Bisher bestand das Problem der Akkumulation (Akkumulation) von Elektrizität ohne globale Veränderungen, niemand konnte in diesem Bereich einen technologischen Durchbruch bieten. Es war dieselbe Gaston-Plante- Batterie von 1859 , die durch verschiedene Hilfstechnologien modifiziert und mit Verbesserungen auf dem Gebiet der elektrochemischen Prozesse, der Bekämpfung der Wasserstoffentwicklung, anderer Körpermaterialien usw. ausgestattet wurde. Zu Beginn des Jahres 2000 tauchten verschiedene Arten von Lithiumbatterien auf, die sich sicherlich in allen Bereichen verdrängen Standard-Alkali-, Calcium-, AGM- und Gel-Batterien. Im Moment haben Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien bereits den Markt für Haushaltsgeräte erobert. Die Technologie wurde entwickelt und ermöglicht die Herstellung von Batterien jeder Form, Kapazität und Größe. Es ist an der Zeit, bewährte industrielle Lösungen auf Basis von Lithiumbatterien zu entwickeln. Ich schlage vor zu verstehen, warum in den Server- und Rechenzentren für diese Technologie die Zukunft ...



Obwohl diese Technologie kein entscheidender Durchbruch ist, bietet sie dennoch eine Reihe offensichtlicher Vorteile. Das interessanteste für industrielle Lösungen im IT-Bereich ist das spezifische Gewicht der Batterien pro Flächeneinheit mit einer Kapazität, die mit Bleibatterien vergleichbar ist. Das gleiche Merkmal kann als die spezifische Leistung der Batterien pro Masseneinheit - kW * h / kg angesehen werden. Aber das Wichtigste zuerst.

Moderne Realitäten für Haushaltsgeräte

Heute hat jeder von uns ein Telefon in der Tasche, in dem eine Lithiumbatterie funktioniert, und das ist bereits jedem bekannt.


Abb. 1. Nickelbatterie für Elektrowerkzeuge


Abb. 2. Lithiumbatterie für Elektrowerkzeuge

Nehmen Sie ein handgehaltenes Elektrowerkzeug: Erst gestern war es eine austauschbare Batterie, die auf der Grundlage der Montage von Nickelbatterien hergestellt wurde. Abb. 1 (zuvor Blei). Heute sehen wir in den Regalen eine große Menge von Elektrowerkzeugen mit Lithiumbatterien, die optisch kleiner, kompakter, leichter usw. sind. Abb. 2. Und was ist mit dem Preis im heimischen Sektor? Das gleiche Elektrowerkzeug mit Lithiumbatterien ist im Vergleich zur ausgehenden Generation nur geringfügig teurer (und manchmal auch billiger), und die Benutzerfreundlichkeit ist unbestreitbar.

Zum Vergleich:

1. Die Standard-Nickel-Cadmium-Batterie für einen Makita-Schraubendreher, 12 V, 2,0 A * h, hat eine Masse von 0,61 kg und Abmessungen von 110 x 100 x 90 mm. Das heißt, wir haben 0,305 kg / Ah * h. Wenn Sie solche Batterien verwenden, reduziert ein Elektrowerkzeug für den Haushalt die Leistung (Drehmoment) und Geschwindigkeit in einem Zustand nahe einer vollständigen Batterieentladung. Garantie - 1 Jahr. Die Kosten von mehr als 2000 Rubel.
2. Eine Lithium-Ionen-Batterie für einen Schraubendreher des gleichen Herstellers (Makita) mit einer Spannung von 10,8 V, 2,0 Ah * hat eine Masse von 270 Gramm und Abmessungen von 220 x 190 x 42 mm. Das heißt, wir haben 0,135 kg / A * h. Garantie - 5 Jahre, die Kosten von ca. 1200 Rubel. Wenn Sie solche Batterien verwenden, hat ein Haushaltswerkzeug über die gesamte Batteriekapazität die gleiche Leistung (Drehmoment) und den gleichen Drehzahlbereich. Wenn es jedoch die Mindestkapazität erreicht, funktioniert es aufgrund der Schutzschaltung vor der tiefen Entladung der Batterien einfach nicht mehr.

