До сих пор проблема накопления (аккумулирования) электроэнергии существовала без каких-либо глобальных изменений, технологического прорыва в данной области никто предложить не мог. Это был тот самый аккумулятор Гастона Планте 1859 года, доработанный различными вспомогательными технологиями и оснащенный усовершенствованиями в области электрохимических процессов, борьбы с выделением водорода, другими материалами корпуса и пр. На рубеже начала 2000 годов появились различного вида литиевые аккумуляторы, которые уверенно вытесняют во всех областях стандартные щелочные, кальциевые, AGM и гелевые аккумуляторы. В данный момент литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы уже завоевали рынок бытовых устройств, технология отработана и позволяет делать АКБ любой формы, ёмкости и размеров. Пришло время отработанных промышленных решений на базе литиевых аккумуляторов. Предлагаю разобраться, почему в серверных и ЦОДах за этой технологией будущее…
Данная технология хоть и не является неким кардинальным прорывом, но все же обладает рядом очевидных преимуществ. И наиболее интересными для промышленных решений в ИТ-сфере является удельная масса батарей на единицу площади при сравнимой со свинцовыми батареями ёмкости. Эту же характеристику можно рассматривать как удельную мощность батарей к единице массы – кВт*ч/кг. Но, обо всем по порядку.
Итак, сегодня каждый из нас имеет в кармане телефон, в котором работает литиевая батарея и это уже привычно для каждого.
Рис. 1. Никелевый аккумулятор для электроинструмента
Рис. 2. Литиевый аккумулятор для электроинструмента
Возьмём ручной электроинструмент: буквально вчера это были съёмные батареи, изготовленные на основе сборки никелевых аккумуляторов Рис.1 (ранее свинцовых). Сегодня мы видим на полках магазинов гигантское количество любых электроинструментов с литиевыми аккумуляторами, которые визуально меньше по размерам, компактные, легкие и т.д. Рис.2. А что с ценой в бытовом секторе? Тот же электроинструмент с литиевыми батареями лишь незначительно дороже (а иногда и дешевле) по отношению к уходящему поколению, а удобство в работе – неоспоримо.
Для сравнения:
Разница в удельной массе аккумуляторов разных типов (Ампер*час) достигает 2,2 раза, то есть в одном килограмме литиевой батареи будет в 2,2 раза больше емкости. Но это необъективное сравнение, так как на аккумуляторах разные напряжения. Попробуем пересчитать значения удельной мощности (specific power) Вт/кг, и получаем: для никель-кадмиевой батареи 39,3 Вт/кг, а для литиевой АКБ — 80 Вт/кг. Разница составила более чем в два раза.
Надо заметить, что для шуруповертов и других энергоёмких бытовых устройств используются литий-ионные высокотоковые аккумуляторы, которые обеспечивают большой ток отдачи за короткий промежуток времени. При этом не происходит просадки напряжения на аккумуляторе ниже уровня защиты Li-Ion батареи от глубокого переразряда. Подобный сценарий возможен для режимов заворачивания и откручивания тяжелых шурупов, гаек и прочих электроинструментов, а в радиоуправляемых моделях при старте машинки.
Так в чём основные достоинства литиевых батарей по сравнению с различными видами классических батарей с электролитом?
Рис.3. График зависимости удельной энергии от удельной мощности различных типов батарей
Как такового электролита в свободном состоянии в литиевом аккумуляторе нет. Вместо него используется пористый сепаратор пропитанный электролитом. Здесь используются ионы лития, которые связаны молекулами дополнительных металлов. При разряде аккумулятора происходит переход ионов от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду) и наоборот при заряде. Схема аккумулятора предполагает наличие разделительного сепаратора между двумя частями элемента, это необходимо для предотвращения самопроизвольно перемещения ионов лития. Схемы химических процессов свинцового и литий-ионного аккумуляторов приведены на рисунке.
Рис. 4. Химические процессы в свинцовых батареях и в литиевой батарее
Класс литий-ионных аккумуляторов можно разделить на подвиды по основному химическому материалу, придающему аккумулятору его уникальные, собственные свойства:
Если сравнить данную классификацию с рис.3, то аккумуляторы типа LFP можно отнести к высокоэнергетическому классу, а литий-марганцевые LMO – к классу средней энергетической мощности.
