Привіт, друзі!
Після публікації статті було багато коментарів з приводу небезпеки Li-Ion рішень для серверних та ЦОД. Тому сьогодні спробуємо розібратися, у чому відмінності промислових рішень на літії для ДБЖ від батарейки у вашому гаджеті, як відрізняються умови експлуатації батарей у серверній, чому в телефоні Li-Ion батарея служить не більше 2-3 років, а в ЦОДі ця цифра зросте до 10 та більше років. Чому ризики спалаху літію в ЦОД/серверній мінімальні.
Так, аварії на батареях ДБЖ можливі незалежно від типу накопичувачів енергії, а ось міф «пожеженебезпечності» промислових рішень на літії не відповідає дійсності.
Адже багато хто бачив той c літієвим акумулятором в машині, що рухається по шосе? Отже, побачимо, розберемося, порівняємо…
Тут бачимо типовий випадок неконтрольованого самонагрівання, теплового розгону батареї телефону, що спричинив такий інцидент. Ви скажете: Ось! Це лише телефон, в серверну поставить таке тільки божевільний!
Впевнений, вивчивши цей матеріал, читач змінить свою точку зору з цього питання.
Поточна ситуація на ринку ЦОД
Ні для кого не секрет, що будівництво ЦОД – це довгострокове капіталовкладення. Ціна тільки інженерного обладнання може становити 50% вартості всіх капітальних витрат. Обрій окупності - приблизно 10-15 років. Закономірно виникає бажання знизити повну вартість володіння на всьому життєвому циклі ЦОД, а принагідно ще й ущільнити інженерне обладнання, максимально звільнивши площі під корисне навантаження.
Оптимальне рішення – промислові ДБЖ нової ітерації на базі Li-Ion акумуляторів, які вже давно позбулися «дитячих хвороб» у вигляді пожежної небезпеки, некоректних алгоритмів заряду-розряду, обросли масою захисних механізмів.
Зі збільшенням потужностей обчислювального та мережевого обладнання зростає попит на ДБЖ. Одночасно збільшуються вимоги до часу автономної роботи від акумуляторних батарей у разі проблем із централізованим електропостачанням та/або збоями під час запуску резервного джерела живлення у разі застосування/наявності ДДУ.
Основних причин, на наш погляд, тут дві:
- Стрімке зростання обсягів оброблюваної та переданої інформації
Наприклад, , яку
потрібно зберегти та обробити. - Зростання динаміки споживання електричної енергії. Незважаючи на загальний тренд зниження енергоспоживання ІТ-устаткування, зниження питомого споживання енергії електронними компонентами.
Графік енергоспоживання всього одного діючого ЦОД
Цю ж тенденцію демонструють прогнози ринку ЦОД у нашій країні.За даними сайту, сумарна кількість введених в експлуатацію стійко-місць становить понад 20 тис. йдеться у звіті CNews Analytics. За оцінками консалтингових агентств, до 20 року прогнозується збільшення стійкості до 2017 тисяч. Тобто, за два роки реальна ємність ЦОД може збільшитися вдвічі. З чим це пов'язано? Насамперед, зі зростанням обсягу інформації: як збереженої, і оброблюваної.
Крім хмар до точок зростання, гравці зараховують розвиток ЦОД-потужностей у регіонах: вони є єдиним сегментом, де зберігається запас для розвитку бізнесу. За даними IKS-Consulting, у 2016 році на регіони припало лише 10% усіх пропонованих на ринку ресурсів, тоді як столиця та Московська область зайняли 73% ринку, а Санкт-Петербург та Ленінградська область – 17%. У регіонах продовжує зберігатися дефіцит на ресурси дата-центрів із високим ступенем відмовостійкості.
До 2025 року, згідно з прогнозами, загальний обсяг даних у світі збільшиться у 10 разів порівняно з 2016 роком.
Все-таки, наскільки безпечний літій для ДБЖ серверної чи ЦОД?
Недолік: висока вартість Li-Ion рішень.
