مرحبا اصدقاء!
بعد نشر مقال “UPS ومجموعة البطارية: أين يتم التثبيت؟ نعم انتظر ، كانت هناك تعليقات كثيرة حول مخاطر حلول Li-Ion للخوادم ومراكز البيانات. لذلك ، سنحاول اليوم معرفة الاختلافات بين حلول الليثيوم الصناعية لـ UPS من البطارية في جهازك ، وكيف تختلف ظروف البطارية في غرفة الخادم ، ولماذا لا تدوم البطارية أكثر من 2-3 سنوات في هاتف Li-Ion ، وفي مركز البيانات ، سيزداد هذا الرقم إلى 10 سنوات أو أكثر. لماذا مخاطر حريق الليثيوم في مركز البيانات / الخادم ضئيلة.
نعم ، الحوادث على بطاريات UPS ممكنة بغض النظر عن نوع تخزين الطاقة ، لكن أسطورة "خطر الحريق" للحلول الصناعية في الليثيوم ليست صحيحة.
بعد كل شيء ، رأى الكثيرون هذا الفيديو بنار هاتف مع بطارية ليثيوم في سيارة تتحرك على طول الطريق السريع؟ لذا ، دعنا نرى ، اكتشف ذلك ، قارن ...
هنا نرى حالة نموذجية من التسخين الذاتي غير المنضبط ، التسارع الحراري لبطارية الهاتف ، مما أدى إلى مثل هذا الحادث. ستقول: هنا! هذا مجرد هاتف ، مجنون فقط يمكن وضعه في غرفة الخادم!
أنا متأكد من أنه بعد دراسة هذه المادة ، سيغير القارئ وجهة نظره بشأن هذه المسألة.
الوضع الحالي في سوق مركز البيانات
ليس سرا أن بناء مركز البيانات هو استثمار طويل الأجل. يمكن أن يكون سعر المعدات الهندسية وحدها 50 ٪ من تكلفة جميع التكاليف الرأسمالية. أفق الاسترداد حوالي 10-15 سنة. بطبيعة الحال ، هناك رغبة في تقليل التكلفة الإجمالية للملكية طوال دورة حياة مركز البيانات ، وعلى طول الطريق أيضًا إلى المعدات الهندسية المدمجة ، مما يفسح مساحة للحمولة قدر الإمكان.
الحل الأمثل هو UPS الصناعي لتكرار جديد يعتمد على بطاريات Li-Ion ، والتي تخلصت منذ فترة طويلة من "أمراض الطفولة" في شكل خطر الحريق ، وخوارزميات تفريغ الشحن غير الصحيحة ، وتضخمها مع مجموعة من آليات الحماية.
مع زيادة قوة الحوسبة ومعدات الشبكات ، يزداد الطلب على أجهزة UPS. في الوقت نفسه ، زادت المتطلبات الخاصة بعمر البطارية في حالة حدوث مشاكل في مصدر الطاقة المركزي و / أو الأعطال عند بدء تشغيل مصدر طاقة احتياطي في حالة تطبيق / توفر مجموعات مولدات الديزل.
الأسباب الرئيسية ، في رأينا ، هما:- النمو السريع في حجم المعلومات المجهزة والمرسلة
على سبيل المثال ، طائرة ركاب بوينج جديدة
787 دريملاينر في رحلة واحدة يولد أكثر من 500 غيغابايت من المعلومات التي
تحتاج إلى حفظ ومعالجة. - نمو ديناميكيات استهلاك الكهرباء. على الرغم من الاتجاه العام لتقليل استهلاك الطاقة لمعدات تكنولوجيا المعلومات ، الحد من استهلاك الطاقة المحددة للمكونات الإلكترونية.
رسم بياني لاستهلاك الطاقة لمركز بيانات نشط واحد فقط ويتضح نفس الاتجاه من خلال توقعات سوق مركز البيانات في بلدنا.وفقًا لـ
expert.ru ، فإن العدد الإجمالي لمساحات الحامل التي تم تشغيلها أكثر من 20 ألفًا. "زاد عدد مساحات الحامل التي تم تشغيلها من قبل أكبر 20 مقدم خدمة مركز بيانات في عام 2017 بنسبة 3٪ ووصل إلى 22.4 ألف (البيانات اعتبارًا من 1 أكتوبر 2017) ، يقول تقرير CNews Analytics. ووفقًا لتقديرات الوكالات الاستشارية ، بحلول عام 2021 ، من المتوقع زيادة الإقامات إلى 49 ألفًا. أي أنه في غضون عامين يمكن أن تتضاعف القدرة الحقيقية لمركز البيانات. ما سبب ذلك؟ بادئ ذي بدء ، مع نمو المعلومات: سواء المخزنة والمعالجة.