Der Unterschied im spezifischen Gewicht verschiedener Batterietypen (Ampere * Stunde) beträgt das 2,2-fache, dh in einem Kilogramm einer Lithiumbatterie ist er 2,2-mal höher als die Kapazität. Dies ist jedoch ein voreingenommener Vergleich, da die Batterien unterschiedliche Spannungen haben. Versuchen wir, die spezifischen Leistungswerte W / kg neu zu berechnen, und wir erhalten: für eine Nickel-Cadmium-Batterie 39,3 W / kg und für eine Lithium-Batterie 80 W / kg. Der Unterschied wurde mehr als verdoppelt.

Es ist zu beachten, dass für Schraubendreher und andere energieverbrauchende Haushaltsgeräte Lithium-Ionen-Hochstrombatterien verwendet werden, die in kurzer Zeit einen hohen Rückstrom liefern. In diesem Fall fällt die Spannung am Akku unter das Schutzniveau des Li-Ion-Akkus vor einer tiefen Überentladung ab. Ein ähnliches Szenario ist für die Modi zum Schrauben und Lösen von schweren Schrauben, Muttern und anderen Elektrowerkzeugen sowie bei ferngesteuerten Modellen beim Starten der Maschine möglich.

Was sind die Hauptvorteile von Lithiumbatterien im Vergleich zu verschiedenen Arten klassischer Elektrolytbatterien?


Abb. 3. Diagramm der spezifischen Energie gegen die spezifische Leistung verschiedener Batterietypen

1. Großer Strom- und Energieverbrauch pro Masseneinheit. Abbildung 3 zeigt die Abhängigkeit der spezifischen Leistung verschiedener Batterietypen (die vertikale Watt / kg-Skala von der spezifischen Energie (die horizontale Watt * h / kg-Skala)), die ein anderer Batterietyp liefern kann. Einfach ausgedrückt: Je mehr Strom (bzw. Leistung) die Batterie an die Last liefert, desto weniger Zeit arbeitet sie in Minuten und Stunden. Wie Sie sehen können, befinden sich Batterien auf Lithiumbasis im Vergleich zu klassischen Blei-Säure-Batterien in den diametral gegenüberliegenden Teilen des Diagramms. Aus der Figur ist auch ersichtlich, dass Lithiumbatterien je nach Typ unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, aber im Allgemeinen in der Lage sind, gespeicherte Energie schnell aufzugeben;
2. ein Drittel weniger spezifisches Gewicht im Vergleich zu Bleibatterien;
3. mangelnde Wirkung von "Gedächtnis". Das heißt, Batterien auf der Basis von Lithiumpolymer reduzieren ihre Kapazität nicht, wenn sie im Teilentladungsmodus betrieben werden. Beispielsweise zeigen Nickel-Cadmium- oder Nickel-Mangan-Batterien diesen Effekt im Modus wiederholter Teillad- und Entladezyklen, was letztendlich dazu führt, dass sich die Batterie an die geringere verfügbare Kapazität "erinnert";
4. eine größere Anzahl von Entlade-Lade-Zyklen im Vergleich zu Bleibatterien;
5. Mangel an Wasserstoff oder schädlichen und explosiven und feuergefährlichen Gasen. Wie in 4 gezeigt, tritt bei chemischen Prozessen in Li-ION-Batterien absolut keine Gasentwicklung auf.

Das Funktionsprinzip einer Lithium-Ionen-Batterie

Als solches befindet sich in einer Lithiumbatterie kein Elektrolyt in einem freien Zustand. Stattdessen wird ein mit einem Elektrolyten imprägnierter poröser Separator verwendet. Es werden Lithiumionen verwendet, die durch Moleküle zusätzlicher Metalle gebunden sind. Beim Entladen der Batterie erfolgt der Übergang von Ionen von der negativen Elektrode (Kathode) zur positiven (Anode) und umgekehrt beim Laden. Der Batteriekreis benötigt einen Separator zwischen den beiden Teilen der Zelle, dies ist notwendig, um die spontane Bewegung von Lithiumionen zu verhindern. In der Abbildung sind Schemata chemischer Prozesse von Blei- und Lithium-Ionen-Batterien dargestellt.