Ціна літій-іонних АКБ все ще залишається високою порівняно зі стандартними рішеннями. За оцінками компанії SE початкові витрати для потужних ДБЖ понад 100 кВА для Li-Ion рішень будуть вищими в 1,5 рази, але зрештою економія на володінні складе 30-50%. Якщо провести порівняння з військово-промисловим комплексом інших країн, то ось новина про запуск із Li-Ion батареями. Досить часто в подібних рішеннях застосовують літій-залізо-фосфатні батареї (на фото-LFP) через відносну дешевизну та більшу безпеку.
У статті згадується, що на нові батареї для субмарини витрачено $100 млн., спробуємо перерахувати на інші величини…4,2 тисячі тонн - підводна водотоннажність японської субмарини. Надводна водотоннажність - 2,95 тисяч тонн. Як правило, 20-25% маси човна складають акумулятори. Звідси беремо приблизно 740 тонн – свинцево-кислотні акумулятори. маса літій становить приблизно 1/3 від свинцево-кислотних батарей -> 246 тонн літію. По 70кВт * год / кг для Li-Ion отримуємо приблизно 17 МВт * год потужності батарейного масиву. І різниця в масі батарей — приблизно 495 тонн… Тут ми не беремо до уваги У складі яких на один підводний човен потрібно 14,5 тонни срібла, а за вартістю вони перевищують свинцево-кислотні батареї в 4 рази. Нагадаю Li-Ion батареї зараз дорожче VRLA всього в 1,5-2 рази в залежності від потужності рішення.
А що ж японці? Вони надто пізно згадали, що «полегшення човна» на 700 тонн тягне за собою зміну його морехідних якостей, стійкості… Ймовірно, їм довелося додавати озброєнь на борт, щоб повернути проектні значення розвіски човна.
Літієво-іонні акумулятори також важать менше, ніж свинцево-кислотні акумулятори, тому проект підводного човна типу Soryu довелося дещо переробити для збереження баластування та стійкості.
У Японії створено та доведено до експлуатаційного стану два типи літієво-іонних акумуляторних батарей: літій-нікель-кобальт-алюміній-оксидну (NCA) виробництва компанії GS Yuasa та літій-титанатну (LTO) виробництва корпорації Toshiba. Японський флот буде використовувати батареї типу NCA, при цьому, згідно з Кобаясі, Австралії для використання на підводних човнах на основі типу Soryu в недавньому тендері були запропоновані батареї типу LTO.
Знаючи трепетне ставлення до безпеки в країні Сонця, можна припустити, що питання безпеки літію у них вирішені, протестовані і сертифіковані.
Ризик: пожежна небезпека.
Ось тут і розберемося з метою публікації, оскільки думки щодо безпеки даних рішень існують діаметрально протилежні. Але це все лірика, а що ми маємо з конкретними промисловими рішеннями?
Питання безпеки ми вже розглядали у нашій але ще раз зупинимося на цьому питанні. Звернемося до малюнка, де розглядався рівень захисту модуля та осередку LMO/NMC акумулятора виробництва Samsung SDI та використовуваної у складі ДБЖ Schneider Electric.
Хімічні процеси були розглянуті у статті користувача . Спробуємо розібратися в можливих ризиках у нашому конкретному випадку та зіставити з багаторівневим захистом у осередках Samsung SDI, що є складовою готової Li-Ion стійки Type G у складі комплексного рішення на базі Galaxy VM.
Почнемо із загального випадку блок-схеми ризиків та причин займання літій-іонного осередку.
Під спойлером можна вивчити теоретичні питання ризиків займання літій-іонних акумуляторів та фізику процесівВихідна блок-схема ризиків та причин займання (Safety Hazard) літій-іонного осередку з 2018 року.
Оскільки залежно від хімічної структури літій-іонного осередку є відмінності в характеристиках теплового розгону осередку, тут зупинимося на викладеному у статті процесі в літій-нікель-кобальт-алюмінієвому осередку (на базі LiNiCoAIO2) або NCA.
