Hallo Freunde!
Nach der Veröffentlichung des Artikels „USV und Batterie-Array: Wo installieren? Ja, warten Sie, es gab viele Kommentare zu den Gefahren von Li-Ion-Lösungen für Server und Rechenzentren. Daher werden wir heute versuchen herauszufinden, welche Unterschiede zwischen industriellen Lösungen für Lithium für USV und dem Akku in Ihrem Gadget bestehen, wie sich die Betriebsbedingungen der Akkus im Serverraum unterscheiden, warum der Akku in einem Li-Ion-Telefon nicht länger als 2-3 Jahre hält und im Rechenzentrum wird dieser Wert zunehmen 10 oder mehr Jahre. Warum das Risiko eines Lithiumbrands im Rechenzentrum / Server minimal ist.
Ja, Unfälle mit USV-Batterien sind unabhängig von der Art der Energiespeicherung möglich, aber der Mythos der „Brandgefahr“ industrieller Lösungen in Lithium ist nicht wahr.
Immerhin haben viele dieses Video mit einem Feuer eines Telefons mit einer Lithiumbatterie in einem Auto gesehen, das sich entlang der Autobahn bewegt? Also, mal sehen, herausfinden, vergleichen ...
Hier sehen wir einen typischen Fall von unkontrollierter Selbsterwärmung, thermischer Beschleunigung der Telefonbatterie, die zu einem solchen Vorfall führte. Sie werden sagen: HIER! Dies ist nur ein Telefon, nur Verrückte können es in den Serverraum stellen!
Ich bin sicher, dass der Leser nach dem Studium dieses Materials seinen Standpunkt zu diesem Thema ändern wird.
Aktuelle Situation auf dem Markt für Rechenzentren
Es ist kein Geheimnis, dass der Bau eines Rechenzentrums eine langfristige Investition ist. Allein der Preis für technische Ausrüstung kann 50% der Kosten aller Kapitalkosten betragen. Der Amortisationshorizont beträgt ca. 10-15 Jahre. Natürlich besteht der Wunsch, die Gesamtbetriebskosten während des gesamten Lebenszyklus des Rechenzentrums zu senken und dabei auch technische Geräte zu kompaktieren, um so viel Platz wie möglich für die Nutzlast freizugeben.
Die optimale Lösung ist die industrielle USV einer neuen Iteration auf der Basis von Li-Ionen-Batterien, die „Kinderkrankheiten“ in Form von Brandgefahr, falschen Lade- / Entladealgorithmen und einer Vielzahl von Schutzmechanismen längst beseitigt haben.
Mit zunehmender Leistung von Computer- und Netzwerkgeräten wächst die Nachfrage nach USVs. Gleichzeitig erhöhte Anforderungen an die Batterielebensdauer bei Problemen mit der zentralen Stromversorgung und / oder Ausfällen beim Starten einer Notstromquelle bei Anwendung / Verfügbarkeit von Dieselaggregaten.
Die Hauptgründe sind unserer Meinung nach zwei:- Schnelles Wachstum des Volumens verarbeiteter und übertragener Informationen
Zum Beispiel das neue Passagierflugzeug Boeing
787 Dreamliner in einem Flug generiert mehr als 500 Gigabyte an Informationen , die
müssen speichern und verarbeiten. - Wachstum in der Dynamik des Stromverbrauchs. Trotz des allgemeinen Trends, den Energieverbrauch von IT-Geräten zu senken, wird der spezifische Energieverbrauch elektronischer Komponenten gesenkt.
Stromverbrauchsdiagramm von nur einem aktiven Rechenzentrum Der gleiche Trend zeigt sich in den Prognosen des Rechenzentrumsmarktes in unserem Land.Laut
Expert.ru beträgt die Gesamtzahl der in Betrieb genommenen Rack-Plätze mehr als
20.000 . “Die Anzahl der von den 20 größten Rechenzentrumsdienstleistern im Jahr 2017 in Betrieb genommenen Rack-Plätze stieg um 3% und erreichte 22,4 Tausend (Daten per 1. Oktober) 2017) “, heißt es im CNews Analytics-Bericht. Nach Schätzungen der Beratungsagenturen wird bis 2021 eine Zunahme der Aufenthalte auf 49.000 erwartet. Das heißt, in zwei Jahren kann sich die tatsächliche Kapazität des Rechenzentrums verdoppeln. Was ist der Grund dafür? Zuallererst mit dem Wachstum von Informationen: sowohl gespeichert als auch verarbeitet.
