Hingga saat ini, masalah akumulasi (akumulasi) listrik ada tanpa ada perubahan global, tidak ada yang bisa menawarkan terobosan teknologi di bidang ini. Itu adalah baterai Gaston Plante yang sama pada tahun 1859 , dimodifikasi oleh berbagai teknologi tambahan dan dilengkapi dengan peningkatan di bidang proses elektrokimia, memerangi evolusi hidrogen, bahan tubuh lainnya, dll. Pada pergantian awal tahun 2000, berbagai jenis baterai lithium muncul yang pasti menggantikan di semua area baterai alkaline, kalsium, AGM dan gel standar. Saat ini, baterai lithium-ion dan lithium-polimer telah menaklukkan pasar peralatan rumah tangga, teknologinya telah dikembangkan dan memungkinkan pembuatan baterai dalam berbagai bentuk, kapasitas dan ukuran. Waktunya telah tiba untuk solusi industri yang telah terbukti berdasarkan baterai lithium. Saya mengusulkan untuk memahami mengapa di server dan pusat data untuk teknologi ini di masa depan ...



Meskipun teknologi ini bukan merupakan terobosan utama, ia masih memiliki sejumlah keunggulan yang jelas. Dan yang paling menarik untuk solusi industri di sektor TI adalah gravitasi spesifik baterai per unit area dengan kapasitas yang sebanding dengan baterai timbal. Karakteristik yang sama dapat dianggap sebagai daya spesifik baterai per unit massa - kW * h / kg. Tapi, hal pertama yang pertama.

Realitas modern untuk peralatan rumah tangga

Jadi, hari ini masing-masing dari kita memiliki telepon di saku kita di mana baterai lithium berfungsi, dan ini sudah akrab bagi semua orang.


Fig. 1. Baterai nikel untuk alat-alat listrik


Fig. 2. Baterai lithium untuk alat-alat listrik

Ambil alat listrik genggam: baru kemarin itu baterai dilepas yang dibuat berdasarkan perakitan baterai nikel. Gambar 1 (sebelumnya timah). Hari ini kita melihat di rak-rak sejumlah besar alat-alat listrik dengan baterai lithium yang secara visual lebih kecil, kompak, ringan, dll. Fig. 2. Lalu bagaimana dengan harga di sektor domestik? Alat listrik yang sama dengan baterai lithium hanya sedikit lebih mahal (dan kadang-kadang lebih murah) dalam kaitannya dengan generasi keluar, dan kemudahan penggunaan tidak dapat dipungkiri.

Sebagai perbandingan:

1. Baterai nikel-kadmium standar untuk obeng Makita, 12 V, 2.0 A * h, memiliki massa 0,61 kg dan dimensi 110x100x90 mm. Artinya, kita memiliki 0,305 kg / Ah * h. Saat menggunakan baterai seperti itu, alat listrik rumah tangga akan mengurangi daya (torsi) dan kecepatan dalam keadaan mendekati debit baterai penuh. Garansi - 1 tahun. Biaya lebih dari 2000 rubel.
2. Baterai lithium-ion untuk obeng dari pabrikan yang sama (Makita), dengan tegangan 10,8 V, 2,0 Ah * akan memiliki massa 270 gram dan dimensi 220x190x42 mm. Artinya, kita memiliki 0,135 kg / A * h. Garansi - 5 tahun, biaya sekitar 1200 rubel. Saat menggunakan baterai seperti itu, alat listrik rumah tangga di atas seluruh kapasitas baterai akan memiliki daya (torsi) yang sama dan rentang kecepatan penuh, tetapi ketika mencapai kapasitas minimum, itu hanya akan berhenti bekerja sebagai akibat dari rangkaian perlindungan dari pelepasan baterai yang dalam.

Perbedaan dalam gravitasi spesifik dari berbagai jenis baterai (Ampere * jam) mencapai 2,2 kali, yaitu, dalam satu kilogram baterai lithium akan 2,2 kali lebih besar dari kapasitas. Tetapi ini adalah perbandingan yang bias, karena baterai memiliki voltase berbeda. Mari kita coba untuk menghitung ulang nilai daya spesifik W / kg, dan kita dapatkan: untuk baterai nikel-kadmium 39,3 W / kg, dan untuk baterai lithium - 80 W / kg. Perbedaannya lebih dari dua kali lipat.