Abb. 4. Chemische Prozesse in Bleibatterien und Lithiumbatterien

Die Klasse der Lithium-Ionen-Batterien kann nach dem chemischen Hauptmaterial in Unterarten unterteilt werden, wodurch die Batterie ihre einzigartigen, inhärenten Eigenschaften erhält:



Wenn wir diese Klassifizierung mit Abb. 3 vergleichen, können Batterien vom Typ LFP der Hochenergieklasse und Lithium-Mangan-LMOs der Klasse der Energie mittlerer Energie zugeordnet werden.

Wenn wir nur die spezifische Energie verschiedener Batterietypen berücksichtigen, ist die Struktur wie folgt:


Abb. 5. Die spezifische Energie verschiedener Batterietypen (basierend auf batterieuniversity.com)

Die Klasse der Lithium-Ionen-Batterien kann nach dem Formfaktor in Unterarten unterteilt werden:



Die häufigste Größe von Lithium-Ionen-Batterien sind 65 mm hohe Zylinder, die etwas größer sind als die klassische AA-Batterie, die in den meisten Haushaltsgeräten und Fernbedienungen verwendet wird.

Aus diesem Batterietyp werden derzeit Batterien für Elektrofahrräder und Elektroroller hergestellt. Dies sind die Batterien, die in „nicht modernen“ Laptops zu finden sind. Außerdem wurden die Batterien der ersten Versionen von TESLA-Fahrzeugen aus solchen Lithiumbatterien zusammengebaut. Anzeigen >>


Abb. 6. Aussehen einer zylindrischen LIP-Batterie

Der Marktführer bei der Herstellung prismatischer Zellen ist jetzt Samsung CDI, ein Geschäftsbereich eines bekannten Unternehmens. Im Bereich industrieller Lösungen wurden LMO-Zellen und Batterien (Module) entwickelt und erfolgreich eingesetzt. Eine 3,7-V-Standardspannungszelle hat eine Kapazität von 67 A * h, das Modul besteht aus 8 Zellen, hat eine Masse von 17 kg, eine Spannung von 24 bis 33,6 V und eine spezifische Energie von 140 W * h / kg.


Fig. 7 Aussehen der Samsung Prismatic Cell LMO

Nachdem der Hype um Elektroautos, Hybridautos und öffentliche Verkehrsmittel begann, war es Zeit für einen aktiven Übergang zu Li-Ionen-Batterien für industrielle USV-Lösungen.

Beispielsweise stellt das Segment "Niedrigenergie" industrieller Lösungen aktiv auf Lithium-Ionen-Batterien um. Die Ausrüstungslieferanten von Sicherheitssystemen halten auch mit ihren Lithiumlösungen zur Sicherung von Feuer- und Sicherheitssystemen Schritt. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem Fehlen der Notwendigkeit, die Batterien innerhalb von 10 Jahren anstelle der üblichen 2 Jahre auszutauschen. Ein ähnlicher Trend ist im Bereich der Warnsysteme und der Evakuierungskontrolle (SOUE-Systeme) zu beobachten, die auch für Brandbekämpfungssysteme gelten. Bisher waren solche Systeme mit Säure-Blei-Batterien ausgestattet. Nach 2-3 Jahren verlor die Bleibatterie in den Warnsystemen beim Kunden, der solche Systeme betrieb, bereits kritisch ihre Kapazität, und es gab oft nicht genug Geld, um die Batterien zu aktualisieren. Somit waren die Feuer- und Evakuierungssysteme der Anlage nominell voll funktionsfähig, konnten jedoch im Notfall keinen Batteriebetrieb gewährleisten. Und für die sichere Evakuierung von Personen wird je nach Objekt mindestens 30 Minuten gegeben.

