Hej kompisar!
Efter att artikeln publicerats Det har kommit många kommentarer om farorna med Li-Ion-lösningar för server- och datacenter. Därför kommer vi idag att försöka ta reda på vad skillnaderna är mellan industriella litiumlösningar för en UPS och batteriet i din gadget, hur driftsförhållandena för batterier i ett serverrum skiljer sig åt, varför i en Li-Ion-telefon räcker batteriet inte mer än 2-3 år, och i ett datacenter kommer denna siffra att öka till 10 eller fler år. Varför riskerna för litiumbrand i ett datacenter/serverrum är minimala.
Ja, olyckor med UPS-batterier är möjliga oavsett typ av energilagringsenhet, men myten om "brandrisken" för industriella litiumlösningar är inte sann.
Det har trots allt sett många med ett litiumbatteri i en bil som rör sig på motorvägen? Så, låt oss se, räkna ut det, jämföra...
Här ser vi ett typiskt fall av okontrollerad självuppvärmning, termisk runaway av telefonbatteriet, vilket ledde till en sådan incident. Du kommer att säga: HÄR! Det är bara en telefon, bara en galen person skulle lägga något sådant i serverrummet!
Jag är säker på att efter att ha studerat detta material kommer läsaren att ändra sin syn på denna fråga.
Nuvarande situation på datacentermarknaden
Det är ingen hemlighet att bygga ett datacenter är en långsiktig investering. Enbart priset på ingenjörsutrustning kan vara 50 % av kostnaden för alla kapitalkostnader. Återbetalningshorisonten är cirka 10-15 år. Naturligtvis finns det en önskan att sänka den totala ägandekostnaden under hela datacentrets livscykel, och samtidigt även kompakt konstruktionsutrustning, vilket frigör så mycket utrymme som möjligt för nyttolasten.
Den optimala lösningen är en ny iteration av industriell UPS baserad på Li-Ion-batterier, som länge har blivit av med "barnsjukdomar" i form av brandrisker, felaktiga laddnings-urladdningsalgoritmer och har fått en mängd skyddsmekanismer.
Med ökningen av kapaciteten för dator- och nätverksutrustning växer efterfrågan på UPS. Samtidigt ökar kraven på batteritid vid problem med centraliserad strömförsörjning och/eller fel vid start av reservkraftkälla vid användning/tillgänglighet av en dieselgenerator.
Enligt vår uppfattning finns det två huvudsakliga skäl:
- Snabb tillväxt av mängden information som bearbetas och överförs
Till exempel, , som
måste sparas och bearbetas. - Tillväxt i dynamiken i elektrisk energiförbrukning. Trots den allmänna trenden att minska energiförbrukningen för IT-utrustning, minska den specifika energiförbrukningen för elektroniska komponenter.
Energiförbrukningsdiagram för bara ett datacenter i drift
Samma trend visas av marknadsprognoser för datacenter i vårt land.Enligt hemsidan, det totala antalet rackutrymmen som tagits i drift är mer än 20 tusen. "Antalet rackutrymmen som togs i drift av de 20 största leverantörerna av datacentertjänster under 2017 ökade med 3% och nådde 22,4 tusen (data per 1 oktober, 2017),” – säger CNews Analytics-rapporten. Enligt konsultbyråer förväntas antalet ställplatser att öka till 2021 tusen år 49. Det vill säga på två år kan datacentrets faktiska kapacitet fördubblas. Vad är detta kopplat till? Först och främst med ökningen av informationsvolymen: både lagrad och bearbetad.
Förutom moln anser spelare utvecklingen av datacenterkapacitet i regionerna som tillväxtpunkter: de är det enda segmentet där det finns en reserv för affärsutveckling. Enligt IKS-Consulting stod regionerna 2016 för endast 10 % av alla resurser som erbjöds på marknaden, medan huvudstaden och Moskvaregionen ockuperade 73 % av marknaden och St. Petersburg och Leningrad-regionen - 17 %. I regionerna är det fortsatt brist på datacenterresurser med hög feltolerans.
År 2025 beräknas den totala mängden data i världen öka 10 gånger jämfört med 2016.
Ändå, hur säkert är litium för en server eller datacenter UPS?
Nackdel: höga kostnader för Li-Ion-lösningar.