Perlu dicatat bahwa untuk obeng dan perangkat rumah tangga yang mengkonsumsi energi, baterai dengan arus tinggi lithium-ion digunakan, yang memberikan arus balik yang tinggi dalam waktu singkat. Dalam hal ini, tegangan turun pada baterai di bawah tingkat perlindungan baterai Li-Ion dari kelebihan muatan dalam. Skenario serupa juga dimungkinkan untuk mode obeng dan sekrup sekrup berat, mur, dan perkakas listrik lainnya, dan dalam model yang dikendalikan radio ketika mesin dinyalakan.

Jadi apa keunggulan utama baterai lithium dibandingkan dengan berbagai jenis baterai elektrolit klasik?


Fig. 3. Grafik energi spesifik versus daya spesifik berbagai jenis baterai

1. Konsumsi daya dan energi besar per satuan massa. Gambar 3 menunjukkan ketergantungan daya spesifik berbagai jenis baterai (skala Watt / kg vertikal versus energi spesifik (skala Watt * h / kg horizontal)), yang dapat dihasilkan oleh berbagai jenis baterai. Sederhananya - semakin banyak arus (masing-masing, daya) memberikan baterai ke beban, semakin sedikit waktu akan bekerja dalam hitungan menit dan jam. Seperti yang Anda lihat, baterai berbasis litium terletak pada bagian grafik yang berlawanan secara diametral dibandingkan dengan baterai timbal-asam klasik. Dapat juga dipahami dari gambar bahwa baterai lithium memiliki karakteristik yang berbeda tergantung pada jenisnya, tetapi secara umum dapat dengan cepat melepaskan energi yang tersimpan;
2. sepertiga gravitasi kurang spesifik dibandingkan dengan baterai timbal;
3. kurangnya efek "memori". Artinya, baterai berbasis polimer lithium tidak mengurangi kapasitasnya saat beroperasi dalam mode pelepasan sebagian. Misalnya, baterai nikel-kadmium atau nikel-mangan menunjukkan efek ini dalam mode siklus pengisian-pengosongan parsial berulang, yang pada akhirnya mengarah pada fakta bahwa baterai "mengingat" kapasitas yang lebih rendah yang tersedia;
4. lebih banyak siklus pengisian daya dibandingkan dengan baterai timbal;
5. kekurangan hidrogen atau gas berbahaya yang berbahaya dan meledak-ledak. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 4, sama sekali tidak ada evolusi gas terjadi dalam proses kimia dalam baterai Li-ION.

Prinsip pengoperasian baterai lithium-ion

Dengan demikian, tidak ada elektrolit dalam keadaan bebas di baterai lithium. Sebaliknya, pemisah berpori diresapi dengan elektrolit digunakan. Ia menggunakan ion lithium, yang terikat oleh molekul logam tambahan. Ketika baterai habis, transisi ion dari elektroda negatif (katoda) ke positif (anoda) dan sebaliknya saat pengisian. Sirkuit baterai memerlukan separator pemisah antara dua bagian sel, ini diperlukan untuk mencegah pergerakan spontan ion lithium. Skema proses kimia baterai timbal dan lithium-ion ditunjukkan pada gambar.


Fig. 4. Proses kimia dalam baterai timbal dan baterai lithium

Kelas baterai lithium-ion dapat dibagi menjadi beberapa subspesies sesuai dengan bahan kimia utama, yang memberikan baterai sifat yang unik dan melekat:



Jika kita membandingkan klasifikasi ini dengan Gambar. 3, maka baterai tipe LFP dapat dikaitkan dengan kelas energi tinggi, dan LMO lithium-mangan ke kelas daya energi menengah.

Jika kita hanya mempertimbangkan energi spesifik dari berbagai jenis baterai, maka strukturnya adalah sebagai berikut:


Fig. 5. Energi spesifik berbagai jenis baterai (berdasarkan batteryuniversity.com)

Kelas baterai lithium-ion dapat dibagi menjadi beberapa subspesies sesuai dengan faktor bentuk:



Ukuran baterai lithium-ion yang paling umum adalah silinder setinggi 65 mm, sedikit lebih besar dari baterai AA klasik, yang digunakan di sebagian besar perangkat rumah tangga dan kendali jarak jauh.