Wenn Sie Lithiumbatterien verwenden, können Sie solche Probleme vergessen.

Wenn Sie sich zum Beispiel die Analyse der Herstellung und Verwendung verschiedener Batterietypen ansehen , können wir hier sagen, dass „... es sich um Batterien handelt, die aktuellen Schätzungen der Kosten für ihre Installation zwischen 200 und 800 USD pro 1 kW installierter Leistung liegen. Die niedrigsten Kosten entsprechen Blei-Säure-Batterien, da sie sich in einem höheren technologischen Entwicklungsstadium befinden. Dieser Bereich entspricht der niedrigeren Kostengrenze für das PSPP, ist jedoch viel niedriger als bei anderen potenziellen und neuen Speichertechnologien. Der Hauptnachteil von Blei-Säure und anderen AAs ist jedoch ihre geringe Lebensdauer im Vergleich zu PSPPs, die eine viel längere Lebensdauer haben. "Die Batterielebensdauer variiert erheblich in Abhängigkeit von der Verwendungshäufigkeit, der Entladerate und der Anzahl der Tiefentladungszyklen."



Wie wir sehen können, übertreffen die prognostizierten Wachstumsraten von Lithiumbatterien die Aussichten herkömmlicher Batterien bei weitem. In Russland wurde 2017 auf der Website des Energieministeriums der Russischen Föderation das Konzept für die Entwicklung des Marktes für elektrische Energiespeichersysteme in der Russischen Föderation veröffentlicht, das unter anderem die Produktion von Li-Ionen-Batterien beinhaltete: „... es gibt einen Produktionsstau in Russland, aber es muss entwickelt werden.“ Das Dokument prognostiziert einen Rückgang der Kosten für Energiespeichersysteme verschiedener Typen, insbesondere für Li-Ionen-Batterien. Ein Rückgang der Kosten von 550 USD / kWh im Jahr 2016 auf 300 USD / kWh bis 2025 wird prognostiziert. Wenn die Prognosen von Navigant Research korrekt sind, sinken die Kosten für Lithiumbatterien gegenüber dem aktuellen Preisniveau um weitere 40%.

Aber was ist mit der Leistung von IT-Geräten in Server- und Rechenzentren? Mal sehen.
Der wahre Fall.
Einer unserer Kunden bat uns, das Stromproblem eines kleinen Servers zu lösen. Es scheint nichts Kompliziertes zu sein, die für uns übliche Arbeit, in der wir besser verstehen als jeder andere.

Es gibt jedoch vier komplizierende Faktoren, die für den Kunden entscheidend sind:

1. Die Tragfähigkeit der Stockwerke des Raums, in dem der Serverraum aufgestellt werden sollte, ist sehr gering (nicht mehr als 300 kg / m 2), der Raum selbst ist recht eng und befindet sich im 4. Stock eines Bürogebäudes der Klasse A.
2. Der Kunde wollte sicher sein, dass die Stromversorgung des Servers im Falle eines Stromausfalls zuverlässig ist, und aus Gründen teurer Mietflächen die USV direkt im Serverraum platzieren.
3. Die Batterielebensdauer der USV sollte einen unterbrechungsfreien Betrieb von mindestens 40 Minuten gewährleisten, und dies war beim 2N-Stromversorgungsschema der Fall, dh bei zwei USVs und einem Paar identischer Batteriearrays.
4. Bei der Vereinbarung der wichtigsten technischen Lösungen bestand der Wunsch, einen Teil des Serverraums für externe Anforderungen bereitzustellen, dh die Geräte weiter zu verdichten

Abb. 8 Darstellung des Layouts des Servers

Sie fragen sich vielleicht, was ist so ungewöhnlich?