Priset på litiumjonbatterier är fortfarande högt jämfört med standardlösningar. Enligt SE-uppskattningar kommer initialkostnaderna för UPS-enheter med hög effekt över 100 kVA för Li-Ion-lösningar att vara 1,5 gånger högre, men i slutändan kommer besparingarna på ägande att bli 30-50 %. Om vi gör jämförelser med andra länders militärindustriella komplex, så är här nyheten om lanseringen i med Li-Ion batterier. Ganska ofta används litiumjärnfosfatbatterier (LFP på bilden) i sådana lösningar på grund av deras relativa billighet och större säkerhet.
Artikeln nämner att 100 miljoner dollar spenderades på nya batterier till ubåten, låt oss försöka omvandla det till andra värden...4,2 tusen ton är undervattensförskjutningen av en japansk ubåt. Ytförskjutning - 2,95 tusen ton. Som regel utgörs 20-25 % av båtens vikt av batterier. Härifrån tar vi cirka 740 ton - blybatterier. Vidare: massan av litium är ungefär 1/3 av den för blybatterier -> 246 ton litium. Vid 70 kWh/kg för Li-Ion får vi cirka 17 MWh batterikraft. Och skillnaden i massan på batterier är ungefär 495 ton... Här tar vi inte hänsyn , som kräver 14,5 ton silver per ubåt, och kostar 4 gånger mer än blybatterier. Låt mig påminna dig om att Li-Ion-batterier nu bara är 1,5-2 gånger dyrare än VRLA, beroende på lösningens kraft.
Hur är det med japanerna? De kom för sent ihåg att "att lätta båten" med 700 ton innebär en förändring av dess sjöduglighet och stabilitet... De var förmodligen tvungna att lägga till vapen ombord för att återställa den designade viktfördelningen för båten.
Litiumjonbatterier väger också mindre än blybatterier, så ubåtsdesignen i Soryu-klassen var tvungen att göras om något för att bibehålla ballast och stabilitet.
I Japan har två typer av litiumjonbatterier skapats och tagits i drift: litium-nickel-kobolt-aluminiumoxid (NCA) tillverkad av GS Yuasa och litium-titanat (LTO) tillverkad av Toshiba Corporation. Den japanska flottan kommer att använda NCA-batterier, medan Australien erbjöds LTO-batterier för användning på ubåtar av Soryu-klass i ett nyligen anbud, enligt Kobayashi.
Genom att känna till den vördnadsfulla inställningen till säkerhet i Land of the Rising Sun, kan vi anta att litiumsäkerhetsproblem har lösts, testats och certifierats.
Risk: brandrisk.
Det är här vi kommer att ta reda på syftet med publiceringen, eftersom det finns diametralt motsatta åsikter om säkerheten för dessa lösningar. Men allt detta är retorik, men hur är det med specifika industriella lösningar?
Vi har redan diskuterat säkerhetsfrågor i vår , men låt oss uppehålla oss vid denna fråga igen. Låt oss vända oss till figuren, som undersökte skyddsnivån för modulen och LMO/NMC-cellen för batteriet tillverkat av Samsung SDI och används som en del av Schneider Electric UPS.
Kemiska processer diskuterades i användarens artikel . Låt oss försöka förstå de möjliga riskerna i vårt specifika fall och jämföra dem med flernivåskydd i Samsung SDI-celler, som är en integrerad del av ett färdigt Type G Li-Ion-rack som en del av en omfattande lösning baserad på Galaxy VM .
Låt oss börja med ett allmänt flödesschema över riskerna och orsakerna till brand i en litiumjoncell.
Under spoilern kan du studera de teoretiska frågorna om brandrisker hos litiumjonbatterier och processernas fysikInitialt blockschema över risker och brandorsaker (säkerhetsrisk) för en litiumjoncell från 2018 år.
Eftersom beroende på litiumjoncellens kemiska struktur finns skillnader i cellens termiska skenande egenskaper, kommer vi här att fokusera på processen som beskrivs i artikeln i en litium-nickel-kobolt-aluminiumcell (baserad på LiNiCoAIO2) eller NCA.
