Литий-ионные технологии обеспечивают идеальные характеристики для создания высокопроизводительных резервных источников питания в компактном и легком корпусе. Однако по мере развития индустрии литий-ионных батарей произошли значительные инциденты, связанные с безопасностью. Примерами могут служить пожар в системе хранения энергии на предприятии Arizona Public Service в 2019 году и спасение ведущего Top Gear Ричарда Хаммонда из горящего автомобиля.
Общим для всех этих инцидентов является тепловой разгон, при котором короткое замыкание внутри ячейки приводит к повышению температуры. Этот процесс распространяется на другие ячейки, вызывая их разрушение и выделение горячих, легковоспламеняющихся газов.
Безопасность зависит от предотвращения теплового разгона. Выбор искробезопасной литий-ионной батареи имеет решающее значение. Однако не менее важно не упускать из виду значимость продуманной конструкции, механических, электрических и электронных компонентов. Эти компоненты управляют работой батареи и должны рассеивать тепло.
семейство литий-ионных аккумуляторов
Сложность литий-ионных батарей заключается в том, что это не один тип аккумуляторов. Литий-ионные батареи — это общий термин для целого семейства химических составов. Каждый из этих составов имеет свои собственные характеристики, с относительными преимуществами и недостатками с точки зрения срока службы, удельной мощности, удельной энергии, работы при высоких и низких температурах, а также безопасности.
Эти химические вещества можно использовать по отдельности или смешивать вместе для достижения баланса свойств, подходящего для конкретного применения.
Наибольшую группу в семействе литий-ионных батарей составляют оксиды металлов, а две другие используемые группы — фосфаты железа и титанаты. Титанаты — относительно нишевое применение, в настоящее время они используются в железнодорожной тяге и высокопроизводительных внедорожных транспортных средствах.
Оксиды металлов против фосфатов
Оксиды металлов, такие как оксид лития-никеля-кобальта-алюминия (NCA) и оксид лития-никеля-марганца-кобальта (NMC), обладают особенно высокой плотностью энергии. Это делает их подходящими для компактных мощных батарей, например, используемых в электромобилях, куда людям может потребоваться эвакуироваться. В компании Saft мы используем NCA для батарей, используемых в космических исследованиях и спутниках, благодаря его более высокой плотности энергии.
Недостатком оксидов металлов с точки зрения безопасности является наличие в них кислорода. Этот кислород может выделяться при внутренних коротких замыканиях, вызывая тепловые затопления, поскольку температура может достигать 800-1000°C. Выделение кислорода из смеси оксидов металлов делает практически невозможным эффективное функционирование системы пожаротушения на основе азота или фторкетона.
Даже при грамотном проектировании распространение теплового потенциала делает оксиды металлов непригодными для использования в критически важных с точки зрения безопасности местах, таких как центры обработки данных.
Когда безопасность имеет критическое значение, крайне важно снизить риски, указав химический состав фосфата, например, фосфат лития-железа (LFP) или смесь суперфосфата лития-железа (SLFP). Эти материалы не содержат кислорода, поэтому температура никогда не превышает 250°C, что предотвращает термическое разрушение внутри ячейки и делает распространение заряда на другие ячейки практически невозможным.
В условиях центра обработки данных система, основанная на технологии фосфата железа, прослужит приблизительно 20 лет.
Даже в условиях окружающей среды с температурой до 35°C ожидаемый срок службы батареи составляет 14 лет. Недостатком является то, что её плотность энергии на 30% ниже, чем у металлооксидных батарей, а напряжение элемента ниже.
Безопасность здания
Ещё одним аспектом выбора батарей является соответствие технологии стандартам здания.
Стандарты, такие как IFC 2018 и NFPA 855, контролируют потенциальные риски, требуя ограничения энергетической емкости литий-ионных батарей до 20 кВт·ч на систему или 600 кВт·ч на установку, а также воздушного зазора в 3 фута (около 1 м) между каждой системой.
