Jusqu'à présent, le problème de l'accumulation (accumulation) d'électricité existait sans aucun changement global, personne ne pouvait offrir une percée technologique dans ce domaine. Il s'agissait de la même batterie Gaston Plante de 1859 , modifiée par diverses technologies auxiliaires et équipée d'améliorations dans le domaine des procédés électrochimiques, de la lutte contre l'évolution de l'hydrogène, d'autres matériaux corporels, etc. Au tournant du début de 2000, différents types de batteries au lithium sont apparus qui se déplacent sûrement dans tous les domaines piles alcalines, calcium, AGM et gel standard. À l'heure actuelle, les batteries lithium-ion et lithium-polymère ont déjà conquis le marché de l'électroménager, la technologie a été développée et permet de fabriquer des batteries de toutes formes, capacités et tailles. Le temps est venu pour des solutions industrielles éprouvées basées sur des batteries au lithium. Je propose de comprendre pourquoi dans le serveur et les centres de données pour cette technologie l'avenir ...



Bien que cette technologie ne soit pas une percée cardinale, elle présente néanmoins un certain nombre d'avantages évidents. Et le plus intéressant pour les solutions industrielles dans le secteur informatique est la gravité spécifique des batteries par unité de surface avec une capacité comparable aux batteries au plomb. La même caractéristique peut être considérée comme la puissance spécifique des batteries par unité de masse - kW * h / kg. Mais, tout d'abord.

Réalités modernes pour les appareils électroménagers

Donc, aujourd'hui, chacun de nous a un téléphone dans sa poche dans lequel fonctionne une batterie au lithium, et cela est déjà familier à tout le monde.


Fig. 1. Batterie au nickel pour outils électriques


Fig. 2. Batterie au lithium pour outils électriques

Prenons un outil électrique portatif: hier encore, il s'agissait d'une batterie amovible fabriquée sur la base de l'assemblage de batteries au nickel Fig. 1 (auparavant au plomb). Aujourd'hui, nous voyons sur les étagères une énorme quantité d'outils électriques avec des batteries au lithium qui sont visuellement plus petits, compacts, légers, etc. Fig.2. Et qu'en est-il du prix dans le secteur domestique? Le même outil électrique avec des batteries au lithium n'est que légèrement plus cher (et parfois moins cher) par rapport à la génération sortante, et la facilité d'utilisation est indéniable.

A titre de comparaison:

1. La batterie nickel-cadmium standard pour un tournevis Makita, 12 V, 2,0 A * h, a une masse de 0,61 kg et des dimensions de 110x100x90 mm. Autrement dit, nous avons 0,305 kg / Ah * h. Lors de l'utilisation de telles batteries, un outil électrique domestique réduira la puissance (couple) et la vitesse dans un état proche d'une décharge complète de la batterie. Garantie - 1 an. Le coût de plus de 2000 roubles.
2. Une batterie lithium-ion pour un tournevis du même fabricant (Makita), d'une tension de 10,8 V, 2,0 Ah * aura une masse de 270 grammes et des dimensions 220x190x42 mm. Autrement dit, nous avons 0,135 kg / A * h. Garantie - 5 ans, le coût d'environ 1200 roubles. Lors de l'utilisation de telles batteries, un outil électrique domestique sur toute la capacité de la batterie aura la même puissance (couple) et la plage de vitesse complète, mais lorsqu'il atteindra la capacité minimale, il cessera simplement de fonctionner en raison du circuit de protection contre la décharge profonde des batteries.

La différence de gravité spécifique des différents types de batteries (Ampère * heure) atteint 2,2 fois, c'est-à-dire que dans un kilogramme de batterie au lithium, elle sera 2,2 fois supérieure à la capacité. Mais c'est une comparaison biaisée, car les batteries ont des tensions différentes. Essayons de recalculer les valeurs de puissance spécifiques W / kg, et nous obtenons: pour une batterie nickel-cadmium 39,3 W / kg, et pour une batterie au lithium - 80 W / kg. La différence a plus que doublé.

