Здравствуйте，друзья！
文章发表后 关于服务器和数据中心锂离子解决方案的危险性有很多评论。 因此，今天我们将尝试弄清楚 UPS 的工业锂解决方案和您的小工具中的电池之间有什么区别，服务器机房中电池的工作条件有何不同，为什么锂离子手机的电池寿命不长。超过 2-3 年，而在数据中心，这个数字将增加到 10 年或更长时间。 为什么数据中心/服务器机房发生锂火灾的风险很小。
是的，无论储能设备的类型如何，UPS 电池都可能发生事故，但工业锂解决方案存在“火灾危险”的神话并不属实。
毕竟很多人都看到了 在高速公路上行驶的汽车中装有锂电池？ 那么，让我们看看，弄清楚，比较......
这里我们看到一个典型的手机电池失控自发热、热失控的案例，从而导致了这样的事件。 你会说：这里！ 一个电话而已，只有疯子才会把这种东西放在机房里！
我相信，在阅读了这份材料之后，读者会改变他对这个问题的看法。
数据中心市场现状
众所周知，建设数据中心是一项长期投资。 仅工程设备的价格就可以占到全部资本成本的50%。 投资回收期约为10-15年。 当然，人们希望降低数据中心整个生命周期的总拥有成本，同时也希望工程设备紧凑，为有效负载腾出尽可能多的空间。
最佳解决方案是基于锂离子电池的新一代工业UPS，它早已摆脱了火灾隐患、不正确的充放电算法等“童年疾病”，并获得了大量的保护机制。
随着计算和网络设备容量的增加，对UPS的需求不断增长。 同时，在使用/可用柴油发电机组的情况下，当集中供电出现问题和/或启动备用电源时出现故障时，对电池寿命的要求也会提高。
我们认为，主要原因有两个：
- 处理和传输的信息量快速增长
Например， 那
需要保存和处理。 - 电能消耗的动态增长。 尽管降低IT设备能耗是大势所趋，但降低电子元件的具体能耗。
仅一个正在运行的数据中心的能耗图
我国数据中心市场预测也证明了同样的趋势。根据网站，投入运营的机架空间总数超过20万个。“20年最大2017家数据中心服务商投入运营的机架空间数量增长3%，达到22,4万个（数据截至1月2017日， 2021）”——CNews Analytics 报告称。 据咨询机构预测，到49年，机架空间数量预计将增至XNUMX万个。 也就是说，两年内数据中心的实际容量可以增加一倍。 这和什么有关系呢？ 首先，随着信息量的增加：存储和处理。
除了云之外，各地区数据中心能力的发展也被企业视为增长点：它们是唯一有业务发展储备的细分领域。 根据IKS-Consulting的数据，2016年，这些地区仅占市场上提供的所有资源的10%，而首都和莫斯科地区占据了73%的市场，圣彼得堡和列宁格勒地区占据了17%。 在这些地区，高容错能力的数据中心资源仍然短缺。
到 2025 年，全球数据总量预计将比 10 年增加 2016 倍。
不过，锂对于服务器或数据中心 UPS 来说有多安全？
缺点：锂离子解决方案成本高。
与标准解决方案相比，锂离子电池的价格仍然较高。 据 SE 估计，采用锂离子电池解决方案的 100 kVA 以上大功率 UPS 的初始成本将高出 1,5 倍，但最终可节省 30-50% 的拥有成本。 如果我们与其他国家的军工联合体进行比较，那么这是关于在中国发射的消息 使用锂离子电池。 通常，磷酸铁锂电池（照片中的 LFP）因其相对便宜和更高的安全性而被用于此类解决方案。