Если рассматривать исключительно удельную энергию различных видов батарей, то структура выглядит следующим образом:
Рис. 5. Удельная энергия различных видов аккумуляторов (по материалам сайта batteryuniversity.com)
Класс литий-ионных аккумуляторов можно разделить на подвиды по форм-фактору:
Самый распространённый типоразмер литий-ионных аккумуляторов – цилиндры высотой 65 мм, чуть больше классической батарейки типа АА, которая используется в большинстве бытовых устройств и пультов дистанционного управления.
Из данного типа аккумуляторов на данный момент изготавливаются батареи для электровелосипедов, электроскутеров, именно такие батареи находятся в любых «несовременных» ноутбуках. Кроме того, из таких литиевых батарей были собраны батареи первых выпусков автомобилей TESLA. Посмотреть>>
Рис. 6. Внешний вид цилиндрического LIP аккумулятора
Лидером рынка в области производства призматических ячеек является сейчас Samsung CDI, подразделение всем известной корпорации. В области промышленных решений разработаны и успешно применяются LMO ячейки и батареи (модули). Ячейка стандартного напряжения 3,7В имеет емкость 67А*ч, модуль собран из 8 ячеек, имеет массу 17 кг, напряжение – 24-33,6В, и удельную энергию 140Вт*ч/кг.
Рис.7 Внешний вид призматической ячейки LMO производства Samsung
После начала шумихи с электромобилями, гибридными авто и общественным транспортом пришло время активного перехода на Li-Ion аккумуляторы и для промышленных решений в области ИБП.
Например, «низкоэнергетический» сегмент промышленных решений активно переходит на литий-ионные аккумуляторы. Поставщики оборудования систем безопасности так же не отстают и предлагают свои решения на литии для резервирования противопожарных и охранных систем. Основной упор делается на отсутствии необходимости замены батарей в течение 10 лет, вместо привычных 2-х лет. Подобная тенденция наблюдается в области систем оповещения и управления эвакуацией (системы СОУЭ), которые тоже относятся к противопожарным системам. Ранее такие системы оснащались АКБ кислотно-свинцового типа. Спустя 2-3 года у заказчика, который эксплуатировал подобные системы, свинцовые АКБ в системах оповещения уже критически теряли свою ёмкость, а денег на обновление батарей часто не хватало. Таким образом противопожарные и эвакуационные системы объекта номинально были полностью исправны, но фактически не могли обеспечить работу на батареях в случае чрезвычайной ситуации. А на безопасную эвакуацию людей, в зависимости от объекта, отводится не менее 30 минут.
В случае использования батарей на литии о таких проблемах можно забыть.
Если посмотреть аналитику производства и использования разных типов аккумуляторов, например, тут, то можно сказать, что «… касается аккумуляторных батарей, то текущие оценки затрат на их установку варьируются от $200 до $800 за 1 кВт установленной мощности. Наименьшие затраты соответствуют свинцово-кислотным аккумуляторам, поскольку они находятся на более высокой стадии технологического развития. Этот диапазон соответствует нижней границе стоимости для ГАЭС, но он гораздо ниже, чем у других потенциальных и новых технологий хранения. Однако, основным недостатком свинцово-кислотных и других АБ является их низкая продолжительность жизни по сравнению с ГАЭС, которые имеют гораздо более длительные сроки эксплуатации. Срок службы АБ существенно различается в зависимости от частоты применения, скорости разрядки и количества циклов глубокой разрядки».
Как мы видим, прогнозируемые темпы роста литиевых АКБ значительно превышают перспективы обычных аккумуляторов. В России в 2017 году на сайте Минэнерго РФ опубликована Концепция развития рынка систем хранения электроэнергии в РФ в которой идет речь, в том числе, и о производстве Li-Ion аккумуляторов, «…задел производства которых имеется в России, но требует развития». В документе дан прогноз снижения стоимость систем хранения энергии различных видов, в частности для Li-Ion батарей прогнозируется снижение стоимости с 550$/кВт*ч в 2016 году, до 300$/кВт*ч к 2025 году. Если прогнозы Navigant Research будут верны, то стоимость литиевых АКБ снизится еще на 40% относительно текущего уровня цен.
А что же питание ИТ-оборудования в серверных и ЦОДах? Давайте посмотрим.