Processen att utveckla en olycka i en cell kan delas in i tre steg:
- steg 1 (start). Normal drift av cellen när temperaturökningsgradienten inte överstiger 0,2 grader Celsius per minut och själva celltemperaturen inte överstiger 130-200 grader Celsius, beroende på cellens kemiska struktur;
- steg 2, uppvärmning (Acceleration). I detta skede stiger temperaturen, temperaturgradienten ökar snabbt och termisk energi frigörs aktivt. I allmänhet åtföljs denna process av utsläpp av gaser. Överdriven gasutveckling måste kompenseras genom manövrering av säkerhetsventilen;
- etapp 3, termisk runaway (Runaway). Batterivärme över 180-200 grader. I detta fall går katodmaterialet in i en disproportioneringsreaktion och frigör syre. Detta är nivån av termisk flykt, eftersom i detta fall en blandning av brandfarliga gaser med syre kan uppstå, vilket kommer att orsaka spontan förbränning. Emellertid kan denna process i vissa fall kontrolleras, läs - när regimen för yttre faktorer förändras, slutar termisk runaway i vissa fall utan ödesdigra konsekvenser för det omgivande utrymmet. Användbarheten och prestandan för själva litiumcellen efter dessa händelser beaktas inte.
Thermal runaway temperatur beror på cellstorlek, celldesign och material. Den termiska flykttemperaturen kan variera från 130 till 200 grader Celsius. Den termiska flykttiden kan variera och variera från minuter, timmar eller till och med dagar...
Hur är det med celler av LMO/NMC-typ i litiumjon-UPS?
– För att förhindra kontakt mellan anoden och elektrolyten används ett keramiskt skikt som en del av cellen (SFL). Rörelsen av litiumjoner blockeras vid 130 grader Celsius.
– Förutom den skyddande avluftningsventilen används ett skyddssystem för överladdningsenhet (OSD), som fungerar tillsammans med en intern säkring och stänger av den skadade cellen, vilket förhindrar att den termiska flyktprocessen når farliga nivåer. Dessutom kommer det interna OSD-systemet att utlösas tidigare, när trycket når 3,5 kgf/cm2, det vill säga hälften mindre än svarstrycket för cellens säkerhetsventil.
Förresten kommer cellsäkringen att fungera vid strömmar över 2500 A på inte mer än 2 sekunder. Låt oss anta att temperaturgradienten når en avläsning på 10 grader C/min. Om 10 sekunder kommer cellen att hinna lägga till cirka 1,7 grader till sin temperatur i överklockningsläge.
– En treskiktsseparator i cellen i laddningsläge kommer att blockera övergången av litiumjoner till cellens anod. Blockeringstemperaturen är 250 grader Celsius.
Låt oss nu se vad vi har med celltemperaturen; Låt oss jämföra i vilka stadier olika typer av skydd utlöses på cellnivå.
— OSD-system – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= yttre tryck
Ytterligare skydd mot överströmmar.
— säkerhetsventil 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= yttre tryck
- säkring inuti cellen 2 sekunder vid 2500A (överströmsläge)
Risken för termisk rusning av en cell beror direkt på cellens laddningsgrad/laddningsnivå, mer information här...Låt oss överväga effekten av cellladdningsnivån i samband med riskerna för termisk flykt. Låt oss överväga överensstämmelsetabellen mellan celltemperaturen och SOC-parametern (State of Charge, graden av laddning av batteriet).
Batteriladdningsnivån mäts i procent och visar hur mycket av den totala laddningen som fortfarande finns kvar i batteriet. I det här fallet överväger vi batteriladdningsläget. Man kan dra slutsatsen att beroende på litiumcellens kemi kan batteriet bete sig annorlunda när det är överladdat och ha olika känslighet för termisk flykt. Detta beror på den olika specifika kapaciteten (A*h/gram) hos olika typer av Li-Ion-celler. Ju större specifik kapacitet cellen har, desto snabbare frigörs värmen under laddningen.
Dessutom, vid 100 % SOC, orsakar en extern kortslutning ofta termisk löpning av cellen. Å andra sidan, när cellen är på 80 % SOC, skiftar den maximala termiska flykttemperaturen för cellen uppåt. Cellen blir mer motståndskraftig mot nödsituationer.
Slutligen, för 70 % SOC, kanske externa kortslutningar inte orsakar termisk rusning alls. Det vill säga att risken för cellantändning minskar avsevärt, och det mest troliga scenariot är endast driften av litiumbatteriets säkerhetsventil.