文章提到潜艇的新电池花费了100亿美元，让我们尝试将其换算成其他值……4,2吨是日本潜艇的水下排水量。 水面排水量 - 2,95 万吨。 通常，船舶重量的 20-25% 由电池组成。 我们从这里取出大约 740 吨铅酸电池。 进一步：锂的质量约为铅酸电池的1/3——>246吨锂。 在锂离子电池 70 kWh/kg 的情况下，我们可以获得大约 17 MWh 的电池阵列功率。 而电池的质量相差大约是495吨……这里我们不考虑 每艘潜艇需要14,5吨白银，成本是铅酸电池的4倍。 让我提醒您，锂离子电池现在仅比 VRLA 贵 1,5-2 倍，具体取决于解决方案的功率。
那日本人呢？ 他们想起来“船轻700吨”意味着改变其适航性和稳定性，为时已晚……他们可能不得不在船上添加武器，才能恢复船的设计重量分布。
锂离子电池的重量也比铅酸电池轻，因此苍龙级潜艇的设计必须进行一定程度的重新设计，以保持镇流器和稳定性。
在日本，两种类型的锂离子电池已经生产出来并投入运行：GS Yuasa 生产的镍钴铝酸锂（NCA）和东芝公司生产的钛酸锂（LTO）。 小林表示，日本海军将使用 NCA 电池，而澳大利亚在最近的招标中获得了用于苍龙级潜艇的 LTO 电池。
了解旭日之地对安全的虔诚态度，我们可以假设锂的安全问题已经得到解决、测试和认证。
风险：火灾危险。
这就是我们要弄清楚发布目的的地方，因为对于这些解决方案的安全性存在截然相反的意见。 但这都是说说而已，那么具体的行业解决方案呢？
我们已经在我们的网站中讨论过安全问题 ，但让我们再次讨论这个问题。 我们来看下图，该图检查了三星 SDI 制造并用作施耐德电气 UPS 一部分的电池的模块和 LMO/NMC 电池的保护级别。
用户文章中讨论了化学过程 。 让我们尝试了解特定案例中可能存在的风险，并将其与三星 SDI 电池中的多级保护进行比较，三星 SDI 电池是现成的 G 型锂离子电池架的组成部分，是基于 Galaxy VM 的综合解决方案的一部分。
让我们从锂离子电池火灾风险和原因的一般案例流程图开始。
在剧透下，您可以研究锂离子电池火灾风险的理论问题和过程的物理原理锂离子电池火灾风险和原因（安全隐患）的初始框图 2018年。
由于根据锂离子电池的化学结构不同，电池的热失控特性也存在差异，因此这里我们将重点关注文章中描述的锂镍钴铝电池（基于LiNiCoAIO2）的过程或 NCA。
细胞发生事故的过程可以分为三个阶段：
- 第一阶段（发作）。 电池正常运行时温度升高梯度不超过每分钟1摄氏度，且电池温度本身不超过0,2-130摄氏度，具体取决于电池的化学结构；
- 第二阶段，热身（加速）。 此阶段，温度升高，温度梯度迅速增大，热能积极释放。 一般来说，这个过程伴随着气体的释放。 过多的气体逸出必须通过安全阀的操作来补偿；
- 第三阶段，热失控（Runaway）。 电池发热超过3-180度。 在这种情况下，正极材料发生歧化反应并释放氧气。 这是热失控的水平，因为在这种情况下可能会发生可燃气体与氧气的混合物，从而引起自燃。 然而，在某些情况下，这个过程是可以控制的——当外部因素的状态发生变化时，热失控在某些情况下会停止，而不会对周围空间造成致命的后果。 不考虑这些事件之后锂电池本身的可维护性和性能。
热失控温度取决于电池尺寸、电池设计和材料。 热失控温度可在 130 至 200 摄氏度之间变化。 热失控时间可能会有所不同，范围从几分钟、几小时甚至几天......