Реальный кейс.
Один из наших заказчиков обратился к нам с просьбой помочь решить проблему питания небольшой серверной. Вроде бы ничего сложного, обычная работа для нас, в которой мы разбираемся лучше, чем кто-либо.
Но есть четыре осложняющих фактора, которые критически важны для заказчика:
Рис.8 Внешний вид планировки серверной
Вы спросите, что же тут необычного?
Во-первых, заказчик уже имел негативный опыт эксплуатации ИБП с массивом кислотно-свинцовых батарей. И вот как это было:
Шёл пятый год после начала эксплуатации достаточно мощного ИБП, батарейные шкафы эксплуатировались в штатных режимах, климат в помещении с батареями обеспечивался стабильный и нормированный. Сам ИБП демонстрировал готовность обеспечить работу серверной в течение 15 минут в случае отключения питания. Вроде бы пора уже было менять все батареи по сроку эксплуатации, но решения о замене все никак не принималось. И вот в один прекрасный момент происходит внезапное отключение сети из города. Вы думаете система ИБП проработала хотя бы 1-3 минуты для завершения сервисов на оборудовании? Как бы не так. Случилось самое плохое: ИБП не переключился на батареи, ввиду неисправности одной из них, «легли» все сервера и сервисы, которые работали в этом момент. Благо это был не банк, а ко-локейшн (co-location), и скандал как-то утрясли.
Всё дело в том, что классическая система мониторинга батарей не даёт объективного представления о состоянии каждой батареи в линейке, в шкафу. Неисправную батарею можно выявить, лишь проводя чётко регламентированные мероприятия по проверке ёмкости и исправности каждой свинцовой батареи. При наличии неисправной батареи замене подлежит весь массив свинцово-кислотных АКБ, а мероприятия по контролю состояния каждой батареи не проводились по объективным причинам:
Рис .9. Прогнозируемое время автономной работы на ИБП накануне аварии в ЦОД
Во-вторых, расчётами было установлено, что монтировать два батарейных шкафа массой 980 кг каждый в помещении серверной нельзя, так как нагрузка на перекрытия от серверных стоек и сопутствующего оборудования уже максимальная. Требовалась разработка и монтаж стальной разгрузочной рамы под шкаф АКБ. Это, в свою очередь, вызывало массу вопросов организационного характера: обеспечение down-time всей серверной, рама должна быть с болтовыми соединениями (сварка в действующем офисе невозможна) и прочее…
Рис. 10. Батарейный шкаф с обычными аккумуляторами (слева) и с литий-ионными ячейками (справа)
Рис. 11. Батарейный массив с литий-ионными ячейками в крупном ЦОД
Рис. 12. Внешний вид литий-ионной аккумуляторной ячейки с платой мониторинга BMS (Battery Monitoring System)
Каков выход из ситуации?
Нами было предложено решение ИБП на литиевых батареях, которое позволило:
Срок службы батарейного массива на Li-ion аккумуляторах составил 10 лет, что для обычных VRLA батарей составляет 3-5 лет.
В составе данного решения имеется продвинутая система контроля состояния и зарядки батарей (BMS), позволяющая иметь информацию о состоянии каждой ячейки батареи.
Уровень разряда батареи при кратковременных перерывах в электроснабжении никак не влияет на ресурс всего массива в целом и составляет более 5000 циклов, при ресурсе кислотно-свинцовых батарей 500 циклов и 3-4 года максимум.
Температурный режим эксплуатации литиевых батарей совершенно не критичен, перепады температуры в пределах батарейного шкафа не оказывают негативного влияния на ресурс батареи в целом.
Отпала необходимость в приточно-вытяжной вентиляции помещения, так как при использовании Li-ion аккумуляторов нет выделения водорода в принципе.
Рис. 13. Внешний вид серверной
В этом проекте заказчик заинтересовался решениями для локальной защиты рабочих станций важных сотрудников ИБП мощностью 1000 ВА, также с литиевыми батареями. Разница в стоимости данного вида ИБП составила порядка 400 $ — дороже относительно стандартной конфигурации, однако, достоинства данного решения позволили задуматься о выборе в пользу более высоких капитальных затрат (CAPEX) с целью снизить операционные расходы в перспективе.
