Halo teman-teman!
Setelah publikasi artikel “UPS dan susunan baterai: di mana menginstal? Ya tunggu, ada banyak komentar tentang bahaya solusi Li-Ion untuk server dan pusat data. Karena itu, hari ini kami akan mencoba mencari tahu perbedaan antara solusi litium industri untuk UPS dari baterai di gadget Anda, bagaimana kondisi baterai di ruang server berbeda, mengapa baterai bertahan tidak lebih dari 2-3 tahun di telepon Li-Ion, dan di pusat data angka ini akan meningkat menjadi 10 tahun atau lebih. Mengapa risiko kebakaran lithium di pusat data / server minimal.
Ya, kecelakaan pada baterai UPS dimungkinkan terlepas dari jenis penyimpanan energi, tetapi mitos "bahaya kebakaran" dari solusi industri dalam lithium tidak benar.
Lagipula, banyak yang melihat video dengan api telepon dengan baterai lithium di dalam mobil yang bergerak di sepanjang jalan raya? Jadi, mari kita lihat, mencari tahu, membandingkan ...
Di sini kita melihat kasus khas dari pemanasan sendiri, akselerasi termal baterai telepon, yang menyebabkan insiden semacam itu. Anda akan berkata: DI SINI! Ini hanya telepon, hanya orang gila yang bisa meletakkannya di ruang server!
Saya yakin setelah mempelajari materi ini, pembaca akan mengubah sudut pandangnya tentang masalah ini.
Situasi saat ini di pasar pusat data
Bukan rahasia lagi bahwa pembangunan pusat data adalah investasi jangka panjang. Harga peralatan teknik saja bisa 50% dari biaya semua biaya modal. Cakrawala pengembalian adalah sekitar 10-15 tahun. Secara alami, ada keinginan untuk mengurangi total biaya kepemilikan selama siklus hidup pusat data, dan sepanjang jalan juga untuk peralatan teknik kompak, membebaskan ruang untuk muatan sebanyak mungkin.
Solusi optimalnya adalah UPS industri dari iterasi baru yang didasarkan pada baterai Li-Ion, yang telah lama menyingkirkan "penyakit masa kanak-kanak" dalam bentuk bahaya kebakaran, algoritma pengisian-debit yang salah, dan ditumbuhi banyak mekanisme perlindungan.
Dengan peningkatan kekuatan komputasi dan peralatan jaringan, permintaan UPS meningkat. Pada saat yang sama, peningkatan persyaratan untuk daya tahan baterai jika terjadi masalah dengan catu daya terpusat dan / atau kegagalan ketika memulai sumber daya cadangan jika terjadi aplikasi / ketersediaan set generator diesel.
Alasan utama, menurut kami, adalah dua:- Pertumbuhan cepat dalam volume informasi yang diproses dan dikirim
Misalnya saja pesawat penumpang baru Boeing
787 Dreamliner dalam satu penerbangan menghasilkan lebih dari 500 gigabytes informasi itu
perlu menyimpan dan memproses. - Pertumbuhan dinamika konsumsi listrik. Meskipun ada kecenderungan umum untuk mengurangi konsumsi energi dari peralatan TI, mengurangi konsumsi energi spesifik dari komponen elektronik.
Grafik konsumsi daya hanya dari satu pusat data aktif Tren yang sama ditunjukkan oleh perkiraan pasar pusat data di negara kita.Menurut
expert.ru , jumlah ruang rak yang ditugaskan lebih dari 20 ribu. "Jumlah ruang rak yang dioperasikan oleh 20 penyedia layanan pusat data terbesar pada 2017 meningkat sebesar 3% dan mencapai 22,4 ribu (data pada 1 Oktober 2017), ”kata laporan CNews Analytics. Menurut perkiraan agen konsultasi, pada tahun 2021, peningkatan masa inap diperkirakan mencapai 49 ribu. Artinya, dalam dua tahun kapasitas sebenarnya dari pusat data dapat berlipat ganda. Apa alasannya? Pertama-tama, dengan pertumbuhan informasi: disimpan dan diproses.
Selain awan, para pemain peringkat pengembangan pusat data di daerah sebagai poin pertumbuhan: mereka adalah satu-satunya segmen di mana cadangan untuk pengembangan bisnis dipertahankan. Menurut IKS-Consulting, pada tahun 2016, wilayah menyumbang hanya 10% dari semua sumber daya yang ditawarkan di pasar, sementara ibukota dan wilayah Moskow menduduki 73% dari pasar, dan wilayah St. Petersburg dan Leningrad - 17%. Di daerah, kekurangan sumber daya pusat data dengan tingkat toleransi kesalahan yang tinggi terus berlanjut.