Neben den Clouds stufen die Akteure die Entwicklung von Rechenzentren in den Regionen als Wachstumspunkte ein: Sie sind das einzige Segment, in dem die Reserve für die Geschäftsentwicklung erhalten bleibt. Laut IKS-Consulting machten die Regionen 2016 nur 10% aller auf dem Markt angebotenen Ressourcen aus, während die Hauptstadt und die Region Moskau 73% des Marktes ausmachten und die Regionen St. Petersburg und Leningrad 17%. In den Regionen besteht weiterhin ein Mangel an Ressourcen in Rechenzentren mit einem hohen Maß an Fehlertoleranz.
Prognosen zufolge wird sich die Datenmenge weltweit bis 2025 gegenüber 2016 um das Zehnfache erhöhen.
Wie sicher ist Lithium für eine Server- oder Rechenzentrums-USV?
Nachteil: die hohen Kosten für Li-Ion-Lösungen.
Der Preis für Lithium-Ionen-Batterien ist im Vergleich zu Standardlösungen immer noch hoch. SE schätzt, dass die anfänglichen Kosten für Hochleistungs-USVs über 100 kVA für Li-Ion-Lösungen 1,5-mal höher sein werden, aber letztendlich die Betriebskosten 30-50% betragen werden. Wenn wir Vergleiche mit dem militärisch-industriellen Komplex anderer Länder anstellen, finden Sie hier die Nachrichten über die
Inbetriebnahme eines japanischen U -
Bootes mit Li-Ionen-Batterien. Sehr oft werden in solchen Lösungen Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (im Foto-LFP) verwendet, da sie relativ billig und sicherer sind.
In dem Artikel wird erwähnt, dass 100 Millionen US-Dollar für neue Batterien für das U-Boot ausgegeben wurden. Versuchen wir, diese auf andere Werte umzurechnen ...4,2 Tausend Tonnen Unterwasserverdrängung des japanischen U-Bootes. Oberflächenverdrängung - 2,95 Tausend Tonnen. Normalerweise bestehen 20-25% der Bootsmasse aus Batterien. Von hier nehmen wir ca. 740 Tonnen - Blei-Säure-Batterien. Weiter: Die Lithiummasse beträgt ungefähr 1/3 der Blei-Säure-Batterien -> 246 Tonnen Lithium. Bei 70 kW * h / kg für Li-Ion erhalten wir eine Batteriekapazität von ca. 17 MW * h. Und der Unterschied in der Masse der Batterien beträgt ungefähr 495 Tonnen ... Hier berücksichtigen wir nicht
Silber-Zink-Batterien , die 14,5 Tonnen Silber pro U-Boot benötigen, und sie kosten das Vierfache der Kosten von Blei-Säure-Batterien. Ich möchte Sie daran erinnern, dass Li-Ion-Akkus je nach Leistung der Lösung nur noch 1,5 bis 2 Mal teurer sind als VRLA.
Was ist mit den Japanern? Sie erinnerten sich zu spät daran, dass das „Aufhellen des Bootes“ um 700 Tonnen eine Änderung der Seetüchtigkeit und Stabilität mit sich bringt ... Wahrscheinlich mussten sie Waffen an Bord hinzufügen, um die Konstruktionswerte für die Gewichtsverteilung des Bootes zurückzugeben.
Lithium-Ionen-Batterien wiegen auch weniger als Blei-Säure-Batterien, daher musste das U-Boot-Projekt vom Typ Soryu neu gestaltet werden, um Ballast und Stabilität zu erhalten.
In Japan wurden zwei Arten von Lithium-Ionen-Batterien hergestellt und in Betrieb genommen: Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA), hergestellt von GS Yuasa, und Lithium-Titanat (LTO), hergestellt von Toshiba Corporation. Die japanische Flotte wird NCA-Batterien verwenden, während laut Kobayashi aus Australien LTO-Batterien kürzlich in einer Ausschreibung für den Einsatz in U-Booten vom Typ Soryu vorgeschlagen wurden.