Рис.14. Внешний вид ИБП с литиевыми батареями для защиты рабочих станций
Проведём сравнительную характеристику типов однофазных моделей ИБП производства APC by Schneider Electric c литиевыми и свинцово-кислотными батарейными модулями.
Какие выводы можно сделать из приведенных таблиц:
Важно заметить, что решение компании Schneider Electric в данном диапазоне мощностей – это решение с топологией On-Line. В настоящее время имеются решения на литии и других производителей, но все они построены по топологии Line-Interactive, то есть подключают батареи, лишь в случае проблем с питающей сетью.
Посмотрим, что происходит с оперативными расходами в течение срока службы обоих типов ИБП на горизонте 10 лет.
Как видно, по характеристикам OPEX и TCO, эксплуатация ИБП с литиевыми батареями предпочтительнее и дешевле. В данном сегменте ИБП (защита рабочих станций) важна, в первую очередь, безотказная работа ИБП и надёжное гарантированное время работы для завершения работы пользователем и в первый год, и спустя 5-7 лет. Знаете почему?
Потому что за такими ИБП наблюдение, контроль и проверка либо не ведётся вообще, либо проводится по случайному принципу и то, только после того, как «моргнул» свет, а ИБП, почему-то, не включился и пропали файлы, над которыми сотрудник работал целый день. А как часто бывает, именно в этот день сотрудник должен был сдать работу, отчёт, и именно в этот день на человека снизошло рабочее вдохновение и он реализовал все свои мысли в электронной форме. Терять информацию не хочет никто.
Но вернёмся опять к промышленным решениям средней и большой мощности. Что из себя представляют решения на литии?
Рассмотрим стандартную батарейную стойку от Samsung модели U6-M035
Как видим, масса стойки с литиевыми ячейками составляет всего 550 кг, при этом стойка поставляется с внутренней многоуровневой системой контроля и защиты батарей. Все уровни защиты имеют отработанный механизм селективности – по времени и по току, то есть защиты уровня «стойка» не сработают раньше защит на уровне ячейки или модуля:
1. Уровень защиты от короткого замыкания в стойке MCCB – автоматический выключатель, который имеет управление системой BMS стойки. Отключение всего батарейного массива по общей аварии. В дополнение к автомату имеется ещё и плавкая вставка (предохранитель) силовых цепей постоянного тока. Уровни защиты: короткие замыкания между полюсами стойки или короткие замыкания на землю (любого полюса батарейного массива);
Рис. 15 Защита АКБ на уровне стойки с Li-Ion аккумуляторами
2. Уровень защиты «модуль» включает в себя: применение негорючего пластика для модулей, высокотоковые выводы батарей (470 А), воздушные промежутки между ячейками модуля для выравнивания температурных режимов каждой ячейки, изоляционные крышки для подключения силовых кабелей и защиты от случайного прикосновения.
Рис. 16. Защита на уровне модуля
3. Уровень защиты ячейки — защита от перезаряда, предохранительный клапан ячейки, электрический предохранитель, многослойный сепаратор ячейки, который блокирует заряд на уровне электрохимических процессов при повышении температуры ячейки более 250°C.
Рис. 17. Защита на уровне ячейки
А вот так выглядит бытовой переносной аккумулятор (power bank), в котором сработал или не сработал предохранительный клапан и литиевый аккумулятор разорвало от внутреннего давления. Причина этого явления в данном случае – короткое замыкание в физической структуре аккумулятора, вероятно связанное с деградацией батареи или неправильной эксплуатацией.
В России имеется свое производство литий-железо-фосфатных аккумуляторов (LFP), их производит новосибирская компания ООО «Лиотех», дочернее предприятие ОАО «РОСНАНО». Компания «Лиотех» создана для реализации в России проекта по производству современных литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). Подробности и дополнительную информацию вы можете почитать на официальном сайте Лиотех.
На данный момент предприятие поставляет готовые решения на базе инверторов off-line типа, ориентированных на бытовой сектор и солнечную и ветрогенерацию. Однако, завод ведёт работы по адаптации батарейных ячеек к любому ИБП промышленного исполнения. Задача заключается в отработке решения с точки зрения защит и получения пожарных сертификатов на внешний батарейный шкаф вместе с системой BMS в привязке к любому присутствующему на рынке промышленному ИБП.