Pada tahun 2025, menurut perkiraan, jumlah total data di dunia akan meningkat 10 kali lipat dibandingkan 2016.
Namun, seberapa aman lithium untuk server atau pusat data UPS?
Kerugian: mahalnya solusi Li-Ion.
Harga baterai lithium-ion masih tinggi dibandingkan dengan solusi standar. SE memperkirakan bahwa biaya awal untuk UPS daya tinggi lebih dari 100 kVA untuk solusi Li-Ion akan 1,5 kali lebih tinggi, tetapi pada akhirnya biaya kepemilikan akan 30-50%. Jika kita membuat perbandingan dengan kompleks industri militer di negara lain, inilah berita tentang
commissioning kapal selam Jepang dengan baterai Li-Ion. Cukup sering, baterai lithium-besi-fosfat (dalam foto-LFP) digunakan dalam solusi tersebut karena harganya yang relatif murah dan keamanan yang lebih besar.
Artikel itu menyebutkan bahwa $ 100 juta dihabiskan untuk baterai baru untuk kapal selam, mari kita coba untuk menghitung ulang ke nilai lain ...4,2 ribu ton perpindahan bawah laut dari kapal selam Jepang. Pemindahan permukaan - 2,95 ribu ton. Biasanya, 20-25% massa kapal adalah baterai. Dari sini kami membutuhkan sekitar 740 ton - baterai timbal-asam. Lebih lanjut: massa lithium kira-kira 1/3 baterai timbal-asam -> 246 ton lithium. Pada 70 kW * h / kg untuk Li-Ion kami mendapatkan sekitar 17 MW * jam kapasitas baterai. Dan perbedaan dalam massa baterai adalah sekitar 495 ton ... Di sini kita tidak memperhitungkan
baterai perak-seng , yang mengandung 14,5 ton perak per kapal selam, dan harganya 4 kali lipat biaya baterai asam timbal. Biarkan saya mengingatkan Anda bahwa baterai Li-Ion sekarang lebih mahal daripada VRLA hanya 1,5-2 kali, tergantung pada kekuatan solusinya.
Bagaimana dengan orang Jepang? Mereka ingat terlambat bahwa "penerangan kapal" sebesar 700 ton memerlukan perubahan dalam kelayakan, stabilitas ... Mungkin mereka harus menambahkan senjata di atas kapal untuk mengembalikan nilai desain untuk distribusi berat kapal.
Baterai lithium-ion juga lebih ringan dari baterai timbal-asam, sehingga proyek kapal selam tipe Soryu harus dirancang ulang untuk menjaga pemberat dan stabilitas.
Di Jepang, dua jenis baterai lithium-ion telah dibuat dan dioperasikan: lithium-nickel-cobalt-aluminium-oxide (NCA) yang diproduksi oleh GS Yuasa dan lithium-titanate (LTO) yang diproduksi oleh Toshiba Corporation. Armada Jepang akan menggunakan baterai NCA, sedangkan menurut Kobayashi dari Australia, baterai KPP diusulkan untuk digunakan pada kapal selam tipe Soryu dalam tender baru-baru ini.
Mengetahui sikap hormat terhadap keamanan di negara Matahari Terbit, dapat diasumsikan bahwa masalah keselamatan lithium mereka telah diselesaikan, diuji dan disertifikasi.
Risiko: bahaya kebakaran.Di sini kami akan mengatasinya untuk tujuan publikasi, karena pendapat tentang keamanan solusi ini ada secara diametris. Tapi ini semua liriknya, tapi bagaimana dengan solusi industri beton?
Masalah keamanan telah kita bahas dalam
artikel kami, tetapi sekali lagi berkutat pada masalah ini. Mari kita beralih ke gambar, di mana tingkat perlindungan modul dan modul LMO / NMC dari baterai Samsung SDI dan digunakan dalam Schneider Electric UPS dipertimbangkan.
Proses kimia telah ditinjau dalam artikel
LadyN's Bagaimana baterai lithium-ion meledak . Mari kita mencoba memahami risiko yang mungkin terjadi dalam kasus khusus kami dan membandingkannya dengan perlindungan multi-level pada sel Samsung SDI, yang merupakan bagian dari rak Li-Ion Type-G yang telah selesai sebagai bagian dari solusi komprehensif berbasis VM VM.
Mari kita mulai dengan kasus umum dari diagram alir risiko dan penyebab kebakaran sel lithium-ion.
Lebih besar? Foto dapat diklik.Di bawah spoiler, Anda dapat mempelajari masalah teoretis tentang risiko penyalaan baterai lithium-ion dan fisika prosesDiagram blok asli risiko dan penyebab kebakaran (Bahaya Keselamatan) sel lithium-ion dari
artikel ilmiah 2018.