Dessutom kan vi från tabellen dra slutsatsen att LFP (lila kurva) för ett batteri vanligtvis har en brant temperaturökning, det vill säga att "uppvärmningssteget" smidigt övergår till det "termiska runaway"-stadiet, och stabiliteten hos detta system till överladdning är något värre. LMO-batterier, som vi ser, har en mjukare uppvärmningskaraktär vid laddning.
VIKTIGT! När OSD-systemet utlöses återställs cellen till bypass. Således reduceras spänningen på racket, men den förblir i drift och ger en signal till UPS-övervakningssystemet genom själva rackets BMS-system. I fallet med ett klassiskt UPS-system med VRLA-batterier kan en kortslutning eller avbrott inom ett batteri i en sträng leda till fel på UPS-enheten som helhet och förlust av funktionalitet hos IT-utrustning.
Baserat på ovanstående, för fallet med användning av litiumlösningar i UPS, är följande risker fortfarande relevanta:
- Termisk runaway av en cell eller modul som ett resultat av en extern kortslutning - flera skyddsnivåer.
- Termisk flykt av en cell eller modul som ett resultat av ett internt batterifel - flera skyddsnivåer på cell- eller modulnivå.
- Överladdning – skydd av BMS plus alla skyddsnivåer för ett rack, modul, cell.
- Mekanisk skada är inte relevant för vårt fall, risken för händelsen är försumbar.
- Överhettning av racket och alla batterier (moduler, celler). Okritisk upp till 70-90 grader. Om temperaturen i UPS-installationsrummet stiger över dessa värden betyder det att det brinner i byggnaden. Under normala driftsförhållanden för datacenter är risken för en händelse försumbar.
- Minskad batteritid vid förhöjda rumstemperaturer - långtidsdrift vid temperaturer upp till 40 grader tillåts utan märkbar minskning av batteritiden. Blybatterier är mycket känsliga för eventuell temperaturökning och minskar sin återstående livslängd i proportion till temperaturökningen.
Låt oss ta en titt på ett flödesschema över risken för olyckor med litiumjonbatterier i vårt datacenter, serverrum. Låt oss förenkla diagrammet lite, eftersom litium-UPS kommer att drivas under idealiska förhållanden, om vi jämför driftsförhållandena för batterierna i din gadget, telefon.
SLUTSATS: Specialiserade litiumbatterier för UPS:er för datacenter och serverrum har en tillräcklig skyddsnivå mot nödsituationer, och i en heltäckande lösning, ett stort antal olika skyddsgrader och mer än fem års erfarenhet av drift av dessa lösningar gör att vi kan tala om en hög säkerhetsnivå för ny teknik. Bland annat bör vi inte glömma att driften av litiumbatterier i vår sektor ser ut som "växthus"-förhållanden för Li-Ion-teknik: till skillnad från din smartphone i fickan kommer ingen att tappa batteriet i datacentret, överhettas, ladda ur varje dag, aktivt använda i buffertläge.
Du kan ta reda på mer detaljer och diskutera en specifik lösning med litiumjonbatterier för ditt serverrum eller datacenter genom att skicka en förfrågan via e-post , eller genom att göra en förfrågan på företagets webbplats .
ÖPPEN TEKNIK – pålitliga helhetslösningar från världsledare, anpassade specifikt till dina mål och mål.
Författare: Kulikov Oleg
Ledande designingenjör
Avdelningen för integrationslösningar
Open Technologies Company
Endast registrerade användare kan delta i undersökningen. , Snälla du.
Vad är din åsikt om säkerheten och användbarheten av industriella lösningar baserade på Li-Ion-teknik?
-
16,2%Farligt, självantändande, under inga omständigheter skulle jag placera det i mitt serverrum.11
-
10,3%Jag är inte intresserad av detta, så vi byter med jämna mellanrum klassiska batterier, och allt är OK.7
-
16,2%Vi måste fundera på om det kan vara säkert och lovande.11
-
23,5%Intressant, jag ska undersöka möjligheterna.16
-
13,2%Intresserad! Investera en gång - och var inte rädd för att överväldiga hela datacentret på grund av fel på ett blybatteri.9
-
20,6%Intressant! Fördelarna överväger vida nackdelarna och riskerna.14
68 användare röstade. 25 användare avstod från att rösta.
Källa: will.com