بالإضافة إلى السحب ، يصنف اللاعبون تطوير مراكز البيانات في المناطق كنقاط نمو: فهي الجزء الوحيد الذي يتم فيه الاحتفاظ باحتياطي تطوير الأعمال. وفقًا لـ IKS-Consulting ، في عام 2016 ، شكلت المناطق 10 ٪ فقط من جميع الموارد المعروضة في السوق ، في حين احتلت العاصمة ومنطقة موسكو 73 ٪ من السوق ، ومنطقة سانت بطرسبرغ ولينينغراد - 17 ٪. في المناطق ، يستمر نقص الموارد لمراكز البيانات بدرجة عالية من التسامح مع الخطأ.
بحلول عام 2025 ، وفقًا للتوقعات ، سيزيد إجمالي كمية البيانات في العالم بمقدار 10 مرات مقارنة بعام 2016.
ومع ذلك ، ما مدى أمان الليثيوم لخادم UPS أو مركز البيانات؟
العيب: التكلفة العالية لحلول Li-Ion.
لا يزال سعر بطاريات الليثيوم أيون مرتفعًا مقارنة بالحلول القياسية. تقدر SE أن التكلفة المبدئية لشبكات UPS عالية الطاقة التي تزيد عن 100 كيلو فولت أمبير لحلول Li-Ion ستكون أعلى 1.5 مرة ، ولكن في نهاية المطاف ستكون تكلفة الملكية 30-50٪. إذا أجرينا مقارنات مع المجمع الصناعي العسكري لبلدان أخرى ، فإليك الأخبار المتعلقة
بتكليف غواصة يابانية ببطاريات Li-Ion. في كثير من الأحيان ، يتم استخدام بطاريات الليثيوم والحديد والفوسفات (في الصورة LFP) في مثل هذه الحلول بسبب رخصتها النسبية وسلامة أكبر.
يذكر المقال أنه تم إنفاق 100 مليون دولار على بطاريات جديدة للغواصة ، فلنحاول إعادة حسابها إلى قيم أخرى ...4.2 ألف طن من النزوح تحت الماء للغواصة اليابانية. الإزاحة السطحية - 2.95 ألف طن. عادة ، تتكون 20-25 ٪ من كتلة القارب من البطاريات. من هنا نأخذ حوالي 740 طنًا - بطاريات حمض الرصاص. علاوة على ذلك: تبلغ كتلة الليثيوم 1/3 تقريبًا من بطاريات الرصاص الحمضية -> 246 طنًا من الليثيوم. عند 70 كيلوواط * ساعة / كجم لـ Li-Ion ، نحصل على حوالي 17 ميجاوات * ساعة من سعة البطارية. والفرق في كتلة البطاريات حوالي 495 طنًا ... هنا لا نأخذ في الاعتبار
بطاريات الفضة والزنك التي تحتوي على 14.5 طنًا من الفضة لكل غواصة ، وتكلف 4 أضعاف تكلفة بطاريات الرصاص الحمضية. دعني أذكرك بأن بطاريات Li-Ion أصبحت الآن أغلى من VRLA بمقدار 1.5-2 مرة فقط ، اعتمادًا على قوة الحل.
ماذا عن اليابانيين؟ تذكروا بعد فوات الأوان أن "تفتيح القارب" بمقدار 700 طن ينطوي على تغيير في صلاحيته واستقراره ... ربما اضطروا إلى إضافة أسلحة على متن السفينة من أجل إعادة قيم الوزن التصميمية للقارب.
تزن بطاريات الليثيوم أيون أيضًا أقل من بطاريات الرصاص الحمضية ، لذلك يجب إعادة تصميم مشروع الغواصة من نوع Soryu للحفاظ على الصابورة والاستقرار.
في اليابان ، تم إنشاء نوعين من بطاريات أيونات الليثيوم وتشغيلهما: ليثيوم النيكل والكوبالت وأكسيد الألومنيوم (NCA) المصنعة من قبل GS Yuasa و lithium-titanate (LTO) المصنعة من قبل شركة Toshiba Corporation. سيستخدم الأسطول الياباني بطاريات NCA ، بينما وفقًا لكوباياشي من أستراليا ، تم اقتراح بطاريات LTO في مناقصة حديثة للاستخدام في الغواصات من نوع Soryu.