Karena, tergantung pada struktur kimia sel lithium-ion, ada perbedaan dalam karakteristik akselerasi termal sel, kami akan membahas proses yang dijelaskan dalam artikel dalam sel lithium-nikel-kobalt-aluminium (berdasarkan LiNiCoAIO2) atau NCA.
Proses mengembangkan kecelakaan dalam sel dapat dibagi menjadi tiga tahap:
- Tahap 1 (Onset). Operasi normal sel, ketika gradien kenaikan suhu tidak melebihi 0,2 g. C per menit, dan suhu sel itu sendiri tidak melebihi 130-200 g. C, tergantung pada struktur kimia sel;
- Tahap 2, pemanasan (Akselerasi). Pada tahap ini, suhu naik, gradien suhu meningkat dengan cepat, ada pelepasan energi panas aktif. Dalam kasus umum, proses ini disertai dengan evolusi gas. Emisi gas yang berlebihan harus dikompensasikan dengan pengoperasian katup pengaman;
- Tahap 3, Percepatan Termal (Pelarian). Pemanasan baterai lebih dari 180-200 derajat. Dalam hal ini, bahan katoda masuk ke dalam reaksi disproporsionasi dan melepaskan oksigen. Ini adalah tingkat percepatan termal, karena dalam hal ini dapat terjadi campuran gas yang mudah terbakar dengan oksigen, yang akan menyebabkan pembakaran spontan. Namun, dalam beberapa kasus proses ini dapat dikontrol, dibaca - ketika rezim faktor eksternal berubah, percepatan termal dalam beberapa kasus berhenti tanpa konsekuensi fatal bagi ruang sekitarnya. Kemudahan servis dan operabilitas sel lithium sendiri setelah peristiwa ini tidak dipertimbangkan.
Suhu akselerasi termal tergantung pada ukuran sel, desain sel dan bahan. Suhu percepatan termal dapat bervariasi dari 130 hingga 200 derajat Celcius. Waktu akselerasi termal dapat berbeda dan dapat berupa menit, jam, atau bahkan berhari-hari ...
Bagaimana dengan sel-sel LMO / NMC dalam UPS lithium-ion?
Lebih besar? Foto dapat diklik.- Untuk mencegah kontak anoda dengan elektrolit, lapisan keramik dalam sel (SFL) digunakan. Menghalangi pergerakan ion lithium terjadi pada 130 ° C.
- Selain katup ventilasi pelindung, sistem Over Charge Device (OSD) digunakan, bekerja bersama dengan sekring internal dan melepaskan sel yang rusak, mencegah proses akselerasi termal dari mencapai nilai berbahaya. Selain itu, pemicu sistem OSD internal akan lebih awal, ketika tekanan mencapai 3,5 kgf / cm2, yaitu setengah dari tekanan katup pelindung sel.
Omong-omong, sekering sel akan trip pada arus di atas 2500 A dalam waktu tidak lebih dari 2 detik. Misalkan gradien suhu mencapai pembacaan 10 ° C / menit. Dalam 10 detik, sel akan memiliki waktu untuk menambahkan sekitar 1,7 derajat pada suhunya, sementara dalam mode akselerasi.
- Pemisah tiga lapis dalam sel dalam mode pengisian ulang akan menghalangi transisi ion litium ke anoda sel. Suhu pemblokiran adalah 250 ° C.
Sekarang mari kita lihat apa yang kita miliki dengan suhu sel; bandingkan pada tahap apa berbagai jenis perlindungan dipicu pada tingkat sel.
- Sistem OSD - 3.5 + -0.1 kgf / cm2 <= tekanan eksternal
Perlindungan ekstra terhadap arus berlebih.
- katup pengaman 7,0 + -1,0 kgf / cm2 <= tekanan eksternal
- sekering di dalam sel 2 detik pada 2500A (mode kelebihan beban saat ini)
Risiko percepatan termal sel secara langsung tergantung pada tingkat / tingkat muatan sel, lebih detail di sini ...Pertimbangkan efek level pengisian sel dalam konteks risiko akselerasi termal. Pertimbangkan tabel korespondensi suhu sel dari parameter SOC (Status Pengisian, tingkat pengisian baterai).
Tingkat pengisian baterai diukur dalam persen dan menunjukkan berapa banyak dari total muatan yang masih disimpan dalam baterai. Dalam hal ini, kami mempertimbangkan mode pengisian ulang baterai. Dapat disimpulkan bahwa, tergantung pada komposisi kimia sel lithium, baterai mungkin berperilaku berbeda selama pengisian dan memiliki kecenderungan berbeda untuk percepatan termal. Ini disebabkan oleh perbedaan kapasitas spesifik (A * h / gram) dari berbagai jenis sel Li-Ion. Semakin besar kapasitas spesifik sel, semakin cepat pelepasan panas selama pengisian.