Производитель литиевых аккумуляторов «Лиотех» заявляет в своих спецификациях, что при глубине разряда 80% можно получить 3000 циклов заряда-разряда, при этом они и дальше продолжают работать, в то время как свинцово-кислотные заметно теряют ёмкость. Для свинцово-кислотных батарей заявленное количество циклов даётся при снижении емкости на 40%, «Лиотех» же заявляет, что снижение ёмкости после 3000 циклов всего 20%. В буферном режиме и неглубоком циклировании АБ «Лиотех» отработают 5000-7000 циклов и более. Единственное, чего боятся такие аккумуляторы, это перезаряд (нельзя заряжать больше 3,75 вольт на ячейку), и глубокий разряд ячеек (меньше 2 вольта нельзя разряжать), поэтому нужно устанавливать на аккумуляторы BMS (Battery management system) и балансиры на каждую ячейку аккумуляторов.
В настоящее время технологии изготовления обеспечения защиты и правильной эксплуатации литий-ионных аккумуляторов вплотную приблизились к промышленному сектору и решениям для резервного питания критичных потребителей. И, хотя, на текущий момент они всё ещё остаются достаточно дорогими, по сравнению с классическими VRLA аккумуляторами, у них есть свои перспективы применения. В первую очередь, данные решения очень подходят для объектов, где нет возможности держать на постоянной основе группу инженеров-эксплуатационщиков – для крупных объектов, или там, где вся техническая поддержка по электроснабжению (и ИБП в частности) отдана на аутсорсинг.
Как заявляет компания Schneider Electric:
«Мы в Schneider Electric всегда пристально следим за трендами, развитием технологий и стараемся действовать проактивно. Сейчас мы видим перспективу развития более легких и удобных решений для обеспечения бесперебойного электропитания, основанных на литий-ионной технологии», – так объясняет стратегию компании Анна Мизиева, менеджер по развитию однофазной продукции подразделения IT Division компании Schneider Electric
Или вот ещё цитата статьи от 07 марта 2018 года в издании С-News под заголовком «Schneider Electric представила однофазные ИБП с литий-ионными аккумуляторами»:
«К преимуществам Li-Ion аккумуляторов по сравнению с традиционными АКБ относятся: компактные размеры и меньшая масса, до 4 раз выше скорость зарядки, вдвое больший срок службы аккумуляторной батареи (до 10 лет), возможность работы при температуре до +40 °C без существенного ухудшения параметров. Как результат, суммарная стоимость затрат на обслуживание снизилась на 35% по сравнению с аналогичными моделями с другим типом аккумуляторов. Применение Li-Ion аккумуляторов лежит в русле современной тенденции повышения температуры в залах центров обработки данных для экономии энергии за счёт менее интенсивного охлаждения.»
Подробнее>>
При видимых больших затратах на этапе реализации проекта заказчик получает надёжную систему бесперебойного питания на горизонте 8-10 лет, не требующую непосредственного контроля состояния каждой батареи, периодических «тренировок» массива АКБ для уточнения реальной автономии ИБП и прочее. Заметим, что проведение хотя бы одного полного цикла разряда-заряда VRLA батарей в составе ИБП требует большой организационной подготовки мероприятия и является достаточно опасным мероприятием для чувствительного информационного оборудования. В случае применения Li-ion батарей в составе ИБП полный цикл заряда-разряда батарей в принципе не требуется и даже противопоказан, а частичные разряды батарей в реальном цикле эксплуатации ЦОД даже рекомендованы производителем, и литиевые батареи изначально дружелюбны к подобному режиму эксплуатации.
рекламный ролик Schneider Electric
В данном материале использована информация:
Данная технология хоть и не является неким кардинальным прорывом, но все же обладает рядом очевидных преимуществ. И наиболее интересными для промышленных решений в ИТ-сфере является удельная масса батарей на единицу площади при сравнимой со свинцовыми батареями ёмкости. Эту же характеристику можно рассматривать как удельную мощность батарей к единице массы – кВт*ч/кг. Но, обо всем по порядку.
Современные реалии для бытовых устройств
Итак, сегодня каждый из нас имеет в кармане телефон, в котором работает литиевая батарея и это уже привычно для каждого.
