大家好！
文章發表後 關於伺服器和資料中心鋰離子解決方案的危險性有很多評論。 因此，今天我們將嘗試弄清楚 UPS 的工業鋰解決方案和您的小工具中的電池之間有什麼區別，伺服器機房中電池的工作條件有何不同，為什麼鋰離子手機的電池壽命不長。超過2-3 年，而在資料中心，這個數字將增加到10 年或更長。 為什麼資料中心/伺服器機房發生鋰火災的風險很小。
是的，無論儲能設備的類型如何，UPS 電池都可能發生事故，但工業鋰解決方案存在「火災危險」的神話並不屬實。
畢竟很多人都看到了 在高速公路上行駛的汽車中裝有鋰電池？ 那麼，讓我們看看，弄清楚，比較......
這裡我們看到一個典型的手機電池失控自發性熱、熱失控的案例，導致了這樣的事件。 你會說：這裡！ 一個電話而已，只有瘋子才會把這種東西放在機房裡！
我相信，在閱讀了這份資料之後，讀者會改變他對這個問題的看法。
資料中心市場現狀
眾所周知，建造資料中心是一項長期投資。 光是工程設備的價格就可以占到全部資本成本的50%。 投資回收期約10-15年。 當然，人們希望降低資料中心整個生命週期的總擁有成本，同時也希望工程設備緊湊，為有效負載騰出盡可能多的空間。
最佳解決方案是基於鋰離子電池的新一代工業UPS，它早已擺脫了火災隱患、不正確的充放電演算法等“童年疾病”，並獲得了大量的保護機制。
隨著計算和網路設備容量的增加，對UPS的需求不斷增長。 同時，在使用/可用柴油發電機組的情況下，當集中供電出現問題和/或啟動備用電源時出現故障時，電池壽命的要求也會提高。
我們認為，主要原因有二：
- 處理和傳輸的資訊量快速成長
例如， ， 哪個
需要保存和處理。 - 電能消耗的動態成長。 儘管降低IT設備能耗是大勢所趨，但降低電子元件的具體能耗。
僅一個正在運作的資料中心的能耗圖
我國資料中心市場預測也證明了同樣的趨勢。據網站介紹，投入營運的機架空間總數超過20萬個。「20年最大2017家資料中心服務商投入營運的機架空間數量成長3%，達到22,4萬個（資料截至1月2017日，2021 年）」— —CNews Analytics 報告稱。 根據顧問機構預測，到49年，機架空間數量預計將增加至XNUMX萬個。 也就是說，兩年內資料中心的實際容量可以增加一倍。 這和什麼有關係呢？ 首先，隨著資訊量的增加：儲存和處理。
除了雲端之外，各地區資料中心能力的發展也被企業視為成長點：它們是唯一有業務發展儲備的細分領域。 根據IKS-Consulting的數據，2016年，這些地區僅佔市場上提供的所有資源的10%，而首都和莫斯科地區佔了73%的市場，聖彼得堡和列寧格勒地區佔了17%。 在這些地區，高容錯能力的資料中心資源仍然短缺。
到 2025 年，全球數據總量預計將比 10 年增加 2016 倍。
不過，鋰對於伺服器或資料中心 UPS 來說有多安全？
缺點：鋰離子解決方案成本高。
與標準解決方案相比，鋰離子電池的價格仍然較高。 根據 SE 估計，採用鋰離子電池解決方案的 100 kVA 以上高功率 UPS 的初始成本將高出 1,5 倍，但最終可節省 30-50% 的擁有成本。 如果我們與其他國家的軍工複合體進行比較，那麼這是關於在中國發射的消息 使用鋰離子電池。 通常，磷酸鐵鋰電池（照片中的 LFP）因其相對便宜且更高的安全性而被用於此類解決方案。