Erstens hatte der Kunde bereits negative Erfahrungen mit dem Betrieb der USV mit einer Reihe von Säure-Blei-Batterien. Und so war es:

Es war das fünfte Jahr nach Inbetriebnahme einer ausreichend leistungsstarken USV, die Batterieschränke wurden unter normalen Bedingungen betrieben, das Klima im Raum mit Batterien wurde stabil und normalisiert. Die USV selbst zeigte ihre Bereitschaft, den Serverraum bei einem Stromausfall für 15 Minuten zur Verfügung zu stellen. Es scheint an der Zeit gewesen zu sein, bereits alle Batterien bis zur Betriebsdauer gewechselt zu haben, aber es wurde keine Entscheidung getroffen, sie zu ersetzen. Und dann gibt es einen schönen Moment, in dem das Netzwerk plötzlich von der Stadt getrennt wird. Denken Sie, dass das USV-System mindestens 1-3 Minuten lang gearbeitet hat, um die Serviceleistungen an den Geräten abzuschließen? Egal wie. Das Schlimmste geschah: Die USV schaltete aufgrund einer Fehlfunktion eines dieser Akkus nicht auf Batterien um. Alle Server und Dienste, die zu diesem Zeitpunkt ausgeführt wurden, fielen aus. Zum Glück war es keine Bank, sondern ein Co-Location , und der Skandal war irgendwie beigelegt.

Die Sache ist, dass das klassische Batterieüberwachungssystem keine objektive Vorstellung vom Status jeder Batterie im Lineal im Schrank gibt. Eine fehlerhafte Batterie kann nur erkannt werden, indem klar geregelte Maßnahmen zur Überprüfung der Kapazität und Wartungsfreundlichkeit jeder Bleibatterie durchgeführt werden. Wenn eine Batterie defekt ist, muss die gesamte Reihe der Blei-Säure-Batterien ausgetauscht werden, und Maßnahmen zur Überwachung des Zustands jeder Batterie wurden aus objektiven Gründen nicht durchgeführt:

• Betrieb von IT-Geräten rund um die Uhr - Die Stilllegung eines unterbrechungsfreien Stromversorgungssystems würde das Risiko eines Ausfalls aller Dienste bedeuten, wenn die Stromversorgung zu diesem Zeitpunkt von der Stadt getrennt würde.
• Fehlen eines Vertrags mit einer spezialisierten Organisation für die Wartung der USV und der Batterien, da zum Zeitpunkt der Ablehnung die rechtlichen Fragen der Verlängerung des Servicevertrags nicht vereinbart waren;
• "Beruhigende" Anzeigen und Vorhersagen der Batterielebensdauer auf dem USV-Display und den USV-Statusüberwachungssystemen;
• Erfahrung mit dem normalen Übergang der USV zu Batterien bei einem Stromausfall vor sechs Monaten.

Abb. 9. Die vorhergesagte Akkulaufzeit der USV am Vorabend des Unfalls im Rechenzentrum

Zweitens haben die Berechnungen gezeigt, dass es unmöglich ist, zwei Batterieschränke mit einem Gewicht von jeweils 980 kg im Serverraum zu installieren, da die Belastung der Decken durch die Server-Racks und die zugehörige Ausrüstung bereits maximal ist. Die Entwicklung und Installation eines Entladerahmens aus Stahl unter dem Batterieschrank war erforderlich. Dies verursachte wiederum viele organisatorische Probleme: Um die Ausfallzeit des gesamten Serverraums sicherzustellen, sollte der Rahmen verschraubt werden (Schweißen ist im aktuellen Büro nicht möglich) und so weiter ...


Abb. 10. Batteriefach mit herkömmlichen Batterien (links) und mit Lithium-Ionen-Zellen (rechts)


Abb. 11. Batterie-Array mit Lithium-Ionen-Zellen in einem großen Rechenzentrum


Abb. 12. Aussehen einer Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer BMS-Überwachungskarte (Battery Monitoring System)

Was ist der Ausweg aus der Situation?

Wir haben eine Lösung für Lithiumbatterie-USV vorgeschlagen, die Folgendes ermöglicht:

1. Reduzierung des Gewichts des Batterieschranks auf 550 kg, wodurch keine Maßnahmen zur Verstärkung der Böden erforderlich wurden.
2. Erhöhung der Batterielebensdauer der USV bei ausgeschaltetem Gerät um bis zu 40 Minuten, was sich positiv auf die Zuverlässigkeit der IT-Geräte des Kunden auswirkt.