Рис. 1. Никелевый аккумулятор для электроинструмента
Рис. 2. Литиевый аккумулятор для электроинструмента
Возьмём ручной электроинструмент: буквально вчера это были съёмные батареи, изготовленные на основе сборки никелевых аккумуляторов Рис.1 (ранее свинцовых). Сегодня мы видим на полках магазинов гигантское количество любых электроинструментов с литиевыми аккумуляторами, которые визуально меньше по размерам, компактные, легкие и т.д. Рис.2. А что с ценой в бытовом секторе? Тот же электроинструмент с литиевыми батареями лишь незначительно дороже (а иногда и дешевле) по отношению к уходящему поколению, а удобство в работе – неоспоримо.
Для сравнения:
- Стандартный никель-кадмиевый аккумулятор для шуруповерта Makita, 12 В, 2,0 А*ч имеет массу 0,61кг и габариты 110х100х90 мм. То есть имеем 0,305 кг/А*ч. При использовании подобных аккумуляторов бытовой электроинструмент будет снижать мощность (крутящий момент) и обороты в состоянии близком к полному разряду батарей. Гарантия – 1 год. Стоимость более 2000 руб.
- Литий-ионный аккумулятор для шуруповерта того же производителя (Makita), при напряжении 10,8 В, 2,0 А*ч будет обладать массой 270 грамм и габариты 220х190х42 мм. То есть имеем 0,135 кг/А*ч. Гарантия – 5 лет, стоимость порядка 1200 рублей. При использовании подобных аккумуляторов бытовой электроинструмент на всей ёмкости батарей будет иметь одинаковую мощность (крутящий момент) и полный диапазон оборотов, но в момент достижения минимальной ёмкости просто прекратит работу в результате срабатывания схемы защиты от глубокого разряда батарей.
Разница в удельной массе аккумуляторов разных типов (Ампер*час) достигает 2,2 раза, то есть в одном килограмме литиевой батареи будет в 2,2 раза больше емкости. Но это необъективное сравнение, так как на аккумуляторах разные напряжения. Попробуем пересчитать значения удельной мощности (specific power) Вт/кг, и получаем: для никель-кадмиевой батареи 39,3 Вт/кг, а для литиевой АКБ — 80 Вт/кг. Разница составила более чем в два раза.
Надо заметить, что для шуруповертов и других энергоёмких бытовых устройств используются литий-ионные высокотоковые аккумуляторы, которые обеспечивают большой ток отдачи за короткий промежуток времени. При этом не происходит просадки напряжения на аккумуляторе ниже уровня защиты Li-Ion батареи от глубокого переразряда. Подобный сценарий возможен для режимов заворачивания и откручивания тяжелых шурупов, гаек и прочих электроинструментов, а в радиоуправляемых моделях при старте машинки.
Так в чём основные достоинства литиевых батарей по сравнению с различными видами классических батарей с электролитом?
Рис.3. График зависимости удельной энергии от удельной мощности различных типов батарей
- Большая мощность и энергоёмкость на единицу массы. На рис.3 указана зависимость удельной мощности батарей различных типов (вертикальная шкала Ватт/кг от удельной энергии (горизонтальная шкала Ватт*ч/кг)), которую способна отдать батарея разного типа. Проще говоря – чем больше ток (соответственно и мощность) отдает батарея в нагрузку, тем меньше времени она отработает в минутах и часах. Как видим АКБ на основе литиевых технологий по сравнению с классическими свинцово-кислотными аккумуляторами находятся на диаметрально противоположных частях графика. Также из рисунка можно понять, что литиевые батареи имеют различные характеристики в зависимости от типа, но в общем и целом способны быстрее отдавать накопленную энергию;
- на треть меньшая удельная масса по сравнению со свинцовыми батареями;
- отсутствие эффекта «памяти». То есть, батареи на основе литий-полимера не снижают свою ёмкость при эксплуатации в режиме частичных разрядов. Например, никель-кадмиевые или никель-марганцевые батареи демонстрируют этот эффект в режиме повторяющихся частичных циклов заряда-разряда, что в итоге приводит к тому, что батарея «запоминает» меньшую доступную ёмкость;
- большее количество циклов разряда-заряда, по сравнению со свинцовыми АКБ;
- отсутствие выделения водорода или любых вредных и взрывопожароопасных газов. Как показано на рис.4 в химических процессах в Li-ION аккумуляторах не происходит абсолютно никакого газовыделения.