Dari jenis baterai ini, baterai untuk sepeda listrik, skuter listrik saat ini sedang dibuat, ini adalah baterai yang ditemukan di laptop "non-modern". Selain itu, baterai rilis pertama kendaraan TESLA dirakit dari baterai lithium tersebut. Lihat >>


Fig. 6. Penampilan baterai LIP silinder

Pemimpin pasar dalam produksi sel prismatik sekarang adalah Samsung CDI, sebuah divisi dari sebuah perusahaan terkenal. Di bidang solusi industri, sel dan baterai LMO (modul) telah dikembangkan dan berhasil digunakan. Sel tegangan standar 3.7V memiliki kapasitas 67A * jam, modul ini dirakit dari 8 sel, memiliki massa 17 kg, tegangan 24-33.6V, dan energi spesifik 140W * h / kg.


Gambar. 7 Penampilan LMO sel prismatik Samsung

Setelah hype dengan mobil listrik, mobil hybrid dan angkutan umum dimulai, tiba saatnya untuk transisi aktif ke baterai Li-Ion untuk solusi UPS industri.

Misalnya, segmen "energi rendah" dari solusi industri secara aktif beralih ke baterai lithium-ion. Pemasok peralatan sistem keamanan juga mengikuti solusi lithium mereka untuk mendukung sistem keamanan dan kebakaran. Penekanan utama adalah pada tidak adanya kebutuhan untuk mengganti baterai dalam 10 tahun, bukan 2 tahun biasa. Kecenderungan serupa diamati di bidang sistem peringatan dan kontrol evakuasi (sistem SOUE), yang juga berlaku untuk sistem pemadam kebakaran. Sebelumnya, sistem tersebut dilengkapi dengan baterai timbal-asam. Setelah 2-3 tahun, baterai utama dalam sistem peringatan telah kehilangan kapasitasnya secara kritis pada pelanggan yang mengoperasikan sistem seperti itu, dan sering kali tidak ada cukup uang untuk memperbarui baterai. Dengan demikian, sistem kebakaran dan evakuasi fasilitas secara operasional sepenuhnya nominal, tetapi pada kenyataannya tidak dapat menyediakan operasi baterai jika terjadi keadaan darurat. Dan untuk evakuasi orang yang aman, tergantung objeknya, diberikan setidaknya 30 menit.

Jika Anda menggunakan baterai lithium, Anda bisa melupakan masalah seperti itu.

Jika Anda melihat analitik produksi dan penggunaan berbagai jenis baterai, misalnya, di sini, kita dapat mengatakan bahwa “... ini menyangkut baterai, perkiraan biaya saat ini berkisar antara $ 200 hingga $ 800 per 1 kW kapasitas terpasang. Biaya terendah sesuai dengan baterai timbal-asam, karena mereka berada pada tahap pengembangan teknologi yang lebih tinggi. Kisaran ini sesuai dengan batas biaya yang lebih rendah untuk PSPP, tetapi jauh lebih rendah daripada teknologi penyimpanan potensial dan baru lainnya. Namun, kelemahan utama dari timbal-asam dan AAS lainnya adalah masa hidup yang rendah dibandingkan dengan PSPP, yang memiliki masa kerja lebih lama. "Masa pakai baterai bervariasi secara signifikan tergantung pada frekuensi penggunaan, tingkat pengosongan dan jumlah siklus pengosongan dalam."



Seperti yang dapat kita lihat, tingkat pertumbuhan baterai lithium yang diproyeksikan jauh melebihi prospek baterai konvensional. Di Rusia, pada 2017, di situs web Kementerian Energi Federasi Rusia, Konsep Pengembangan Pasar untuk Sistem Penyimpanan Listrik di Federasi Rusia diterbitkan, yang mencakup, antara lain, produksi baterai Li-Ion, "... ada tumpukan produksi di Rusia, tetapi perlu dikembangkan." Dokumen ini memperkirakan penurunan biaya sistem penyimpanan energi dari berbagai jenis, khususnya untuk baterai Li-Ion, penurunan biaya dari $ 550 / kWh pada tahun 2016 menjadi $ 300 / kWh pada tahun 2025 diproyeksikan. Jika perkiraan Navigant Research benar, maka biaya baterai lithium akan berkurang 40% relatif terhadap tingkat harga saat ini.