锂离子 UPS 中的 LMO/NMC 型电池怎么样？
– 为了防止阳极与电解液接触，使用陶瓷层作为电池 (SFL) 的一部分。 锂离子的运动在130摄氏度时被阻止。
– 除了保护排气阀外，还使用了过充电装置 (OSD) 保护系统，该系统与内部保险丝配合工作，关闭损坏的电池，防止热失控过程达到危险水平。 此外，当压力达到3,5 kgf/cm2时，内部OSD系统会更早触发，即比电池安全阀响应压力低一半。
顺便说一句，电池保险丝将在 2500 A 以上的电流下工作不超过 2 秒。 假设温度梯度读数达到 10 摄氏度/分钟。 在超频模式下，10 秒内电池温度将升高约 1,7 度。
– 充电模式下电池中的三层隔膜将阻止锂离子转移到电池阳极。 阻断温度为250摄氏度。
现在让我们看看电池温度有什么变化； 让我们比较一下在细胞水平上不同类型的保护被触发的阶段。
— OSD 系统 – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= 外部压力
额外的过流保护。
— 安全阀 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= 外部压力
- 2A 电流下电池内部熔断 2500 秒（过流模式）
电池热失控的风险直接取决于电池的充电程度/水平，更多详细信息请参见此处...让我们考虑一下热失控风险背景下电池电量水平的影响。 让我们考虑一下电池温度和 SOC 参数（State of Charge，电池充电程度）之间的对应表。
电池电量以百分比形式测量，并显示电池中仍存储有多少总电量。 在这种情况下，我们正在考虑电池充电模式。 可以得出结论，根据锂电池的化学性质，电池在过度充电时可能表现不同，并且对热失控具有不同的敏感性。 这是由于不同类型的锂离子电池的比容量（A*h/克）不同。 电池的比容量越大，充电时放热越快。
此外，在 100% SOC 下，外部短路通常会导致电池热失控。 另一方面，当电池处于 80% SOC 时，电池的最大热失控温度向上移动。 细胞对紧急情况的抵抗力变得更强。
最后，对于 70% SOC，外部短路可能根本不会导致热失控。 也就是说，电池起火的风险显着降低，最可能的情况只是锂电池安全阀的操作。
另外，从表中我们可以看出，电池的LFP（紫色曲线）通常具有陡峭的温升，即“预热”阶段平稳过渡到“热失控”阶段，并且电池的稳定性较差。这个系统对于过度充电来说是有些糟糕的。 正如我们所见，LMO 电池在充电时具有更平稳的加热特性。
重要提示： 当 OSD 系统被触发时，单元重置为旁路。 因此，机架上的电压降低，但仍保持运行状态，并通过机架本身的 BMS 系统向 UPS 监控系统提供信号。 对于采用 VRLA 电池的经典 UPS 系统，电池组中的一个电池短路或断裂可能会导致 UPS 整体故障以及 IT 设备功能丧失。
综上所述，对于UPS中使用锂解决方案的情况，仍然存在以下风险：
- 外部短路导致电池或模块热失控 - 多种保护级别。
- 由于内部电池故障而导致电池或模块热失控 - 电池或模块级别的多个保护级别。
- 过充——BMS 保护以及对机架、模块、电池的所有级别的保护。
- 机械损坏与我们的案例无关，该事件的风险可以忽略不计。
- 机架和所有电池（模块、电池）过热。 不受限制，可达 70-90 度。 如果 UPS 安装室的温度超过这些值，则意味着建筑物内发生火灾。 在正常的数据中心运行条件下，发生事件的风险可以忽略不计。
- 室温升高时电池寿命缩短 - 允许在高达 40 度的温度下长期运行，电池寿命不会明显缩短。 铅电池对温度的任何升高都非常敏感，并且其剩余寿命会随着温度的升高而按比例减少。
让我们看一下数据中心、服务器机房用例中锂离子电池发生事故风险的流程图。 让我们稍微简化一下图表，因为如果我们比较您的小工具、手机中电池的运行条件，锂 UPS 将在理想条件下运行。
结论： 用于数据中心和服务器机房UPS的专用锂电池对于紧急情况具有足够的保护水平，并且在全面的解决方案中，大量的各种保护程度以及超过五年的操作这些解决方案的经验让我们可以谈论新技术的高安全性。 除此之外，我们不应忘记，我们行业中锂电池的运行看起来就像锂离子技术的“温室”条件：与口袋里的智能手机不同，没有人会将电池掉落在数据中心、过热、放电每天积极使用缓冲模式。
您可以通过电子邮件发送请求，了解更多详细信息并讨论为您的服务器机房或数据中心使用锂离子电池的具体解决方案 ，或在公司网站上提出请求 .
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作者： 库利科夫·奥列格
首席设计工程师
整合解决方案部
开放技术公司
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您对基于锂离子技术的工业解决方案的安全性和适用性有何看法？
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16,2%危险，自燃，在任何情况下我都不会把它放在我的服务器机房中。11
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10,3%我对此不感兴趣，所以我们定期更换经典电池，一切都很好。7
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16,2%我们需要考虑它是否安全且有前途。11
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23,5%有趣的是，我会研究一下可能性。16
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13,2%感兴趣的！ 投资一次 - 不用担心由于一个铅电池的故障而导致整个数据中心不堪重负。9
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20,6%有趣的！ 其优点远远大于缺点和风险。14
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来源： habr.com