Принцип работы литий-ионного аккумулятора
Как такового электролита в свободном состоянии в литиевом аккумуляторе нет. Вместо него используется пористый сепаратор пропитанный электролитом. Здесь используются ионы лития, которые связаны молекулами дополнительных металлов. При разряде аккумулятора происходит переход ионов от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду) и наоборот при заряде. Схема аккумулятора предполагает наличие разделительного сепаратора между двумя частями элемента, это необходимо для предотвращения самопроизвольно перемещения ионов лития. Схемы химических процессов свинцового и литий-ионного аккумуляторов приведены на рисунке.
Рис. 4. Химические процессы в свинцовых батареях и в литиевой батарее
Класс литий-ионных аккумуляторов можно разделить на подвиды по основному химическому материалу, придающему аккумулятору его уникальные, собственные свойства:
Если сравнить данную классификацию с рис.3, то аккумуляторы типа LFP можно отнести к высокоэнергетическому классу, а литий-марганцевые LMO – к классу средней энергетической мощности.
Если рассматривать исключительно удельную энергию различных видов батарей, то структура выглядит следующим образом:
Рис. 5. Удельная энергия различных видов аккумуляторов (по материалам сайта batteryuniversity.com)
Класс литий-ионных аккумуляторов можно разделить на подвиды по форм-фактору:
Самый распространённый типоразмер литий-ионных аккумуляторов – цилиндры высотой 65 мм, чуть больше классической батарейки типа АА, которая используется в большинстве бытовых устройств и пультов дистанционного управления.
Из данного типа аккумуляторов на данный момент изготавливаются батареи для электровелосипедов, электроскутеров, именно такие батареи находятся в любых «несовременных» ноутбуках. Кроме того, из таких литиевых батарей были собраны батареи первых выпусков автомобилей TESLA. Посмотреть>>
Рис. 6. Внешний вид цилиндрического LIP аккумулятора
Лидером рынка в области производства призматических ячеек является сейчас Samsung CDI, подразделение всем известной корпорации. В области промышленных решений разработаны и успешно применяются LMO ячейки и батареи (модули). Ячейка стандартного напряжения 3,7В имеет емкость 67А*ч, модуль собран из 8 ячеек, имеет массу 17 кг, напряжение – 24-33,6В, и удельную энергию 140Вт*ч/кг.
Рис.7 Внешний вид призматической ячейки LMO производства Samsung
После начала шумихи с электромобилями, гибридными авто и общественным транспортом пришло время активного перехода на Li-Ion аккумуляторы и для промышленных решений в области ИБП.
Например, «низкоэнергетический» сегмент промышленных решений активно переходит на литий-ионные аккумуляторы. Поставщики оборудования систем безопасности так же не отстают и предлагают свои решения на литии для резервирования противопожарных и охранных систем. Основной упор делается на отсутствии необходимости замены батарей в течение 10 лет, вместо привычных 2-х лет. Подобная тенденция наблюдается в области систем оповещения и управления эвакуацией (системы СОУЭ), которые тоже относятся к противопожарным системам. Ранее такие системы оснащались АКБ кислотно-свинцового типа. Спустя 2-3 года у заказчика, который эксплуатировал подобные системы, свинцовые АКБ в системах оповещения уже критически теряли свою ёмкость, а денег на обновление батарей часто не хватало. Таким образом противопожарные и эвакуационные системы объекта номинально были полностью исправны, но фактически не могли обеспечить работу на батареях в случае чрезвычайной ситуации. А на безопасную эвакуацию людей, в зависимости от объекта, отводится не менее 30 минут.
В случае использования батарей на литии о таких проблемах можно забыть.
Если посмотреть аналитику производства и использования разных типов аккумуляторов, например, тут, то можно сказать, что «… касается аккумуляторных батарей, то текущие оценки затрат на их установку варьируются от $200 до $800 за 1 кВт установленной мощности. Наименьшие затраты соответствуют свинцово-кислотным аккумуляторам, поскольку они находятся на более высокой стадии технологического развития. Этот диапазон соответствует нижней границе стоимости для ГАЭС, но он гораздо ниже, чем у других потенциальных и новых технологий хранения. Однако, основным недостатком свинцово-кислотных и других АБ является их низкая продолжительность жизни по сравнению с ГАЭС, которые имеют гораздо более длительные сроки эксплуатации. Срок службы АБ существенно различается в зависимости от частоты применения, скорости разрядки и количества циклов глубокой разрядки».