文章提到潛水艇的新電池花費了100億美元，讓我們試著將其換算成其他數值…4,2噸是日本潛水艇的水下排水量。 水面排水量 - 2,95 萬噸。 通常，船舶重量的 20-25% 由電池組成。 我們從這裡取出大約 740 噸鉛酸電池。 進一步：鋰的質量約為鉛酸電池的1/3——>246噸鋰。 在鋰離子電池 70 kWh/kg 的情況下，我們可以獲得大約 17 MWh 的電池陣列功率。 而電池的質量相差大約是495噸…這裡我們不考慮 每艘潛水艇需要14,5噸白銀，成本是鉛酸電池的4倍。 讓我提醒您，鋰離子電池現在僅比 VRLA 貴 1,5-2 倍，具體取決於解決方案的功率。
那日本人呢？ 他們想起來「船輕700噸」意味著改變其適航性和穩定性，為時已晚……他們可能必須在船上添加武器，才能恢復船的設計重量分佈。
鋰離子電池的重量也比鉛酸電池輕，因此蒼龍級潛水艇的設計必須進行一定程度的重新設計，以保持鎮流器和穩定性。
在日本，兩種類型的鋰離子電池已經生產出來並投入運作：GS Yuasa 生產的鎳鈷鋁酸鋰（NCA）和東芝公司生產的鈦酸鋰（LTO）。 小林表示，日本海軍將使用 NCA 電池，而澳洲在最近的招標中獲得了用於蒼龍級潛艇的 LTO 電池。
了解旭日之地對安全的虔誠態度，我們可以假設鋰的安全問題已經解決、測試和認證。
風險：火災危險。
這就是我們要弄清楚發布目的的地方，因為對於這些解決方案的安全性有相反的意見。 但這都是說說而已，那麼具體的產業解決方案呢？
我們已經在我們的網站中討論過安全問題 ，但讓我們再次討論這個問題。 我們來看看下圖，該圖檢查了三星 SDI 製造並用作施耐德電氣 UPS 一部分的電池的模組和 LMO/NMC 電池的保護等級。
用戶文章中討論了化學過程 。 讓我們試著了解特定案例中可能存在的風險，並將其與三星SDI 電池中的多級保護進行比較，三星SDI 電池是現成的G 型鋰離子電池架的組成部分，是基於Galaxy VM 的綜合解決方案的一部分。
讓我們從鋰離子電池火災風險和原因的一般案例流程圖開始。
在劇透下，您可以研究鋰離子電池火災風險的理論問題和過程的物理原理鋰離子電池火災風險和原因（安全隱患）的初始框圖 2018年。
由於根據鋰離子電池的化學結構不同，電池的熱失控特性也存在差異，因此這裡我們將重點放在文章中描述的鋰鎳鈷鋁電池（基於LiNiCoAIO2）的過程或 NCA。
細胞發生事故的過程可分為三個階段：
- 第一階段（發作）。 電池正常運作時溫度升高梯度不超過每分鐘1攝氏度，且電池溫度本身不超過0,2-130攝氏度，取決於電池的化學結構；
- 第二階段，熱身（加速）。 此階段，溫度升高，溫度梯度迅速增大，熱能積極釋放。 一般來說，這個過程伴隨著氣體的釋放。 過多的氣體逸出必須透過安全閥的操作來補償；
- 第三階段，熱失控（Runaway）。 電池發熱超過3-180度。 在這種情況下，正極材料發生歧化反應並釋放氧氣。 這是熱失控的水平，因為在這種情況下可能會發生可燃氣體與氧氣的混合物，從而引起自燃。 然而，在某些情況下，這個過程是可以控制的——當外部因素的狀態改變時，熱失控在某些情況下會停止，而不會對周圍空間造成致命的後果。 不考慮這些事件之後鋰電池本身的可維護性和效能。
熱失控溫度取決於電池尺寸、電池設計和材料。 熱失控溫度可在攝氏 130 至 200 度之間變化。 熱失控時間可能會有所不同，範圍從幾分鐘、幾小時甚至幾天...
