Здравствуйте, друзья!
После публикации статьи «ИБП и батарейный массив: куда ставить? Да подожди ты» было много комментариев по поводу опасности Li-Ion решений для серверных и ЦОД. Поэтому сегодня попробуем разобраться, в чём отличия промышленных решений на литии для ИБП от батарейки в вашем гаджете, как отличаются условия эксплуатации батарей в серверной, почему в телефоне Li-Ion батарея служит не более 2-3 лет, а в ЦОДе эта цифра возрастёт до 10 и более лет. Почему риски возгорания лития в ЦОД/серверной минимальны.
Да, аварии на батареях ИБП возможны вне зависимости от типа накопителей энергии, а вот миф «пожароопасности» промышленных решений на литии не соответствует действительности.
Ведь многие видели тот ролик с возгоранием телефона c литиевым аккумулятором в движущейся по шоссе машине? Итак, посмотрим, разберёмся, сравним…
Здесь видим типичный случай неконтролируемого самонагрева, теплового разгона батареи телефона, приведшего к такому инциденту. Вы скажете: ВОТ! Это всего лишь телефон, в серверную поставит такое только сумасшедший!
Уверен, изучив данный материал, читатель изменит свою точку зрения по этому вопросу.
Текущая ситуация на рынке ЦОД
Ни для кого не секрет, что строительство ЦОД – это долгосрочное капиталовложение. Цена только инженерного оборудования может составлять 50% от стоимости всех капитальных затрат. Горизонт окупаемости – примерно 10-15 лет. Закономерно возникает желание снизить полную стоимость владения на всём жизненном цикле ЦОД, а попутно ещё и уплотнить инженерное оборудование, максимально освободив площади под полезную нагрузку.
Оптимальное решение – промышленные ИБП новой итерации на базе Li-Ion аккумуляторов, которые уже давно избавились от «детских болезней» в виде пожароопасности, некорректных алгоритмов заряда-разряда, обросли массой защитных механизмов.
С увеличением мощностей вычислительного и сетевого оборудования растёт спрос на ИБП. Одновременно увеличиваются требования ко времени автономной работы от аккумуляторных батарей в случае проблем с централизованным электроснабжением и/или сбоями при запуске резервного источника питания в случае применения/наличия ДГУ.
Основных причин, на наш взгляд, тут две:
Стремительный рост объёмов обрабатываемой и передаваемой информации
Например, новый пассажирский самолёт Boeing
787 Dreamliner за один полёт генерирует более 500 гигабайт информации, которую нужно сохранить и обработать.
- Рост динамики потребления электрической энергии. Несмотря на общий тренд снижения энергопотребления ИТ-оборудования, снижения удельного потребления энергии электронными компонентами.
График энергопотребления всего одного действующего ЦОД
Эту же тенденцию демонстрируют прогнозы рынка ЦОД в нашей стране
К 2025 году, согласно прогнозам, общий объём данных в мире увеличится в 10 раз по сравнению с 2016 годом.
Всё-таки, насколько безопасен литий для ИБП серверной или ЦОД?
Недостаток: высокая стоимость Li-Ion решений.
Цена литий-ионных АКБ всё ещё остаётся высокой по сравнению со стандартными решениями. По оценкам компании SE начальные расходы для мощных ИБП свыше 100 кВА для Li-Ion решений будут выше в 1,5 раза, но в конечном итоге экономия на владении составит 30-50%. Если провести сравнения с военно-промышленным комплексом других стран, то вот новость о запуске в эксплуатацию японской подводной лодки с Li-Ion батареями. Довольно часто в подобных решениях применяют литий-железо-фосфатные батареи (на фото- LFP) ввиду относительной дешевизны и большей безопасности.
В статье упоминается, что на новые батареи для субмарины потрачено $100 млн., попробуем пересчитать в другие величины…
Риск: пожароопасность.
Вот тут и разберёмся с целью публикации, так как мнения о безопасности данных решений существуют диаметрально противоположные. Но это всё лирика, а что у нас с конкретными промышленными решениями?
Вопросы безопасности мы уже рассматривали в нашей cтатье, но ещё раз остановимся на этом вопросе. Обратимся к рисунку, где рассматривался уровень защиты модуля и ячейки LMO/NMC аккумулятора производства Samsung SDI и используемой в составе ИБП Schneider Electric.
Химические процессы были рассмотрены в статье пользователя LadyN Как взрываются литий-ионные аккумуляторы. Попробуем разобраться в возможных рисках в нашем конкретном случае и сопоставить с многоуровневой защитой в ячейках Samsung SDI, являющихся составной частью готовой Li-Ion стойки Type G в составе комплексного решения на базе Galaxy VM.