Die Batterielebensdauer bei Li-Ionen-Batterien betrug 10 Jahre, was bei herkömmlichen VRLA-Batterien 3-5 Jahre entspricht.
Als Teil dieser Lösung gibt es ein fortschrittliches System zur Überwachung des Status und des Ladens von Batterien (BMS), mit dem Sie Informationen über den Status jeder Batteriezelle erhalten.
Der Grad der Batterieentladung bei kurzen Unterbrechungen der Stromversorgung wirkt sich nicht auf die Lebensdauer des gesamten Arrays im Allgemeinen aus und beträgt mehr als 5000 Zyklen mit einer Ressource von Säure-Blei-Batterien von 500 Zyklen und maximal 3-4 Jahren.
Der Temperaturbetriebsmodus von Lithiumbatterien ist überhaupt nicht kritisch, Temperaturunterschiede innerhalb des Batterieschranks wirken sich nicht nachteilig auf die Batterielebensdauer insgesamt aus.
Es besteht keine Notwendigkeit mehr für die Belüftung des Raums mit Versorgung und Abluft, da bei Verwendung von Li-Ionen-Batterien im Prinzip keine Wasserstoffentwicklung stattfindet.


Abb. 13. Das Erscheinungsbild des Servers

In diesem Projekt interessierte sich der Kunde für Lösungen zum lokalen Schutz von Arbeitsplätzen wichtiger USV-Mitarbeiter mit einer Kapazität von 1000 VA, auch mit Lithiumbatterien. Der Unterschied in den Kosten für diesen USV-Typ betrug etwa 400 US-Dollar - teurer als die Standardkonfiguration. Die Vorteile dieser Lösung ermöglichten es uns jedoch, über höhere Kapitalkosten (CAPEX) nachzudenken, um die Betriebskosten in Zukunft zu senken.


Abb. 14. Aussehen der USV mit Lithiumbatterien zum Schutz der Arbeitsplätze

Vergleichen wir die Typen der einphasigen USV-Modelle von APC by Schneider Electric mit Lithium- und Blei-Säure-Batteriemodulen.





Welche Schlussfolgerungen können aus den folgenden Tabellen gezogen werden:

1. Eine USV mit Lithiumbatterien liefert 32 Minuten lang eine Last von 900 W, während eine USV mit eingebauten VRLA-Batterien mit einer Last von 700 W nur ​​14 Minuten benötigt.
2. Die Kosten einer herkömmlichen USV mit einem externen Batteriekasten sind vergleichbar mit den Kosten einer USV in Lithium / CAPEX /.
3. , . - 25°C . , , , 2 , .
4. , , . Li-Ion .
5. – 5, – 2 .

, Schneider Electric – On-Line. , Line-Interactive, , .

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Samsung U6-M035



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Fazit

- . , , , VRLA , . , , - – , , ( ) .

Schneider Electric:
« Schneider Electric , . , - », – , IT Division Schneider Electric

07 2018 -News «Schneider Electric - »:

« Li-Ion : , 4 , ( 10 ), +40 °C . , 35% . Li-Ion .»

>>

8-10 , , «» . , - VRLA . Li-ion - , , .

:

Schneider Electric

:

1. №231, « - », Schneider Electric, 2016
2. Whitepaper: Batterietypen für einphasige USVs: Vergleich der ventilgeregelten Blei-Säure-Batterie (VRLA) mit der Li-Ionen-Batterie Schneider Electric, 2016
3. Whitepaper Nr. 229, „Batterietechnologie für Rechenzentren: Vergleich der Li-Ionen-Blei-Säure-Batterie mit dem Regelventil (VRLA)“, Schneider Electric, 2016
4. „Konzept für die Entwicklung von Stromspeichersystemen in der Russischen Föderation“, Energieministerium der Russischen Föderation, 21. August 2017.