Il convient de noter que pour les tournevis et autres appareils ménagers énergivores, des batteries lithium-ion à courant élevé sont utilisées, qui fournissent un courant de retour élevé en peu de temps. Dans ce cas, la tension chute à travers la batterie en dessous du niveau de protection de la batterie Li-Ion contre une décharge excessive. Un scénario similaire est possible pour les modes de vissage et de dévissage de vis lourdes, d'écrous et d'autres outils électriques, et dans les modèles radiocommandés lorsque la machine démarre.

Quels sont donc les principaux avantages des batteries au lithium par rapport aux différents types de batteries à électrolyte classiques?


Fig.3. Graphique de l'énergie spécifique par rapport à la puissance spécifique de différents types de batteries

1. Grande puissance et consommation d'énergie par unité de masse. La figure 3 montre la dépendance de la puissance spécifique de différents types de batteries (l'échelle verticale Watt / kg par rapport à l'énergie spécifique (l'échelle horizontale Watt * h / kg)), qu'un autre type de batterie peut fournir. Autrement dit, plus la batterie est chargée (respectivement en courant), moins elle fonctionnera en minutes et en heures. Comme vous pouvez le voir, les batteries au lithium sont situées sur les parties diamétralement opposées du graphique par rapport aux batteries plomb-acide classiques. On peut également comprendre d'après la figure que les batteries au lithium ont des caractéristiques différentes selon le type, mais sont en général capables de renoncer rapidement à l'énergie stockée;
2. un tiers de gravité spécifique en moins par rapport aux batteries au plomb;
3. manque d'effet de "mémoire". Autrement dit, les batteries à base de lithium-polymère ne réduisent pas leur capacité lorsqu'elles fonctionnent en mode décharge partielle. Par exemple, les batteries au nickel-cadmium ou au nickel-manganèse démontrent cet effet sous la forme de cycles répétés de charge-décharge partielle, ce qui conduit finalement au fait que la batterie "se souvient" de la plus faible capacité disponible;
4. un plus grand nombre de cycles de décharge-charge par rapport aux batteries au plomb;
5. manque d'hydrogène ou de gaz nocifs, explosifs et dangereux pour le feu. Comme le montre la figure 4, aucun dégagement de gaz ne se produit dans les processus chimiques des batteries Li-ION.

Le principe de fonctionnement d'une batterie lithium-ion

En tant que tel, il n'y a pas d'électrolyte à l'état libre dans une batterie au lithium. Au lieu de cela, un séparateur poreux imprégné d'un électrolyte est utilisé. Il utilise des ions lithium, qui sont liés par des molécules de métaux supplémentaires. Lorsque la batterie est déchargée, la transition des ions de l'électrode négative (cathode) au positif (anode) et vice versa lors de la charge. Le circuit de la batterie nécessite un séparateur de séparation entre les deux parties de la cellule, cela est nécessaire pour empêcher le mouvement spontané des ions lithium. Les schémas des processus chimiques des batteries au plomb et au lithium-ion sont illustrés sur la figure.


Fig. 4. Procédés chimiques dans les batteries au plomb et les batteries au lithium

La classe des batteries lithium-ion peut être divisée en sous-espèces en fonction du principal matériau chimique, ce qui confère à la batterie ses propriétés inhérentes uniques:



Si nous comparons cette classification avec la figure 3, les batteries de type LFP peuvent être attribuées à la classe de haute énergie et les OVM au lithium-manganèse à la classe de puissance moyenne.

Si nous considérons uniquement l'énergie spécifique de différents types de batteries, la structure est la suivante:


Fig. 5. L'énergie spécifique de différents types de batteries (basée sur batteryuniversity.com)

La classe des batteries lithium-ion peut être divisée en sous-espèces selon le facteur de forme:



La taille la plus courante des batteries lithium-ion est des cylindres de 65 mm de haut, légèrement plus grands que la batterie AA classique, qui est utilisée dans la plupart des appareils ménagers et des télécommandes.