Процес розвитку аварії в осередку можна поділити на три стадії:
- стадія 1 (Onset). Нормальна робота осередку, коли градієнт наростання температури вбирається у 0,2 гр.С в хвилину, а сама температура осередку вбирається у 130-200 гр.С залежно від хімічної структури осередку;
- стадія 2, розігрів (Acceleration). На цьому етапі температура підвищується, градієнт зростання температури стрімко зростає, відбувається активне виділення теплової енергії. У випадку цей процес супроводжується виділенням газів. Надмірне газовиділення має бути компенсоване спрацюванням запобіжного клапана;
- стадія 3, тепловий розгін (Runaway). Нагрів акумулятора понад 180-200 градусів. При цьому матеріал катода входить у реакцію диспропорціонування та виділяє кисень. Це і є рівень теплового розгону, тому що в цьому випадку може виникнути суміш горючих газів з киснем, що спричинить самозаймання. Однак цей процес у деяких випадках може бути керованим, читай – при зміні режиму зовнішніх факторів тепловий розгін у ряді випадків припиняється без фатальних наслідків навколишнього простору. Справність та працездатність самого літієвого осередку після цих подій не розглядається.
Температура теплового розгону залежить від розміру комірки, конструкції комірки та матеріалу. Температура теплового розгону може змінюватись від 130 до 200 градусів цельсія. Час теплового розгону може бути різним і складати хвилини, години або навіть дні.
А що у нас із осередками типу LMO/NMC у літій-іонних ДБЖ?
– Для запобігання дотику анода з електролітом використовується керамічний шар у складі комірки (SFL). Блокування переміщення іонів літію відбувається за 130 гр.С.
– На додаток до захисного вентиляційного клапана, застосовується система захисту від перезаряду (Over Charge Device, OSD), що працює в парі з внутрішнім запобіжником і відключає пошкоджену комірку, не даючи довести процес теплового розгону до небезпечних значень. Причому спрацьовування внутрішньої системи OSD буде раніше, при досягненні тиску 3,5кгс/см2, тобто наполовину менше, ніж тиск спрацьовування захисного клапана комірки.
До речі, запобіжник осередку спрацює при струмах понад 2500 А за час не більше 2 секунд. Припустимо, градієнт температури досяг показання 10 гр.С/хв. За 10 секунд осередок встигне додати до своєї температури близько 1,7 градуса, перебуваючи в режимі розгону.
– Тришаровий сепаратор у комірці у режимі перезаряду забезпечить блокування переходу іонів літію на анод комірки. Температура блокування складає 250 гр.
Тепер подивимося, що в нас із температурою осередку; Порівняємо, яких етапах відбувається спрацьовування різних видів захисту лише на рівні осередку.
— система OSD – 3,5+-0,1 кгс/см2 <= зовнішній тиск
Додатковий захист від надструмів.
- захисний клапан 7,0+-1,0 кгс/см2 <= зовнішній тиск
- Запобіжник всередині комірки 2 секунди при 2500А (режим струмів перевантаження over current)
Ризик теплового розгону осередку безпосередньо залежить від ступеня/рівня заряду осередку, докладніше тут…Розглянемо ефект рівня заряду комірки у тих ризиків появи теплового розгону. Розглянемо таблицю відповідності температури комірки параметра SOC (State of Charge, ступінь заряду акумулятора).
Ступінь заряду акумулятора вимірюється у відсотках і показує, яка частина повного заряду залишається в акумуляторі. У цьому випадку ми розглядаємо режим перезарядження акумулятора. Можна зробити висновок, що в залежності від хімічного складу літієвої комірки батарея може поводитися по-різному при перезаряді і мати різну схильність до теплового розгону. Це пов'язано з різною питомою ємністю (А*ч/грамм) різних типів Li-Ion осередків. Чим більша питома ємність комірки, тим стрімкішим буде тепловиділення при перезаряді.
Крім того, при 100% SOC зовнішнє коротке замикання часто призводить до термічного розгону комірки. З іншого боку, коли осередок має рівень заряду 80% SOC, максимальна температура початку теплового розгону осередку зміщується у більшу сторону. Осередок стає більш стійким до аварійних режимів.
І, нарешті, для 70% SOC зовнішні короткі замикання можуть взагалі бути причиною теплового розгону. Тобто ризик запалення осередку значно знижується, і найбільш ймовірний сценарій - лише спрацювання запобіжного клапана літієвого акумулятора.