In Kenntnis der ehrfürchtigen Einstellung zur Sicherheit im Land der aufgehenden Sonne kann davon ausgegangen werden, dass ihre Lithium-Sicherheitsprobleme gelöst, getestet und zertifiziert wurden.
Risiko: Brandgefahr.Hier werden wir es zum Zweck der Veröffentlichung aussortieren, da Meinungen zur Sicherheit dieser Lösungen diametral entgegengesetzt sind. Aber das sind alle Texte, aber was ist mit konkreten industriellen Lösungen?
Sicherheitsprobleme, die wir bereits in unserem
Artikel behandelt haben , gehen jedoch noch einmal auf dieses Problem ein. Wenden wir uns der Abbildung zu, in der die Schutzstufe des Moduls und des LMO / NMC-Moduls der Samsung SDI-Batterie, die in der USV von Schneider Electric verwendet wurde, berücksichtigt wurde.
Chemische Prozesse wurden in
LadyNs Artikel
Wie Lithium-Ionen-Batterien explodieren, beschrieben . Lassen Sie uns versuchen, die möglichen Risiken in unserem speziellen Fall herauszufinden und sie mit dem mehrstufigen Schutz in Samsung SDI-Zellen zu vergleichen, die Teil des fertigen Li-Ion-Racks vom Typ G als Teil einer umfassenden Galaxy VM-basierten Lösung sind.
Beginnen wir mit dem allgemeinen Fall eines Flussdiagramms der Risiken und Ursachen eines Lithium-Ionen-Zellbrandes.
Ein größerer? Das Foto ist anklickbar.Unter dem Spoiler können Sie die theoretischen Fragen der Zündrisiken von Lithium-Ionen-Batterien und der Physik von Prozessen untersuchenDas ursprüngliche Blockdiagramm der Brandrisiken und -ursachen (Sicherheitsrisiko) einer Lithium-Ionen-Zelle aus einem
wissenschaftlichen Artikel aus dem Jahr 2018.
Da es je nach chemischer Struktur der Lithium-Ionen-Zelle Unterschiede in den Eigenschaften der thermischen Beschleunigung der Zelle gibt, werden wir uns mit dem im Artikel beschriebenen Prozess in einer Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Zelle (basierend auf LiNiCoAIO2) oder NCA befassen.
Der Prozess der Entwicklung eines Unfalls in einer Zelle kann in drei Phasen unterteilt werden:
- Stufe 1 (Beginn). Normaler Betrieb der Zelle, wenn der Gradient des Temperaturanstiegs 0,2 g C pro Minute nicht überschreitet und die Zelltemperatur selbst 130 bis 200 g C nicht überschreitet, abhängig von der chemischen Struktur der Zelle;
- Stufe 2, Aufwärmen (Beschleunigung). In diesem Stadium steigt die Temperatur, der Temperaturgradient steigt schnell an, es erfolgt eine aktive Freisetzung von Wärmeenergie. Im allgemeinen Fall geht dieser Prozess mit einer Gasentwicklung einher. Übermäßige Gasemissionen müssen durch den Betrieb des Sicherheitsventils ausgeglichen werden.
- Stufe 3, thermische Beschleunigung (außer Kontrolle geraten). Batterieheizung über 180-200 Grad. In diesem Fall tritt das Kathodenmaterial in eine Disproportionierungsreaktion ein und setzt Sauerstoff frei. Dies ist der Grad der thermischen Beschleunigung, da in diesem Fall ein Gemisch brennbarer Gase mit Sauerstoff auftreten kann, das eine spontane Verbrennung verursacht. In einigen Fällen kann dieser Prozess jedoch gesteuert und gelesen werden. Wenn sich das Regime externer Faktoren ändert, stoppt die thermische Beschleunigung in einigen Fällen ohne fatale Folgen für den umgebenden Raum. Die Gebrauchstauglichkeit und Funktionsfähigkeit der Lithiumzelle selbst nach diesen Ereignissen wird nicht berücksichtigt.