A partir de ce type de batterie, des batteries pour vélos électriques, des scooters électriques sont en cours de fabrication, ce sont les batteries que l'on trouve dans tous les ordinateurs portables «non modernes». De plus, les batteries des premières versions des véhicules TESLA ont été assemblées à partir de telles batteries au lithium. Voir >>


Fig. 6. Apparence d'une batterie cylindrique LIP

Le leader du marché dans la production de cellules prismatiques est désormais Samsung CDI, une division d'une société bien connue. Dans le domaine des solutions industrielles, les cellules et batteries LMO (modules) ont été développées et utilisées avec succès. Une cellule de tension standard de 3,7 V a une capacité de 67 A * h, le module est assemblé à partir de 8 cellules, a une masse de 17 kg, une tension de 24 à 33,6 V et une énergie spécifique de 140 W * h / kg.


Fig. 7 Apparence du LMO à cellule prismatique Samsung

Après le battage médiatique avec les voitures électriques, les voitures hybrides et les transports publics, il était temps de passer activement aux batteries Li-Ion pour les solutions d'onduleurs industriels.

Par exemple, le segment "basse énergie" des solutions industrielles passe activement aux batteries lithium-ion. Les fournisseurs d'équipements de systèmes de sécurité suivent également leurs solutions au lithium pour la sauvegarde des systèmes d'incendie et de sécurité. L'accent principal est mis sur l'absence de nécessité de remplacer les piles dans un délai de 10 ans, au lieu des 2 ans habituels. Une tendance similaire est observée dans le domaine des systèmes d'alerte et de contrôle d'évacuation (systèmes SOUE), qui s'appliquent également aux systèmes de lutte contre l'incendie. Auparavant, ces systèmes étaient équipés de batteries au plomb. Au bout de 2 à 3 ans, la batterie au plomb des systèmes d'avertissement a déjà gravement perdu sa capacité chez le client qui exploitait ces systèmes, et il n'y avait souvent pas assez d'argent pour mettre à jour les batteries. Ainsi, les systèmes d'incendie et d'évacuation de l'installation étaient nominalement pleinement opérationnels, mais ne pouvaient en fait pas fonctionner sur batterie en cas d'urgence. Et pour l'évacuation en toute sécurité des personnes, en fonction de l'objet, est donné au moins 30 minutes.

Si vous utilisez des piles au lithium, vous pouvez oublier ces problèmes.

Si vous regardez l'analyse de la production et de l'utilisation de différents types de batteries, par exemple, ici, nous pouvons dire que `` cela concerne les batteries, les estimations actuelles des coûts de leur installation varient de 200 $ à 800 $ pour 1 kW de capacité installée. Les coûts les plus bas correspondent aux batteries au plomb, car elles se trouvent à un stade de développement technologique plus élevé. Cette plage correspond à la frontière de coût le plus bas pour le PSPP, mais elle est beaucoup plus faible que les autres technologies de stockage potentielles et nouvelles. Cependant, le principal inconvénient du plomb-acide et d'autres AA est leur faible durée de vie par rapport aux PSPP, qui ont une durée de vie beaucoup plus longue. "La durée de vie de la batterie varie considérablement en fonction de la fréquence d'utilisation, du taux de décharge et du nombre de cycles de décharge profonde."



Comme nous pouvons le voir, les taux de croissance projetés des batteries au lithium dépassent de loin les perspectives des batteries conventionnelles. En Russie, en 2017, sur le site Web du ministère de l'Énergie de la Fédération de Russie, le Concept pour le développement du marché des systèmes de stockage d'électricité en Fédération de Russie a été publié, qui comprenait, entre autres, la production de batteries Li-Ion, «... il y a un arriéré de production en Russie, mais il doit être développé.» Le document prévoit une diminution du coût des systèmes de stockage d'énergie de différents types, en particulier pour les batteries Li-Ion, une diminution du coût de 550 $ / kWh en 2016 à 300 $ / kWh d'ici 2025 est projetée. Si les prévisions de Navigant Research sont correctes, le coût des batteries au lithium diminuera encore de 40% par rapport au niveau de prix actuel.

Mais qu'en est-il de la puissance de l'équipement informatique des serveurs et des centres de données? Voyons voir.
Le vrai cas.
Un de nos clients nous a demandé de l'aider à résoudre le problème d'alimentation d'un petit serveur. Cela ne semble rien de compliqué, le travail habituel pour nous, dans lequel nous comprenons mieux que quiconque.