Selain itu, pada 100% SOC, korsleting eksternal sering menyebabkan overclocking termal sel. Di sisi lain, ketika sel memiliki tingkat pengisian 80% SOC, suhu maksimum awal akselerasi termal sel digeser ke atas. Sel menjadi lebih tahan terhadap kondisi darurat.
Dan akhirnya, untuk 70% SOC, hubung singkat eksternal mungkin tidak menyebabkan dispersi termal sama sekali. Artinya, risiko penyalaan sel berkurang secara signifikan, dan skenario yang paling mungkin hanya aktuasi katup pengaman baterai lithium.
Selain itu, dari tabel dapat disimpulkan bahwa LFP (kurva ungu) baterai biasanya memiliki kemiringan curam dari kenaikan suhu, yaitu, tahap "pemanasan" dengan lancar transisi ke tahap "thermal overclock", dan ketahanan sistem ini terhadap pengisian berlebih sedikit lebih buruk. Baterai jenis LMO, seperti yang kita lihat, memiliki karakteristik pemanasan yang lebih halus saat mengisi ulang.
PENTING: ketika sistem OSD dipicu, sel diatur ulang untuk memotong. Dengan demikian, tegangan pada rak berkurang, tetapi tetap beroperasi dan memberikan sinyal ke sistem pemantauan UPS melalui sistem BMS rak itu sendiri. Dalam kasus sistem UPS klasik dengan baterai VRLA, korsleting atau putusnya satu baterai dalam sebuah tali dapat menyebabkan kegagalan UPS secara keseluruhan dan hilangnya pengoperasian peralatan TI.
Berdasarkan hal tersebut di atas, untuk kasus menggunakan solusi lithium dalam UPS, risiko tetap relevan:
- Akselerasi termal sel, modul sebagai akibat dari kesalahan eksternal - beberapa tingkat perlindungan.
- Akselerasi termal sel, modul sebagai akibat dari kerusakan baterai internal - beberapa tingkat perlindungan di tingkat sel, modul.
- Isi ulang - perlindungan melalui BMS plus semua tingkat perlindungan rak, modul, sel.
- Kerusakan mekanis tidak relevan untuk kasus kami, risiko kejadian dapat diabaikan.
- Rak terlalu panas dan semua baterai (modul, sel). Tidak kritis untuk 70-90 derajat. Jika suhu di ruang instalasi UPS naik di atas nilai-nilai ini, maka ini sudah merupakan kebakaran di gedung. Dalam operasi pusat data normal, risiko suatu peristiwa dapat diabaikan.
- Mengurangi masa pakai baterai pada suhu ruang yang tinggi - pengoperasian terus-menerus pada suhu hingga 40 derajat diizinkan tanpa penurunan yang nyata dalam masa pakai baterai. Baterai timbal sangat sensitif terhadap kenaikan suhu dan mengurangi sisa masa pakai sesuai dengan peningkatan suhu.
Mari kita lihat diagram alir risiko kecelakaan dengan baterai lithium-ion dalam kasus penggunaan kami di pusat data, server. Mari kita sederhanakan rangkaiannya, karena UPS lithium akan dioperasikan dalam kondisi ideal jika kita membandingkan kondisi operasi baterai di gadget Anda, telepon.
Foto dapat diklik.KESIMPULAN: Baterai lithium khusus untuk pusat data UPS, server memiliki tingkat perlindungan yang cukup terhadap situasi darurat, dan dalam solusi komprehensif sejumlah besar derajat berbagai perlindungan dan lebih dari lima tahun pengalaman dalam mengoperasikan solusi ini memungkinkan kita untuk berbicara tentang tingkat keamanan teknologi baru yang tinggi. Antara lain, jangan lupa bahwa pengoperasian baterai lithium di sektor kami terlihat seperti kondisi "rumah kaca" untuk teknologi Li-Ion: tidak seperti smartphone Anda di saku Anda, tidak ada yang akan menjatuhkan baterai di pusat data, terlalu panas, lepaskan setiap hari, secara aktif gunakan dalam mode buffer.
Anda dapat mengetahui detail dan mendiskusikan solusi spesifik menggunakan baterai lithium-ion untuk server atau pusat data Anda dengan mengirimkan permintaan ke info@ot.ru atau dengan membuat permintaan di situs web perusahaan www.ot.ru.
BUKA TEKNOLOGI - solusi terintegrasi yang dapat diandalkan dari para pemimpin dunia, diadaptasi secara khusus untuk tujuan dan sasaran Anda.
Penulis: Oleg Kulikov
Insinyur Desain Utama
Departemen Solusi Integrasi
Perusahaan Teknologi Terbuka