Крім того, з таблиці можна дійти невтішного висновку, що LFP (фіолетова крива) батареї зазвичай має крутий нахил наростання температури, тобто, стадія «розігрів» плавно перетворюється на стадію «тепловий розгін», і стійкість цієї системи до перезаряду трохи гірше. Батареї типу LMO, як бачимо, мають плавнішу характеристику розігріву при перезаряді.
ВАЖЛИВО: при спрацьовуванні системи OSD відбувається скидання осередку на байпас. Таким чином, знижується напруга на стійці, але вона залишається в роботі та видає сигнал у систему моніторингу ДБЖ за допомогою системи BMS самої стійки. У разі класичної системи ДБЖ з VRLA батареями коротке замикання або обрив усередині одного АКБ у стрінгу може призвести до відмови ДБЖ в цілому та втрати працездатності ІТ-обладнання.
Виходячи з вищевикладеного, для використання літієвих рішень в ДБЖ залишаються актуальними ризики:
- Тепловий розгін осередку, модуля внаслідок зовнішнього КЗ – кілька рівнів захисту.
- Тепловий розгін комірки, модуля внаслідок внутрішньої несправності батареї – кілька рівнів захисту лише на рівні комірки, модуля.
- Перезаряд – захист засобами BMS плюс усі рівні захисту стійки, модуля, комірки.
- Механічне пошкодження – неактуальне для нашого випадку, ризик події незначний.
- Перегрів стійки та всіх батарей (модулів, осередків). Некритично до 70-90 градусів. Якщо температура в приміщенні установки ДБЖ підніметься вище цих значень – це вже пожежа в будівлі. У нормальних режимах роботи ЦОД ризик події незначний.
- Зниження ресурсу батарей за підвищених температур приміщення – допускається тривала робота при температурі до 40 градусів без відчутного зниження ресурсу батарей. Свинцеві батареї дуже чутливі до підвищення температури і знижують свій залишковий ресурс пропорційно підвищенню температури.
Давайте подивимося на блок-схему ризиків аварій з літій-іонними батареями у нашому випадку використання в ЦОД, серверній. Трохи спростимо схему, адже літієві ДБЖ експлуатуватимуться в ідеальних умовах, якщо порівнювати умови роботи батарей у вашому гаджеті, телефоні.
ВИСНОВОК: Спеціалізовані літієві акумулятори для ДБЖ ЦОД, серверної мають достатній рівень захисту від позаштатних ситуацій, а в комплексному рішенні велика кількість ступенів різноманітного захисту і більш ніж п'ятирічний досвід експлуатації цих рішень дозволяють говорити про високий рівень безпеки нових технологій. Крім усього іншого, не варто забувати, що експлуатація літієвих АКБ у нашому секторі виглядає як «тепличні» умови для Li-Ion технологій: на відміну від вашого смартфона в кишені, батарею в ЦОД ніхто не кидатиме, перегріватиме, розряджатиме щодня, активно використовувати у буферному режимі.
Дізнатися подробиці та обговорити конкретне рішення з використанням літій-іонних батарей для вашої серверної або ЦОД можна, надіславши запит на електронну пошту , або зробивши запит на сайті компанії .
ВІДКРИТІ ТЕХНОЛОГІЇ – надійні комплексні рішення від світових лідерів, адаптовані саме під ваші цілі та завдання.
Автор: Куликов Олег
Провідний інженер-конструктор
Департамент інтеграційних рішень
Компанія Відкриті Технології
Тільки зареєстровані користувачі можуть брати участь в опитуванні. , будь ласка.
Ваша думка щодо безпеки та застосування промислових рішень на Li-Ion технологіях?
-
16,2%Небезпечний, самозаймається, ні в якому разі не поставлю собі в серверну.
-
10,3%Мені це не цікаво, і так періодично змінюємо класичні батареї, і все ОК.7
-
16,2%Треба подумати, можливо, це безпечно та перспективно.
-
23,5%Цікаво, розгляну можливості.
-
13,2%Цікавить! Вкластися один раз – і не боятися завалити весь ЦОД через відмову однієї свинцевої батареї.
-
20,6%Цікаво! Достоїнств набагато більше, ніж мінусів та ризиків.
Проголосували 68 користувачів. Утрималися 25 користувачів.
Джерело: habr.com