بمعرفة الموقف الموقر للأمن في بلد الشمس المشرقة ، يمكن الافتراض أن مشاكل سلامة الليثيوم الخاصة بهم قد تم حلها واختبارها واعتمادها.
الخطر: خطر الحريق.هنا سنقوم بفرزها لغرض النشر ، حيث أن الآراء حول سلامة هذه الحلول موجودة بشكل متعارض تمامًا. ولكن هذا كل كلمات الأغاني ، ولكن ماذا عن الحلول الصناعية الملموسة؟
القضايا الأمنية التي نظرنا فيها بالفعل في
مقالتنا ، ولكن مرة أخرى تناول هذه القضية. دعونا ننتقل إلى الشكل ، حيث تم النظر في مستوى حماية الوحدة ووحدة LMO / NMC لبطارية Samsung SDI والمستخدمة في شنايدر إلكتريك UPS.
تمت مراجعة العمليات الكيميائية في مقالة
LadyN كيف تنفجر بطاريات أيونات الليثيوم . دعونا نحاول اكتشاف المخاطر المحتملة في حالتنا الخاصة ومقارنتها بالحماية متعددة المستويات في خلايا Samsung SDI ، والتي تعد جزءًا من حامل Type-G Li-Ion النهائي كجزء من حل شامل قائم على Galaxy VM.
لنبدأ بالحالة العامة للرسم البياني لمخاطر وأسباب نشوب حريق خلية أيونات الليثيوم.
أكبر؟ الصورة قابلة للنقر.تحت المفسد ، يمكنك دراسة القضايا النظرية لمخاطر اشتعال بطاريات ليثيوم أيون وفيزياء العملياتالرسم التخطيطي الأصلي لمخاطر وأسباب الحريق (خطر السلامة) لخلية ليثيوم أيون من
مقالة علمية لعام 2018.
نظرًا لأنه ، اعتمادًا على التركيب الكيميائي لخلية أيونات الليثيوم ، هناك اختلافات في خصائص التسارع الحراري للخلية ، وسنتحدث عن العملية الموضحة في المقالة في خلية ليثيوم - نيكل - كوبالت - ألمنيوم (استنادًا إلى LiNiCoAIO2) أو NCA.
يمكن تقسيم عملية تطوير حادث في خلية إلى ثلاث مراحل:
- المرحلة 1 (البداية). التشغيل الطبيعي للخلية ، عندما لا يتجاوز تدرج ارتفاع درجة الحرارة 0.2 جم درجة مئوية في الدقيقة ، ولا تتجاوز درجة حرارة الخلية نفسها 130-200 جم درجة مئوية ، اعتمادًا على التركيب الكيميائي للخلية ؛
- المرحلة الثانية ، الإحماء (التسريع). في هذه المرحلة ، ترتفع درجة الحرارة ، يزداد تدرج درجة الحرارة بسرعة ، هناك إطلاق نشط للطاقة الحرارية. في الحالة العامة ، يصاحب هذه العملية تطور الغازات. يجب تعويض انبعاث الغازات المفرطة عن طريق تشغيل صمام الأمان ؛
- المرحلة 3 ، التسارع الحراري (هارب). تسخين البطارية أكثر من 180-200 درجة. في هذه الحالة ، تدخل مادة الكاثود في تفاعل غير متناسب وتطلق الأكسجين. هذا هو مستوى التسارع الحراري ، لأنه في هذه الحالة قد يحدث مزيج من الغازات القابلة للاشتعال مع الأكسجين ، مما سيؤدي إلى احتراق تلقائي. ومع ذلك ، في بعض الحالات يمكن التحكم في هذه العملية ، اقرأ - عندما يتغير نظام العوامل الخارجية ، يتوقف التسارع الحراري في بعض الحالات دون عواقب مميتة على المساحة المحيطة. لا يتم اعتبار إمكانية تشغيل خلية الليثيوم نفسها وتشغيلها بعد هذه الأحداث.
تعتمد درجة حرارة التسارع الحراري على حجم الخلية وتصميم الخلية والمواد. يمكن أن تتراوح درجة حرارة التسارع الحراري من 130 إلى 200 درجة مئوية. يمكن أن يكون وقت التسارع الحراري مختلفًا ويمكن أن يكون دقائق أو ساعات أو حتى أيام ...