Tapi bagaimana dengan kekuatan peralatan IT di server dan pusat data? Ayo lihat.
Kasus nyata.
Salah satu pelanggan kami meminta kami untuk membantu memecahkan masalah daya server kecil. Tampaknya tidak ada yang rumit, pekerjaan yang biasa bagi kita, di mana kita memahami lebih baik daripada orang lain.

Tetapi ada empat faktor rumit yang sangat penting bagi pelanggan:

1. Daya dukung lantai ruang di mana ia direncanakan untuk menempatkan ruang server sangat kecil (tidak lebih dari 300 kg / m2), ruangan itu sendiri cukup sempit dan terletak di lantai 4 sebuah gedung perkantoran kelas A.
2. Pelanggan ingin memastikan keandalan catu daya server jika terjadi pemadaman listrik dan, karena alasan ruang sewa yang mahal, ia ingin menempatkan UPS langsung di ruang server.
3. Masa pakai baterai UPS seharusnya memberikan operasi tanpa gangguan minimum selama 40 menit, dan ini adalah kasus dengan skema daya 2N, yaitu, dengan dua UPS dan sepasang baterai yang identik.
4. Dalam proses menyepakati solusi teknis utama, ada keinginan untuk mengalokasikan bagian dari ruang server untuk kebutuhan eksternal, yaitu, untuk lebih memadatkan peralatan

Gbr. 8 Tampilan tata letak server

Anda mungkin bertanya, apa yang tidak biasa?

Pertama, pelanggan sudah memiliki pengalaman negatif dalam mengoperasikan UPS dengan berbagai baterai asam timbal. Dan begitulah adanya:

Itu adalah tahun kelima setelah dimulainya operasi UPS yang cukup kuat, kabinet baterai dioperasikan dalam kondisi normal, iklim di ruangan dengan baterai disediakan stabil dan dinormalisasi. UPS sendiri menunjukkan kesediaannya untuk menyediakan ruang server selama 15 menit jika terjadi pemadaman listrik. Tampaknya sudah waktunya untuk mengganti semua baterai dengan masa operasi, tetapi tidak ada keputusan untuk menggantinya. Dan kemudian suatu saat yang baik tiba-tiba ada pemutusan jaringan dari kota. Apakah Anda pikir sistem UPS telah bekerja setidaknya 1-3 menit untuk menyelesaikan layanan pada peralatan? Bagaimanapun caranya. Yang terburuk terjadi: UPS tidak beralih ke baterai, karena kegagalan fungsi salah satunya, semua server dan layanan yang berjalan pada saat itu "turun". Untungnya, itu bukan bank, tapi lokasi bersama , dan skandal itu entah bagaimana diselesaikan.

Masalahnya adalah bahwa sistem pemantauan baterai klasik tidak memberikan ide objektif tentang status setiap baterai di penggaris, di kabinet. Baterai yang rusak hanya dapat dideteksi dengan melakukan langkah-langkah yang diatur dengan jelas untuk memeriksa kapasitas dan kemampuan servis setiap baterai timbal. Jika ada baterai yang rusak, seluruh rangkaian baterai timbal-asam harus diganti, dan langkah-langkah untuk memantau kondisi masing-masing baterai tidak dilakukan karena alasan obyektif:

• operasi peralatan TI sepanjang waktu - menonaktifkan sistem pasokan daya yang tidak pernah terputus akan berarti risiko penurunan semua layanan jika pasokan listrik terputus dari kota pada saat itu;
• kurangnya kontrak dengan organisasi khusus untuk pemeliharaan UPS dan baterai, karena pada saat penolakan masalah hukum perpanjangan kontrak layanan tidak disetujui;
• Indikasi dan perkiraan "Menenangkan" masa pakai baterai pada tampilan UPS dan sistem pemantauan status UPS;
• pengalaman transisi normal dari UPS ke baterai jika terjadi kegagalan daya enam bulan yang lalu.