鋰離子 UPS 中的 LMO/NMC 型電池怎麼樣？
– 為了防止陽極與電解液接觸，使用陶瓷層作為電池 (SFL) 的一部分。 鋰離子的運動在攝氏130度時被阻止。
– 除了保護排氣閥外，還使用了過充電裝置 (OSD) 保護系統，該系統與內部保險絲配合工作，關閉損壞的電池，防止熱失控過程達到危險水平。 此外，當壓力達到3,5 kgf/cm2時，內部OSD系統會更早觸發，即比電池安全閥響應壓力低一半。
順便說一句，電池保險絲將在 2500 A 以上的電流下工作不超過 2 秒。 假設溫度梯度讀數達到攝氏 10 度/分鐘。 在超頻模式下，10 秒內電池溫度將升高約 1,7 度。
– 充電模式下電池中的三層隔板將阻止鋰離子轉移到電池陽極。 阻斷溫度為攝氏250度。
現在讓我們看看電池溫度有什麼變化； 讓我們比較一下在細胞層面上不同類型的保護被觸發的階段。
— OSD 系統 – 3,5+-0,1 kgf/cm2 <= 外在壓力
額外的過流保護。
— 安全閥 7,0+-1,0 kgf/cm2 <= 外部壓力
- 2A 電流下電池內部熔斷 2500 秒（過電流模式）
電池熱失控的風險直接取決於電池的充電程度/水平，更多詳細資訊請參閱此處...讓我們考慮一下熱失控風險背景下電池電量水準的影響。 讓我們考慮一下電池溫度和 SOC 參數（State of Charge，電池充電程度）之間的對應表。
電池電量以百分比形式測量，並顯示電池中仍儲存有多少總電量。 在這種情況下，我們正在考慮電池充電模式。 可以得出結論，根據鋰電池的化學性質，電池在過度充電時可能表現不同，並且對熱失控具有不同的敏感性。 這是由於不同類型的鋰離子電池的比容量（A*h/克）不同。 電池的比容量越大，充電時放熱越快。
此外，在 100% SOC 下，外部短路通常會導致電池熱失控。 另一方面，當電池處於 80% SOC 時，電池的最大熱失控溫度會向上移動。 細胞對緊急情況的抵抗力變得更強。
最後，對於 70% SOC，外部短路可能根本不會導致熱失控。 也就是說，電池起火的風險顯著降低，最可能的情況只是鋰電池安全閥的操作。
另外，從表中我們可以看出，電池的LFP（紫色曲線）通常具有陡峭的溫升，即“預熱”階段平穩過渡到“熱失控”階段，並且電池的穩定性較差。這個系統對於過度充電來說是有些糟糕的。 正如我們所見，LMO 電池在充電時具有更平穩的加熱特性。
重要提示： 當 OSD 系統觸發時，單元重設為旁路。 因此，機架上的電壓降低，但仍保持運作狀態，並透過機架本身的 BMS 系統向 UPS 監控系統提供訊號。 對於採用 VRLA 電池的經典 UPS 系統，電池組中的一個電池短路或斷裂可能會導致 UPS 整體故障以及 IT 裝置功能喪失。
綜上所述，對於UPS中使用鋰解決方案的情況，仍存在以下風險：
- 外部短路導致電池或模組熱失控 - 多種保護等級。
- 由於內部電池故障而導致電池或模組熱失控 - 電池或模組級別的多個保護等級。
- 過充－BMS 保護以及對機架、模組、電池的所有等級的保護。
- 機械損壞與我們的案例無關，該事件的風險可以忽略不計。
- 機架和所有電池（模組、電池）過熱。 不受限制，可達 70-90 度。 如果 UPS 安裝室的溫度超過這些數值，則表示建築物內發生火災。 在正常的資料中心運作條件下，發生事件的風險可以忽略不計。
- 室溫升高時電池壽命縮短 - 允許在高達 40 度的溫度下長期運行，電池壽命不會明顯縮短。 鉛電池對溫度的任何升高都非常敏感，其剩餘壽命會隨著溫度的升高而按比例減少。
讓我們來看看資料中心、伺服器機房用例中鋰離子電池發生事故風險的流程圖。 讓我們稍微簡化一下圖表，因為如果我們比較您的小工具、手機中電池的運作條件，鋰 UPS 將在理想條件下運作。
結論： 用於資料中心和伺服器機房UPS的專用鋰電池對於緊急情況具有足夠的保護水平，並且在全面的解決方案中，大量的各種保護程度以及超過五年的操作這些解決方案的經驗讓我們可以談論新技術的高安全性。 除此之外，我們不應忘記，我們產業中鋰電池的運作看起來就像鋰離子技術的「溫室」條件：與口袋裡的智慧型手機不同，沒有人會將電池掉落在資料中心、過熱、放電每天積極使用緩衝模式。
您可以透過電子郵件發送請求，了解更多詳細資訊並討論為您的伺服器機房或資料中心使用鋰離子電池的具體解決方案 ，或在公司網站上提出請求 .
開放技術 – 來自世界領導者的可靠的綜合解決方案，專門針對您的目的和目標進行調整。
作者： 庫利科夫·奧列格
首席設計工程師
整合解決方案部
開放技術公司
只有註冊用戶才能參與調查。 ， 請。
您對基於鋰離子技術的工業解決方案的安全性和適用性有何看法？
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來源： www.habr.com