Die thermische Beschleunigungstemperatur hängt von der Größe der Zelle, dem Design der Zelle und dem Material ab. Die Temperatur der thermischen Beschleunigung kann zwischen 130 und 200 Grad Celsius variieren. Die thermische Beschleunigungszeit kann unterschiedlich sein und Minuten, Stunden oder sogar Tage betragen ...
Was ist mit LMO / NMC-Zellen in Lithium-Ionen-USV?
Ein größerer? Das Foto ist anklickbar.- Um den Kontakt der Anode mit dem Elektrolyten zu verhindern, wird eine Keramikschicht in der Zelle (SFL) verwendet. Das Blockieren der Bewegung von Lithiumionen erfolgt bei 130 ° C.
- Zusätzlich zum Schutzlüftungsventil wird ein OSD-System (Over Charge Device) verwendet, das in Verbindung mit einer internen Sicherung arbeitet und die beschädigte Zelle trennt, um zu verhindern, dass der thermische Beschleunigungsprozess gefährliche Werte erreicht. Darüber hinaus erfolgt die Auslösung des internen OSD-Systems früher, wenn der Druck 3,5 kgf / cm2 erreicht, dh halb so hoch wie der Druck des Schutzventils der Zelle.
Übrigens löst die Zellsicherung bei Strömen über 2500 A in einer Zeit von nicht mehr als 2 Sekunden aus. Angenommen, ein Temperaturgradient erreicht einen Wert von 10 ° C / min. In 10 Sekunden hat die Zelle Zeit, im Beschleunigungsmodus etwa 1,7 Grad zu ihrer Temperatur hinzuzufügen.
- Ein dreischichtiger Separator in der Zelle im Wiederauflademodus blockiert den Übergang von Lithiumionen zur Zellanode. Die Blockiertemperatur beträgt 250 ° C.
Nun wollen wir sehen, was wir mit der Zelltemperatur haben. Vergleichen Sie, in welchen Stadien die verschiedenen Arten von Schutzmaßnahmen auf Zellebene ausgelöst werden.
- OSD-System - 3,5 + -0,1 kgf / cm2 <= Außendruck
Zusätzlicher Schutz gegen Überströme.
- Sicherheitsventil 7,0 + -1,0 kgf / cm2 <= Außendruck
- Sicherung in der Zelle 2 Sekunden bei 2500A (Überlaststrommodus)
Das Risiko einer thermischen Beschleunigung der Zelle hängt direkt vom Ladungsgrad der Zelle ab. Weitere Details hier ...Betrachten Sie die Auswirkung des Zellladungsniveaus im Zusammenhang mit den Risiken der thermischen Beschleunigung. Betrachten Sie die Entsprechungstabelle der Zelltemperatur aus dem Parameter SOC (Ladezustand, Grad der Batterieladung).
Der Grad der Batterieladung wird in Prozent gemessen und zeigt an, wie viel der Gesamtladung noch in der Batterie gespeichert ist. In diesem Fall ziehen wir die Art des Aufladens des Akkus in Betracht. Es kann gefolgert werden, dass sich die Batterie abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Lithiumzelle während des Wiederaufladens unterschiedlich verhalten kann und eine unterschiedliche Tendenz zur thermischen Beschleunigung aufweist. Dies ist auf die unterschiedliche spezifische Kapazität (A * h / Gramm) verschiedener Arten von Li-Ionen-Zellen zurückzuführen. Je größer die spezifische Kapazität der Zelle ist, desto schneller wird die Wärme während des Wiederaufladens freigesetzt.
Außerdem führt ein externer Kurzschluss bei 100% SOC häufig zu einer thermischen Übertaktung der Zelle. Wenn andererseits die Zelle einen Ladungsgrad von 80% SOC aufweist, wird die maximale Temperatur des Beginns der thermischen Beschleunigung der Zelle nach oben verschoben. Die Zelle wird widerstandsfähiger gegenüber Notfällen.
Und schließlich verursachen externe Kurzschlüsse bei 70% SOC möglicherweise überhaupt keine thermische Dispersion. Das heißt, das Risiko einer Entzündung der Zelle wird erheblich verringert, und das wahrscheinlichste Szenario ist nur die Betätigung des Sicherheitsventils der Lithiumbatterie.
