit agențiilor de consultanță, până în 2021 se preconizează că numărul de spații de rafturi va crește la 49 de mii. Adică, în doi ani capacitatea reală a centrului de date se poate dubla. Cu ce este legat asta? În primul rând, odată cu creșterea volumului de informații: atât stocate, cât și prelucrate.
Pe lângă cloud, jucătorii consideră dezvoltarea capacităților centrelor de date din regiuni ca fiind puncte de creștere: sunt singurul segment în care există o rezervă pentru dezvoltarea afacerilor. Potrivit IKS-Consulting, în 2016, regiunile au reprezentat doar 10% din toate resursele oferite pe piață, în timp ce capitala și regiunea Moscova au ocupat 73% din piață, iar Sankt Petersburg și regiunea Leningrad - 17%. În regiuni, continuă să existe un deficit de resurse pentru centrele de date cu un grad ridicat de toleranță la erori.
Până în 2025, se estimează că cantitatea totală de date din lume va crește de 10 ori față de 2016.
Totuși, cât de sigur este litiul pentru un server sau un centru de date UPS?
Dezavantaj: costul ridicat al soluțiilor Li-Ion.
Prețul bateriilor litiu-ion este încă ridicat în comparație cu soluțiile standard. Conform estimărilor SE, costurile inițiale pentru UPS-urile de mare putere de peste 100 kVA pentru soluțiile Li-Ion vor fi de 1,5 ori mai mari, dar în cele din urmă economiile la proprietate vor fi de 30-50%. Dacă facem comparații cu complexul militar-industrial din alte țări, atunci iată noutățile despre lansarea în cu baterii Li-Ion. Destul de des, bateriile cu fosfat de litiu de fier (LFP în fotografie) sunt folosite în astfel de soluții datorită ieftinității relative și a siguranței mai mari.
Articolul menționează că s-au cheltuit 100 de milioane de dolari pe baterii noi pentru submarin, să încercăm să le transformăm în alte valori...4,2 mii de tone este deplasarea subacvatică a unui submarin japonez. Deplasare la suprafață - 2,95 mii tone. De regulă, 20-25% din greutatea bărcii este formată din baterii. De aici luăm aproximativ 740 de tone - baterii plumb-acid. Mai mult: masa de litiu este de aproximativ 1/3 din cea a bateriilor plumb-acid -> 246 de tone de litiu. La 70 kWh/kg pentru Li-Ion obținem aproximativ 17 MWh de putere a matricei de baterii. Iar diferența de masă a bateriilor este de aproximativ 495 de tone... Aici nu luăm în calcul , care necesită 14,5 tone de argint per submarin și costă de 4 ori mai mult decât bateriile cu plumb-acid. Permiteți-mi să vă reamintesc că bateriile Li-Ion sunt acum doar de 1,5-2 ori mai scumpe decât VRLA, în funcție de puterea soluției.
Dar japonezii? Ei și-au amintit prea târziu că „ușurarea bărcii” cu 700 de tone implică o schimbare a navigabilității și stabilității acesteia... Probabil că au trebuit să adauge arme la bord pentru a returna distribuția greutății de proiectare a ambarcațiunii.
Bateriile cu litiu-ion cântăresc, de asemenea, mai puțin decât bateriile cu plumb-acid, așa că designul submarinului din clasa Soryu a trebuit să fie oarecum reproiectat pentru a menține balastul și stabilitatea.
În Japonia, două tipuri de baterii litiu-ion au fost create și aduse în stare de funcționare: litiu-nichel-cobalt-oxid de aluminiu (NCA) produse de GS Yuasa și titanat de litiu (LTO) produs de Toshiba Corporation. Marina japoneză va folosi baterii NCA, în timp ce Australiei i s-au oferit baterii LTO pentru a fi utilizate pe submarinele din clasa Soryu într-o licitație recentă, potrivit Kobayashi.
Cunoscând atitudinea respectuoasă față de siguranță în Țara Soarelui Răsare, putem presupune că problemele de siguranță cu litiu au fost rezolvate, testate și certificate.
Risc: pericol de incendiu.
Aici ne vom da seama de scopul publicării, deoarece există opinii diametral opuse despre siguranța acestor soluții. Dar aceasta este toată retorică, dar cum rămâne cu soluțiile industriale specifice?
Am discutat deja problemele de securitate în cadrul nostru , dar să ne oprim din nou asupra acestei probleme. Să ne întoarcem la figură, care a examinat nivelul de protecție a modulului și celulei LMO/NMC a bateriei fabricate de Samsung SDI și utilizată ca parte a UPS-ului Schneider Electric.
Procesele chimice au fost discutate în articolul utilizatorului . Să încercăm să înțelegem posibilele riscuri în cazul nostru particular și să le comparăm cu protecția pe mai multe niveluri în celulele Samsung SDI, care sunt parte integrantă a unui rack Li-Ion de tip G gata făcut ca parte a unei soluții cuprinzătoare bazate pe Galaxy VM. .
Să începem cu o diagramă generală a riscurilor și cauzelor incendiului într-o celulă cu litiu-ion.