Mais il existe quatre facteurs de complication qui sont essentiels pour le client:

1. La capacité portante des étages de la salle où il était prévu de placer la salle des serveurs est très faible (pas plus de 300 kg / m 2), la salle elle-même est assez exigüe et est située au 4ème étage d'un immeuble de bureaux de classe A.
2. Le client voulait être sûr de la fiabilité de l'alimentation du serveur en cas de panne de courant et, pour des raisons d'espace de location coûteux, il souhaitait placer l'onduleur directement dans la salle des serveurs.
3. La durée de vie de la batterie de l'onduleur était censée fournir un minimum de 40 minutes de fonctionnement ininterrompu, et c'était le cas avec le schéma d'alimentation 2N, c'est-à-dire avec deux onduleurs et une paire de batteries identiques.
4. En train de s'entendre sur les principales solutions techniques, il y avait un désir d'allouer une partie de la salle des serveurs pour les besoins externes, c'est-à-dire pour compacter davantage l'équipement

Fig. 8 Apparence de la disposition du serveur

Vous pouvez demander, qu'est-ce qui est si inhabituel?

Premièrement, le client avait déjà une expérience négative du fonctionnement de l'onduleur avec un ensemble de batteries au plomb acide. Et voici comment c'était:

C'était la cinquième année après le début du fonctionnement d'un onduleur suffisamment puissant, les armoires de batteries fonctionnaient dans des conditions normales, le climat dans la pièce avec des batteries était fourni stable et normalisé. L'onduleur lui-même a démontré sa volonté de fournir la salle des serveurs pendant 15 minutes en cas de panne de courant. Il semble qu'il était temps d'avoir déjà changé toutes les batteries avant la fin de l'opération, mais aucune décision n'a été prise de les remplacer. Et puis un beau moment il y a une déconnexion soudaine du réseau de la ville. Pensez-vous que le système UPS a fonctionné pendant au moins 1 à 3 minutes pour terminer les services sur l'équipement? Peu importe comment. Le pire est arrivé: l'onduleur n'est pas passé aux batteries, en raison d'un dysfonctionnement de l'un d'entre eux, tous les serveurs et services qui fonctionnaient à ce moment «sont tombés en panne». Heureusement, ce n'était pas une banque, mais une colocalisation , et le scandale était en quelque sorte réglé.

Le fait est que le système de surveillance de batterie classique ne donne pas une idée objective de l'état de chaque batterie dans la règle, dans l'armoire. Une batterie défectueuse ne peut être détectée qu'en appliquant des mesures clairement réglementées pour vérifier la capacité et le bon fonctionnement de chaque batterie au plomb. S'il y a une batterie défectueuse, la gamme complète de batteries au plomb doit être remplacée et des mesures pour surveiller l'état de chaque batterie n'ont pas été prises pour des raisons objectives:

• fonctionnement 24 heures sur 24 des équipements informatiques - la mise hors service d'un système d'alimentation électrique sans coupure entraînerait un risque de baisse de tous les services si l'alimentation électrique était déconnectée de la ville à ce moment;
• absence de contrat avec une organisation spécialisée pour la maintenance des onduleurs et des batteries, car au moment du refus, les questions juridiques de l'extension du contrat de service n'étaient pas convenues;
• Indications et prévisions «calmantes» de la durée de vie de la batterie sur l'écran de l'onduleur et les systèmes de surveillance de l'état de l'onduleur
• expérience de la transition normale de l'onduleur aux batteries en cas de panne de courant il y a six mois.

Fig.9. La durée de vie prévue de la batterie de l'onduleur à la veille de l'accident dans le centre de données

Deuxièmement, les calculs ont montré qu'il est impossible d'installer deux armoires de batteries pesant chacune 980 kg dans la salle des serveurs, car la charge sur les plafonds des racks de serveurs et des équipements associés est déjà maximale. Le développement et l'installation d'un châssis de déchargement en acier sous l'armoire de batteries ont été nécessaires. Cela, à son tour, a causé beaucoup de problèmes d'organisation: en garantissant le temps d'arrêt de toute la salle des serveurs, le cadre doit être boulonné (le soudage n'est pas possible dans le bureau actuel), etc.