Darüber hinaus kann aus der Tabelle geschlossen werden, dass der LFP (violette Kurve) der Batterie normalerweise eine steile Steigung des Temperaturanstiegs aufweist, dh die Aufwärmphase geht reibungslos in die thermische Übertaktungsstufe über, und der Widerstand dieses Systems gegen Überladung ist etwas schlechter. Wie wir sehen, haben Batterien vom Typ LMO beim Aufladen eine gleichmäßigere Aufwärmcharakteristik.
WICHTIG: Wenn das OSD-System ausgelöst wird, wird die Zelle auf Bypass zurückgesetzt. Dadurch wird die Spannung am Rack reduziert, bleibt jedoch in Betrieb und gibt über das BMS-System des Racks selbst ein Signal an das USV-Überwachungssystem. Bei einem klassischen USV-System mit VRLA-Batterien kann ein Kurzschluss oder ein Bruch einer Batterie in einer Kette zu einem Ausfall der USV insgesamt und zu einem Betriebsausfall der IT-Geräte führen.
Auf der Grundlage des Vorstehenden bleiben für den Fall der Verwendung von Lithiumlösungen in USVs die Risiken relevant:
- Wärmebeschleunigung einer Zelle, Modul infolge eines externen Fehlers - mehrere Schutzstufen.
- Wärmebeschleunigung der Zelle, Modul infolge einer internen Batteriestörung - mehrere Schutzstufen auf der Ebene der Zelle, Modul.
- Aufladen - Schutz durch BMS plus alle Schutzstufen des Racks, Moduls, der Zelle.
- Mechanische Schäden sind für unseren Fall unerheblich, das Risiko des Ereignisses ist vernachlässigbar.
- Überhitzung des Racks und aller Batterien (Module, Zellen). Nicht kritisch bei 70-90 Grad. Wenn die Temperatur im USV-Installationsraum über diese Werte steigt, ist dies bereits ein Brand im Gebäude. Im normalen Betrieb von Rechenzentren ist das Risiko eines Ereignisses vernachlässigbar.
- Reduzierte Batterielebensdauer bei erhöhten Raumtemperaturen - Dauerbetrieb bei Temperaturen bis zu 40 Grad ist zulässig, ohne dass sich die Batterielebensdauer merklich verkürzt. Bleibatterien reagieren sehr empfindlich auf Temperaturerhöhungen und verkürzen ihre Restlebensdauer proportional zu Temperaturerhöhungen.
Werfen wir einen Blick auf das Flussdiagramm der Unfallrisiken mit Lithium-Ionen-Batterien in unserem Fall der Verwendung im Rechenzentrum, Server. Vereinfachen wir die Schaltung ein wenig, da Lithium-USVs unter idealen Bedingungen betrieben werden, wenn wir die Betriebsbedingungen der Batterien in Ihrem Gerät, Telefon, vergleichen.
Das Foto ist anklickbar.SCHLUSSFOLGERUNG: Spezielle Lithiumbatterien für USV-Rechenzentren und Server-USVs bieten einen ausreichenden Schutz gegen Notfallsituationen. In der integrierten Lösung ermöglichen eine große Anzahl verschiedener Schutzstufen und mehr als fünf Jahre Erfahrung im Betrieb dieser Lösungen, über das hohe Sicherheitsniveau neuer Technologien zu sprechen. Vergessen Sie unter anderem nicht, dass der Betrieb von Lithiumbatterien in unserer Branche wie „Gewächshausbedingungen“ für Li-Ion-Technologien aussieht: Im Gegensatz zu Ihrem Smartphone in der Tasche lässt niemand den Akku im Rechenzentrum fallen, überhitzt ihn, entlädt ihn jeden Tag aktiv im Puffermodus verwenden.
Sie können Details herausfinden und eine bestimmte Lösung mit Lithium-Ionen-Batterien für Ihren Server oder Ihr Rechenzentrum besprechen, indem Sie eine Anfrage an info@ot.ru senden oder eine Anfrage auf der Unternehmenswebsite www.ot.ru stellen.
OPEN TECHNOLOGIES - zuverlässige integrierte Lösungen von weltweit führenden Unternehmen, die speziell auf Ihre Ziele zugeschnitten sind.
Verfasser: Oleg Kulikov
Leitender Konstrukteur
Abteilung für Integrationslösungen
Open Technology Company