Sub spoiler puteți studia problemele teoretice ale riscurilor de incendiu ale bateriilor litiu-ion și fizica proceselorSchema bloc inițială a riscurilor și cauzelor de incendiu (pericol de siguranță) a unei celule litiu-ion din 2018 ani.
Deoarece în funcție de structura chimică a celulei litiu-ion există diferențe în caracteristicile de evaporare termică ale celulei, aici ne vom concentra asupra procesului descris în articol într-o celulă litiu-nichel-cobalt-aluminiu (pe baza LiNiCoAIO2) sau NCA.
Procesul de dezvoltare a unui accident într-o celulă poate fi împărțit în trei etape:
- etapa 1 (Debut). Funcționarea normală a celulei atunci când gradientul de creștere a temperaturii nu depășește 0,2 grade Celsius pe minut, iar temperatura celulei în sine nu depășește 130-200 grade Celsius, în funcție de structura chimică a celulei;
- etapa 2, încălzire (accelerare). În această etapă, temperatura crește, gradientul de temperatură crește rapid și energia termică este eliberată activ. În general, acest proces este însoțit de eliberarea de gaze. Degajarea excesivă de gaz trebuie compensată prin acționarea supapei de siguranță;
- etapa 3, fuga termică (Runaway). Incalzire baterie peste 180-200 de grade. În acest caz, materialul catodic intră într-o reacție de disproporționare și eliberează oxigen. Acesta este nivelul de evadare termică, deoarece în acest caz poate apărea un amestec de gaze inflamabile cu oxigen, care va provoca arderea spontană. Cu toate acestea, acest proces în unele cazuri poate fi controlat, citiți - atunci când regimul factorilor externi se schimbă, fuga termică în unele cazuri se oprește fără consecințe fatale pentru spațiul înconjurător. Capacitatea de funcționare și performanța celulei cu litiu în sine după aceste evenimente nu sunt luate în considerare.
Temperatura de evaporare termică depinde de dimensiunea celulei, de designul celulei și de material. Temperatura de fugă termică poate varia de la 130 la 200 de grade Celsius. Timpul de fuga termică poate varia și varia de la minute, ore sau chiar zile...
Dar celulele de tip LMO/NMC din UPS-urile cu litiu-ion?
– Pentru a preveni contactul anodului cu electrolitul, se folosește un strat ceramic ca parte a celulei (SFL). Mișcarea ionilor de litiu este blocată la 130 de grade Celsius.
– Pe lângă supapa de aerisire de protecție, se folosește un sistem de protecție Over Charge Device (OSD), care funcționează împreună cu o siguranță internă și oprește celula deteriorată, împiedicând procesul de evaporare termică să atingă niveluri periculoase. Mai mult, sistemul OSD intern se va declanșa mai devreme, când presiunea atinge 3,5 kgf/cm2, adică jumătate mai puțin decât presiunea de răspuns a supapei de siguranță a celulei.
Apropo, siguranța celulei va funcționa la curenți de peste 2500 A în cel mult 2 secunde. Să presupunem că gradientul de temperatură atinge o citire de 10 grade C/min. În 10 secunde, celula va avea timp să adauge aproximativ 1,7 grade la temperatura sa în modul overclocking.
– Un separator cu trei straturi în celulă în modul de reîncărcare va bloca trecerea ionilor de litiu către anodul celulei. Temperatura de blocare este de 250 de grade Celsius.
Acum să vedem ce avem cu temperatura celulei; Să comparăm în ce etape sunt declanșate diferite tipuri de protecții la nivel de celule.
— Sistem OSD – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= presiune exterioară
Protecție suplimentară împotriva supracurenților.
— supapă de siguranță 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= presiune exterioară
- siguranța în interiorul celulei 2 secunde la 2500A (mod supracurent)
Riscul de evadare termică a unei celule depinde direct de gradul/nivelul de încărcare al celulei, mai multe detalii aici...Să luăm în considerare efectul nivelului de încărcare a celulei în contextul riscurilor de evadare termică. Să luăm în considerare tabelul de corespondență dintre temperatura celulei și parametrul SOC (State of Charge, gradul de încărcare a bateriei).
Nivelul de încărcare a bateriei este măsurat ca procent și arată cât de mult din încărcarea totală rămâne încă stocată în baterie. În acest caz, luăm în considerare modul de reîncărcare a bateriei. Se poate concluziona că, în funcție de chimia celulei cu litiu, bateria se poate comporta diferit atunci când este supraîncărcată și are o susceptibilitate diferită la evadarea termică. Acest lucru se datorează capacității specifice diferite (A*h/gram) ale diferitelor tipuri de celule Li-Ion. Cu cât capacitatea specifică a celulei este mai mare, cu atât eliberarea căldurii este mai rapidă în timpul reîncărcării.
În plus, la 100% SOC, un scurtcircuit extern provoacă adesea fuga termică a celulei. Pe de altă parte, când celula este la 80% SOC, temperatura maximă de evaporare termică a celulei se deplasează în sus. Celula devine mai rezistentă la condițiile de urgență.