Gambar 9. Perkiraan masa pakai baterai pada UPS menjelang kecelakaan di pusat data

Kedua, perhitungan menunjukkan bahwa tidak mungkin untuk menginstal dua lemari baterai dengan berat masing-masing 980 kg di ruang server, karena beban di langit-langit dari rak server dan peralatan terkait sudah maksimal. Dibutuhkan pengembangan dan pemasangan rangka pembongkaran baja di bawah kabinet baterai. Ini, pada gilirannya, menyebabkan banyak masalah organisasi: memastikan down-time seluruh ruang server, frame harus dibaut (pengelasan tidak mungkin di kantor saat ini), dan seterusnya ...


Fig. 10. Kabinet baterai dengan baterai konvensional (kiri) dan dengan sel lithium-ion (kanan)


Fig. 11. Array baterai dengan sel lithium-ion di pusat data yang besar


Fig. 12. Penampilan sel baterai lithium-ion dengan papan pemantauan BMS (Battery Monitoring System)

Apa jalan keluar dari situasi ini?

Kami telah mengusulkan solusi untuk baterai lithium, yang memungkinkan:

1. Untuk mengurangi berat kabinet baterai menjadi 550 kg, yang pada gilirannya menghilangkan kebutuhan untuk memperkuat lantai.
2. Untuk menambah masa pakai baterai UPS hingga 40 menit ketika daya dimatikan, yang secara positif memengaruhi keandalan peralatan TI pelanggan.

Masa pakai baterai pada baterai Li-ion adalah 10 tahun, yaitu 3-5 tahun untuk baterai VRLA konvensional.
Sebagai bagian dari solusi ini, ada sistem canggih untuk memantau status dan pengisian baterai (BMS), yang memungkinkan Anda memiliki informasi tentang status setiap sel baterai.
Tingkat pelepasan baterai selama gangguan pendek pada catu daya tidak memengaruhi umur seluruh array secara umum dan lebih dari 5000 siklus, dengan sumber daya baterai asam timbal 500 siklus dan maksimum 3-4 tahun.
Mode suhu pengoperasian baterai lithium sama sekali tidak kritis, perbedaan suhu dalam kabinet baterai tidak mempengaruhi masa pakai baterai secara keseluruhan.
Tidak ada lagi kebutuhan untuk ventilasi pasokan dan pembuangan ruangan, karena ketika menggunakan baterai Li-ion pada prinsipnya tidak ada evolusi hidrogen.


Fig. 13. Munculnya server

Dalam proyek ini, pelanggan menjadi tertarik pada solusi untuk perlindungan lokal terhadap workstation karyawan penting UPS dengan kapasitas 1000 VA, juga dengan baterai lithium. Perbedaan dalam biaya jenis UPS ini adalah sekitar $ 400 - lebih mahal daripada konfigurasi standar, namun, keuntungan dari solusi ini memungkinkan kami untuk berpikir tentang memilih biaya modal yang lebih tinggi (CAPEX) untuk mengurangi biaya operasi di masa depan.


Fig. 14. Penampilan UPS dengan baterai lithium untuk melindungi stasiun kerja

Mari kita bandingkan jenis model UPS fase tunggal yang diproduksi oleh APC oleh Schneider Electric dengan modul baterai lithium dan timbal-asam.





Kesimpulan apa yang bisa ditarik dari tabel di bawah ini:

1. UPS dengan baterai lithium akan menyediakan beban 900 W selama 32 menit, sedangkan UPS dengan baterai VRLA terintegrasi dengan beban 700 W hanya 14 menit.
2. Biaya UPS konvensional dengan kotak baterai eksternal sebanding dengan biaya UPS dalam lithium / 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) .

Kesimpulan

- . , , , 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 commercial

Dalam informasi material ini digunakan:

1. White Paper # 231, Pertanyaan yang Sering Diajukan tentang Menggunakan Paket Baterai Li-ion dengan UPS, Schneider Electric, 2016
2. White Paper: Jenis Baterai untuk UPS Fase Tunggal: Perbandingan Baterai Asam Teratur Regulasi (VRLA) Katup dengan Baterai Li-ion Schneider Electric, 2016
3. White Paper # 229, “Teknologi Baterai Pusat Data: Perbandingan Baterai Asam Timbal Li-Ion dengan Regulating Valve (VRLA),” Schneider Electric, 2016
4. "Konsep untuk pengembangan sistem penyimpanan tenaga listrik di Federasi Rusia", Kementerian Energi Federasi Rusia, 21 Agustus 2017.