ماذا عن خلايا LMO / NMC في UPS أيونات الليثيوم؟
أكبر؟ الصورة قابلة للنقر.- لمنع اتصال الأنود بالكهرباء ، يتم استخدام طبقة خزفية في الخلية (SFL). يحدث حجب حركة أيونات الليثيوم عند 130 درجة مئوية.
- بالإضافة إلى صمام التهوية الواقي ، يتم استخدام نظام جهاز الشحن الزائد (OSD) ، يعمل بالاقتران مع الصمامات الداخلية وفصل الخلية التالفة ، مما يمنع عملية التسارع الحراري من الوصول إلى القيم الخطرة. علاوة على ذلك ، سيكون تشغيل نظام OSD الداخلي سابقًا ، عندما يصل الضغط إلى 3.5 كجم / سم 2 ، أي نصف ضغط الصمام الواقي للخلية.
بالمناسبة ، سوف يندمج فتيل الخلية في التيارات فوق 2500 أمبير في وقت لا يزيد عن ثانيتين. افترض أن تدرج درجة الحرارة يصل إلى قراءة 10 درجات مئوية / دقيقة. في غضون 10 ثوانٍ ، سيكون لدى الخلية وقت لإضافة حوالي 1.7 درجة إلى درجة حرارتها ، بينما في وضع التسارع.
- فاصل ثلاثي الطبقات في الخلية في وضع إعادة الشحن سوف يمنع انتقال أيونات الليثيوم إلى أنود الخلية. درجة حرارة الحجب 250 درجة مئوية.
الآن دعونا نرى ما لدينا مع درجة حرارة الخلية. قارن في أي مراحل يتم تشغيل أنواع الحماية المختلفة على مستوى الخلية.
- نظام OSD - 3.5 + -0.1 kgf / cm2 <= الضغط الخارجي
حماية إضافية ضد التيارات الزائدة.
- صمام أمان 7.0 + -1.0 kgf / cm2 <= ضغط خارجي
- الصمامات داخل الخلية 2 ثانية عند 2500 أمبير (وضع التيار الزائد)
يعتمد خطر التسارع الحراري للخلية بشكل مباشر على درجة / مستوى شحن الخلية ، مزيد من التفاصيل هنا ...ضع في اعتبارك تأثير مستوى شحن الخلية في سياق مخاطر التسارع الحراري. ضع في اعتبارك جدول مراسلات درجة حرارة الخلية من المعلمة SOC (حالة الشحن ، درجة شحن البطارية).
تُقاس درجة شحن البطارية بالنسبة المئوية وتُظهر مقدار الشحن الإجمالي الذي لا يزال مخزَّنًا في البطارية. في هذه الحالة ، نحن ندرس وضع إعادة شحن البطارية. يمكن استنتاج أنه ، اعتمادًا على التركيب الكيميائي لخلية الليثيوم ، قد تتصرف البطارية بشكل مختلف أثناء إعادة الشحن ولها ميل مختلف إلى التسارع الحراري. ويرجع ذلك إلى السعة النوعية المختلفة (A * h / gram) لأنواع مختلفة من خلايا Li-Ion. كلما زادت السعة المحددة للخلية ، زادت سرعة إطلاق الحرارة أثناء إعادة الشحن.
بالإضافة إلى ذلك ، عند 100٪ من SOC ، غالبًا ما تؤدي الدائرة القصيرة الخارجية إلى زيادة سرعة التشغيل الحرارية للخلية. من ناحية أخرى ، عندما يكون مستوى شحن الخلية 80٪ SOC ، فإن درجة الحرارة القصوى لبداية التسارع الحراري للخلية تتحول إلى أعلى. تصبح الخلية أكثر مرونة في مواجهة حالات الطوارئ.
وأخيرًا ، بالنسبة لـ 70٪ SOC ، قد لا تسبب الدوائر القصيرة الخارجية التشتت الحراري على الإطلاق. أي أن خطر اشتعال الخلية ينخفض بشكل كبير ، والسيناريو الأكثر ترجيحًا هو فقط تشغيل صمام الأمان لبطارية الليثيوم.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن الاستنتاج من الجدول أن LFP (منحنى أرجواني) للبطارية عادة ما يكون لديه منحدر حاد لارتفاع درجة الحرارة ، أي أن مرحلة "الاحماء" تنتقل بسلاسة إلى مرحلة "زيادة سرعة التشغيل الحرارية" ، ومقاومة هذا النظام للشحن الزائد أسوأ قليلاً. تتميز البطاريات من النوع LMO ، كما نرى ، بخاصية تدفئة أكثر سلاسة عند إعادة الشحن.