În cele din urmă, pentru 70% SOC, scurtcircuitele externe pot să nu provoace deloc evadarea termică. Adică, riscul de aprindere a celulei este redus semnificativ, iar scenariul cel mai probabil este doar funcționarea supapei de siguranță a bateriei cu litiu.
În plus, din tabel putem concluziona că LFP (curba violetă) a unei baterii are de obicei o creștere abruptă a temperaturii, adică etapa de „încălzire” trece fără probleme în etapa de „fuga termică” și stabilitatea acest sistem la supraîncărcare este oarecum mai rău. Bateriile LMO, după cum vedem, au o caracteristică de încălzire mai lină la reîncărcare.
IMPORTANT: Când sistemul OSD este declanșat, celula este resetată la ocolire. Astfel, tensiunea pe rack este redusă, dar rămâne în funcțiune și oferă un semnal sistemului de monitorizare UPS prin sistemul BMS al rack-ului propriu-zis. În cazul unui sistem UPS clasic cu baterii VRLA, un scurtcircuit sau o întrerupere într-o baterie dintr-un șir poate duce la defectarea UPS-ului în ansamblu și la pierderea funcționalității echipamentului IT.
Pe baza celor de mai sus, în cazul utilizării soluțiilor cu litiu în UPS, rămân relevante următoarele riscuri:
- Evadarea termică a unei celule sau a unui modul ca urmare a unui scurtcircuit extern - mai multe niveluri de protecție.
- Evacuarea termică a unei celule sau a unui modul ca urmare a unei defecțiuni interne a bateriei - mai multe niveluri de protecție la nivel de celulă sau modul.
- Supraîncărcare – protecție prin BMS plus toate nivelurile de protecție pentru un rack, modul, celulă.
- Deteriorarea mecanică nu este relevantă pentru cazul nostru, riscul evenimentului este neglijabil.
- Supraîncălzirea rack-ului și a tuturor bateriilor (module, celule). Necritic până la 70-90 de grade. Dacă temperatura din camera de instalare a UPS-ului crește peste aceste valori, înseamnă că există un incendiu în clădire. În condiții normale de funcționare a centrului de date, riscul unui eveniment este neglijabil.
- Durată de viață redusă a bateriei la temperaturi ridicate ale camerei - funcționarea pe termen lung la temperaturi de până la 40 de grade este permisă fără o scădere vizibilă a duratei de viață a bateriei. Bateriile cu plumb sunt foarte sensibile la orice creștere a temperaturii și își reduc durata de viață rămasă proporțional cu creșterea temperaturii.
Să aruncăm o privire la o diagramă a riscului de accidente cu bateriile litiu-ion în centrul nostru de date, caz de utilizare a camerei serverului. Să simplificăm puțin schema, deoarece UPS-urile cu litiu vor fi funcționate în condiții ideale, dacă comparăm condițiile de funcționare ale bateriilor din gadgetul tău, telefon.
CONCLUZIE: Bateriile cu litiu specializate pentru UPS-urile pentru centre de date și camere de servere au un nivel suficient de protecție împotriva situațiilor de urgență, iar într-o soluție cuprinzătoare, un număr mare de grade de protecție variată și o experiență de peste cinci ani în operarea acestor soluții ne permit să vorbim despre un nivel ridicat de siguranță a noilor tehnologii. Printre altele, nu trebuie să uităm că funcționarea bateriilor cu litiu în sectorul nostru arată ca condiții de „sară” pentru tehnologiile Li-Ion: spre deosebire de smartphone-ul tău în buzunar, nimeni nu va scăpa bateria în centrul de date, se va supraîncălzi, se va descărca. în fiecare zi, utilizați activ în modul tampon.
Puteți afla mai multe detalii și puteți discuta despre o soluție specifică folosind baterii litiu-ion pentru camera serverului sau centrul dvs. de date, trimițând o solicitare prin e-mail , sau prin efectuarea unei cereri pe site-ul companiei .
TEHNOLOGII DESCHISE – soluții complete și fiabile de la lideri mondiali, adaptate în mod specific scopurilor și obiectivelor dumneavoastră.
Autor: Kulikov Oleg
Inginer proiectant lider
Departamentul Soluții de Integrare
Compania de tehnologii deschise
Numai utilizatorii înregistrați pot participa la sondaj. , Vă rog.
Ce părere aveți despre siguranța și aplicabilitatea soluțiilor industriale bazate pe tehnologii Li-Ion?
-
16,2%Periculoasă, auto-aprindere, sub nicio formă nu l-aș pune în camera mea de server.11
-
10,3%Nu mă interesează acest lucru, așa că schimbăm periodic bateriile clasice și totul este OK.7
-
16,2%Trebuie să ne gândim dacă ar putea fi sigur și promițător.11
-
23,5%Interesant, voi analiza posibilități.16
-
13,2%Interesat! Investiți o dată - și nu vă fie teamă să copleșiți întregul centru de date din cauza defecțiunii unei baterii cu plumb.9
-
20,6%Interesant! Avantajele depășesc cu mult dezavantajele și riscurile.14
Au votat 68 utilizatori. 25 utilizatori s-au abținut.
Sursa: www.habr.com