Однако операторам могут потребоваться более крупные и мощные системы, поэтому для оценки устойчивости к тепловому воздействию проводятся тщательные испытания в соответствии с методикой испытаний UL 9540A. Это включает в себя сложный набор испытаний, оценивающих аккумуляторные системы и их способность выдерживать отказы отдельных ячеек, модулей и шкафов, а также всей установки в целом.
Было доказано, что аккумуляторные системы на основе оксидов металлов проходят испытания по стандарту UL 9540A, несмотря на тепловой разгон между элементами и модулями. В ходе этих испытаний даже были случаи, когда аккумуляторный модуль и некоторые мелкие внутренние компоненты элементов выбрасывались наружу во время теплового разгона.
Дополнительный момент заключается в том, что одна из рекомендаций Службы пожарной охраны Аризоны по эвакуации из зоны пожара заключалась в том, что системы отвода воздуха должны справляться с объемом и температурой газа, образующегося во время инцидента. Системы на основе фосфатов производят значительно меньше газа при более низких температурах, чем системы на основе оксидов, что делает их более практичными в качестве резервных систем.
проектирование аккумуляторных систем
Безопасность батарей также зависит от механической конструкции и производства аккумуляторных элементов, а также защитных корпусов и электрических разъемов. Форма и конструкция элемента могут существенно влиять на плотность энергии, плотность мощности, срок службы и безопасность.
В аккумуляторной системе элементы объединяются в модули и цепочки с электронной системой управления батареями (BMS ). Ее функция заключается в обеспечении защиты и связи с контроллером ИБП, а также внутри самой аккумуляторной системы.
Важная функция системы управления батареей (BMS) заключается в мониторинге профиля напряжения и температуры по всей батарее на уровне отдельных ячеек, модулей и цепочек. Затем BMS управляет зарядкой и разрядкой ячеек для поддержания равномерной температуры по всей системе.
Система управления батареями (BMS) контролирует риски для безопасности, предотвращая перегрев, а также имеет дополнительное преимущество в виде продления срока службы батареи. Температура влияет на срок службы элементов, поэтому обеспечение равномерной температуры означает, что все батареи изнашиваются с одинаковой скоростью и обеспечивают предсказуемую производительность.
В случае крупномасштабных аккумуляторных батарей, состоящих из блоков, размещенных в нескольких шкафах,основными батареями(MBMM) будет контролировать работу всех блоков.
Приоритизация серверов
Ещё один важный момент, касающийся управления батареями, заключается в том, что использование батареи, предназначенной исключительно для обслуживания центров обработки данных, отличается от использования батареи для системы хранения энергии (ESS).
Аккумуляторы ESS задуманы как ценные активы для получения дохода, и поэтому в их блоке управления (BMM) содержится защитный корпус, предотвращающий чрезмерный разряд и, следовательно, повреждение аккумуляторов.
В свою очередь, задача ИБП (источника бесперебойного питания) — предотвратить расходы, связанные с отключениями электроэнергии. Глобальное исследование Uptime Institute 2020 года, проведенное среди менеджеров центров обработки данных и ИТ-специалистов, показало, что четыре из десяти отключений обходятся от 100 000 до 1 миллиона долларов, а примерно каждое шестое — более 1 миллиона долларов.
Последствия могут быть еще более серьезными, если учесть косвенные издержки и ущерб репутации.
Для критически важных центров обработки данных операторам необходима аккумуляторная система, которая может быть полностью разряжена, обеспечивая работу сервера до последней секунды, даже если это означает использование батареи в качестве источника питания.
В конечном счете, литий-ионная аккумуляторная система должна гарантировать отсутствие компромиссов в отношении безопасности и резервной производительности.
Автор: Гарет Хакетт, эксперт компании Saft по литий-ионным технологиям, объясняет, как понимать безопасность и производительность литий-ионных батарей.