Начнём с общего случая блок-схемы рисков и причин возгорания литий-ионной ячейки.
А что у нас с ячейками типа LMO/NMC в литий-ионных ИБП?
– Для предотвращения соприкосновения анода с электролитом используется керамический слой в составе ячейки (SFL). Блокировка перемещения ионов лития происходит при 130 гр.С.
– В дополнение к защитному вентиляционному клапану, применяется система защиты от перезаряда (Over Charge Device,OSD), работающая в паре с внутренним предохранителем и отключающая повреждённую ячейку, не давая довести процесс теплового разгона до опасных значений. Причём срабатывание внутренней системы OSD будет раньше, при достижении давления 3,5кгс/см2, то есть, вполовину меньше, чем давление срабатывания защитного клапана ячейки.
К слову сказать, предохранитель ячейки сработает при токах свыше 2500 А за время не более 2 секунд. Предположим, градиент температуры достиг показания 10 гр.С/мин. За 10 секунд ячейка успеет добавить к своей температуре около 1,7 градуса, находясь в режиме разгона.
– Трёхслойный сепаратор в ячейке в режиме перезаряда обеспечит блокирование перехода ионов лития на анод ячейки. Температура блокирования составляет 250 гр.С.
Теперь посмотрим, что у нас с температурой ячейки; сопоставим, на каких этапах происходит срабатывание разных видов защит на уровне ячейки.
— система OSD – 3,5+-0,1 кгс/cм2 <= внешнее давление
Дополнительная защита от сверхотоков.
— защитный клапан 7,0+-1,0 кгс/cм2 <= внешнее давление
— предохранитель внутри ячейки 2 секунда при 2500А (режим токов перегрузки over current)
ВАЖНО: при срабатывании системы OSD происходит сброс ячейки на байпас. Таким образом, снижается напряжение на стойке, но она остаётся в работе и выдаёт сигнал в систему мониторинга ИБП посредством системы BMS самой стойки. В случае классической системы ИБП с VRLA батареями короткое замыкание или обрыв внутри одного АКБ в стринге может привести к отказу ИБП в целом и потере работоспособности ИТ-оборудования.
Исходя из вышеизложенного, для случая использования литиевых решений в ИБП остаются актуальными риски:
- Тепловой разгон ячейки, модуля в результате внешнего КЗ – несколько уровней защит.
- Тепловой разгон ячейки, модуля в результате внутренней неисправности батареи – несколько уровней защит на уровне ячейки, модуля.
- Перезаряд – защита средствами BMS плюс все уровни защиты стойки, модуля, ячейки.
- Механическое повреждение – неактуально для нашего случая, риск события ничтожен.
- Перегрев стойки и всех батарей (модулей, ячеек). Некритично до 70-90 градусов. Если температура в помещении установки ИБП поднимется выше этих значений – значит, это уже пожар в здании. В нормальных режимах работы ЦОД риск события ничтожен.
- Снижение ресурса батарей при повышенных температурах помещения – допускается длительная работа при температуре до 40 градусов без ощутимого снижения ресурса батарей. Свинцовые батареи очень чувствительны к любому повышению температуры и снижают свой остаточный ресурс пропорционально увеличению температуры.
Давайте взглянем на блок-схему рисков аварий с литий-ионными батареями в нашем случае использования в ЦОД, серверной. Немного упростим схему, ведь литиевые ИБП будут эксплуатироваться в идеальных условиях, если сравнивать условия работы батарей в вашем гаджете, телефоне.
ВЫВОД: Специализированные литиевые аккумуляторы для ИБП ЦОД, серверной обладают достаточным уровнем защиты от нештатных ситуаций, а в комплексном решении большое количество степеней разнообразной защиты и более чем пятилетний опыт эксплуатации этих решений позволяют говорить о высоком уровне безопасности новых технологий. Кроме всего прочего, не стоит забывать, что эксплуатация литиевых АКБ в нашем секторе выглядит как «тепличные» условия для Li-Ion технологий: в отличие от вашего смартфона в кармане, батарею в ЦОД никто не будет ронять, перегревать, разряжать каждый день, активно использовать в буферном режиме.
Источник: https://habr.com/ru/company/open_technologies/blog/429264/
Больше интересных и полезных статей на нашем форуме по АСУ ТП: https://p4b.su/forums
Тендера фриланс по АСУ ТП: https://p4b.su/projects
Библиотека с технической литературой по промышленной автоматизации: https://p4b.su/library
🔗 Время литий-ионных ИБП: пожароопасность или безопасный шаг в будущее?