هام: عند تشغيل نظام OSD ، تتم إعادة تعيين الخلية لتجاوزها. وبالتالي ، يتم تقليل الجهد على الحامل ، ولكنه يظل قيد التشغيل ويعطي إشارة إلى نظام مراقبة UPS من خلال نظام BMS للحامل نفسه. في حالة نظام UPS الكلاسيكي مع بطاريات VRLA ، يمكن أن تؤدي الدائرة القصيرة أو انقطاع بطارية واحدة في سلسلة إلى فشل UPS ككل وفقدان تشغيل معدات تكنولوجيا المعلومات.
بناءً على ما سبق ، في حالة استخدام حلول الليثيوم في UPS ، تظل المخاطر ذات صلة:
- التسارع الحراري للخلية ، الوحدة نتيجة لخطأ خارجي - عدة مستويات من الحماية.
- التسارع الحراري للخلية ، الوحدة نتيجة خلل داخلي في البطارية - عدة مستويات من الحماية على مستوى الخلية ، الوحدة النمطية.
- إعادة الشحن - الحماية عن طريق BMS بالإضافة إلى جميع مستويات حماية الحامل والوحدة والخلية.
- الضرر الميكانيكي غير ذي صلة بقضيتنا ، وخطر الحدث ضئيل.
- ارتفاع درجة حرارة الحامل وجميع البطاريات (الوحدات والخلايا). ليست حرجة إلى 70-90 درجة. إذا ارتفعت درجة الحرارة في غرفة تركيب UPS فوق هذه القيم ، فهذا بالفعل حريق في المبنى. في عمليات مركز البيانات العادية ، فإن خطر وقوع حدث ضئيل.
- تقليل عمر البطارية في درجات حرارة الغرفة المرتفعة - يُسمح بالتشغيل المستمر عند درجات حرارة تصل إلى 40 درجة بدون انخفاض ملحوظ في عمر البطارية. بطاريات الرصاص حساسة للغاية لأي زيادة في درجة الحرارة وتقلل من عمرها المتبقي بالتناسب مع زيادة درجة الحرارة.
دعنا نلقي نظرة على الرسم البياني لمخاطر الحوادث التي تتعرض لها بطاريات ليثيوم أيون في حالة الاستخدام في مركز البيانات ، الخادم. دعونا نبسط الدائرة قليلاً ، لأن وحدات UPS من الليثيوم سيتم تشغيلها في ظروف مثالية إذا قارنا ظروف تشغيل البطاريات في جهازك ، الهاتف.
الصورة قابلة للنقر.الخلاصة: بطاريات الليثيوم المتخصصة لمراكز بيانات UPS ، الخادم لديه مستوى كاف من الحماية ضد حالات الطوارئ ، وفي حل شامل عدد كبير من درجات الحماية المختلفة وأكثر من خمس سنوات من الخبرة في تشغيل هذه الحلول تسمح لنا بالحديث عن المستوى العالي من أمن التقنيات الجديدة. من بين أمور أخرى ، لا تنس أن تشغيل بطاريات الليثيوم في قطاعنا يشبه ظروف "الاحتباس الحراري" لتقنيات Li-Ion: على عكس هاتفك الذكي في جيبك ، لن يسقط أحد البطارية في مركز البيانات ، أو يسخنها ، أو يفرغها كل يوم ، بنشاط استخدامها في وضع المخزن المؤقت.
يمكنك معرفة التفاصيل ومناقشة حل معين باستخدام بطاريات ليثيوم أيون لخادمك أو مركز البيانات الخاص بك عن طريق إرسال طلب إلى info@ot.ru أو عن طريق تقديم طلب على موقع الشركة www.ot.ru.
OPEN TECHNOLOGIES - حلول متكاملة موثوقة من قادة العالم ، تم تكييفها خصيصًا لأهدافك وغاياتك.
المؤلف: أوليغ كوليكوف
مهندس تصميم رئيسي
قسم حلول التكامل
شركة التكنولوجيا المفتوحة