Fig. 10. Armoire à batteries avec batteries conventionnelles (à gauche) et avec cellules lithium-ion (à droite)


Fig. 11. Réseau de batteries avec cellules lithium-ion dans un grand centre de données


Fig. 12. Apparition d'une cellule de batterie lithium-ion avec une carte de surveillance BMS (Battery Monitoring System)

Comment sortir de la situation?

Nous avons proposé une solution pour UPS à batterie au lithium, qui a permis:

1. Pour réduire le poids de l'armoire de batterie à 550 kg, ce qui a éliminé à son tour le besoin de mesures pour renforcer les planchers.
2. Pour augmenter jusqu'à 40 minutes la durée de vie de la batterie de l'onduleur lorsque l'alimentation est coupée, ce qui a eu une incidence positive sur la fiabilité de l'équipement informatique du client.

La durée de vie des batteries Li-ion était de 10 ans, soit 3 à 5 ans pour les batteries VRLA conventionnelles.
Dans le cadre de cette solution, il existe un système avancé de surveillance de l'état et de charge des batteries (BMS), qui vous permet d'avoir des informations sur l'état de chaque cellule de batterie.
Le niveau de décharge de la batterie lors de courtes interruptions de l'alimentation n'affecte pas la durée de vie de l'ensemble de la baie en général et est supérieur à 5000 cycles, avec une ressource de batteries au plomb acide de 500 cycles et 3-4 ans maximum.
Le mode de fonctionnement en température des batteries au lithium n'est pas critique du tout, les différences de température à l'intérieur de l'armoire de batteries n'affectent pas la durée de vie des batteries dans son ensemble.
Il n'y a plus besoin d'approvisionnement et de ventilation d'échappement de la pièce, car lors de l'utilisation de batteries Li-ion, il n'y a en principe pas de dégagement d'hydrogène.


Fig. 13. L'apparence du serveur

Dans ce projet, le client s'est intéressé à des solutions pour la protection locale des postes de travail d'importants employés d'UPS d'une capacité de 1000 VA, également avec des batteries au lithium. La différence de coût de ce type d'UPS était d'environ 400 $ - plus cher que la configuration standard, cependant, les avantages de cette solution nous ont permis de penser à choisir des coûts d'investissement plus élevés (CAPEX) afin de réduire les coûts d'exploitation à l'avenir.


Fig.14. Apparence d'UPS avec batteries au lithium pour protéger les postes de travail

Comparons les types de modèles d'onduleurs monophasés fabriqués par APC by Schneider Electric avec des modules de batteries au lithium et au plomb.





Quelles conclusions peuvent être tirées des tableaux ci-dessous:

1. 900 32 , VRLA 700 14 .
2. /CAPEX/.
3. , . - 25°C . , , , 2 , .
4. , , . Li-Ion .
5. – 5, – 2 .

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

, 10 .





, OPEX TCO, . ( ) , , , 5-7 . ?

, , , , «» , , -, , . , , , . .

. ?

Samsung U6-M035



, 550 , . – , «» :

1. MCCB – , BMS . . () . : ( );


Fig. 15 Li-Ion

2. «» : , (470 ), , .


Fig. 16.

3. — , , , , 250°C.


Fig. 17.

(power bank), . – , . « »



-- (LFP), «», «». «» - (). .



off-line , . , . BMS .

«» , 80% 3000 -, , - . - 40%, «» , 3000 20%. «» 5000-7000 . , , ( 3,75 ), ( 2 ), BMS (Battery management system) .

Conclusion

- . , , , 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. Livre blanc: Types de batterie pour les onduleurs monophasés: comparaison de la batterie au plomb-acide à régulation par valve (VRLA) avec la batterie Li-ion Schneider Electric, 2016
3. Livre blanc n ° 229, «Technologie de batterie de centre de données: comparaison d'une batterie au plomb-acide au lithium avec une vanne de régulation (VRLA)», Schneider Electric, 2016
4. «Concept for the development of electric power storage systems in the Russian Federation», Ministère de l'énergie de la Fédération de Russie, 21 août 2017.