Как мы видим, прогнозируемые темпы роста литиевых АКБ значительно превышают перспективы обычных аккумуляторов. В России в 2017 году на сайте Минэнерго РФ опубликована Концепция развития рынка систем хранения электроэнергии в РФ в которой идет речь, в том числе, и о производстве Li-Ion аккумуляторов, «…задел производства которых имеется в России, но требует развития». В документе дан прогноз снижения стоимость систем хранения энергии различных видов, в частности для Li-Ion батарей прогнозируется снижение стоимости с 550$/кВт*ч в 2016 году, до 300$/кВт*ч к 2025 году. Если прогнозы Navigant Research будут верны, то стоимость литиевых АКБ снизится еще на 40% относительно текущего уровня цен.
А что же питание ИТ-оборудования в серверных и ЦОДах? Давайте посмотрим.
Реальный кейс.
Один из наших заказчиков обратился к нам с просьбой помочь решить проблему питания небольшой серверной. Вроде бы ничего сложного, обычная работа для нас, в которой мы разбираемся лучше, чем кто-либо.
Но есть четыре осложняющих фактора, которые критически важны для заказчика:
- Несущая способность перекрытий помещения, где планировалось разместить серверную очень мала (не более 300 кг/м.кв), само помещение достаточно тесное и находится на 4-ом этаже офисного здания класса А.
- Заказчик хотел быть уверенным в надежности электроснабжения серверной в случае отключения питания и из соображений дорогой аренды площадей хотел разместить ИБП непосредственно в помещении серверной.
- Время автономной работы ИБП на батареях должно было обеспечить минимум 40 минут бесперебойной работы, и это при схеме питания 2N, то есть с двумя ИБП и парой одинаковых батарейных массивов.
- В процессе согласования основных технических решений появилось желание выделить часть помещения серверной под сторонние нужды, то есть еще более уплотнить оборудование
Рис.8 Внешний вид планировки серверной
Вы спросите, что же тут необычного?
Во-первых, заказчик уже имел негативный опыт эксплуатации ИБП с массивом кислотно-свинцовых батарей. И вот как это было:
Шёл пятый год после начала эксплуатации достаточно мощного ИБП, батарейные шкафы эксплуатировались в штатных режимах, климат в помещении с батареями обеспечивался стабильный и нормированный. Сам ИБП демонстрировал готовность обеспечить работу серверной в течение 15 минут в случае отключения питания. Вроде бы пора уже было менять все батареи по сроку эксплуатации, но решения о замене все никак не принималось. И вот в один прекрасный момент происходит внезапное отключение сети из города. Вы думаете система ИБП проработала хотя бы 1-3 минуты для завершения сервисов на оборудовании? Как бы не так. Случилось самое плохое: ИБП не переключился на батареи, ввиду неисправности одной из них, «легли» все сервера и сервисы, которые работали в этом момент. Благо это был не банк, а ко-локейшн (co-location), и скандал как-то утрясли.
Всё дело в том, что классическая система мониторинга батарей не даёт объективного представления о состоянии каждой батареи в линейке, в шкафу. Неисправную батарею можно выявить, лишь проводя чётко регламентированные мероприятия по проверке ёмкости и исправности каждой свинцовой батареи. При наличии неисправной батареи замене подлежит весь массив свинцово-кислотных АКБ, а мероприятия по контролю состояния каждой батареи не проводились по объективным причинам:
- круглосуточный режим работы ИТ-оборудования — вывод из эксплуатации схемы бесперебойного питания означал бы риск падения всех сервисов, если бы в этот момент произошло отключение питающей сети из города;
- отсутствие договора со специализированной организацией на техническое обслуживание ИБП и батарей, так как на момент отказа не были согласованы юридические вопросы продления договора на обслуживание;
- «успокаивающие» показания и прогнозы по времени автономной работы на дисплее ИБП и системах мониторинга состояния ИБП;
- опыт нормального перехода ИБП на батареи при пропадании сети полгода назад.
Рис .9. Прогнозируемое время автономной работы на ИБП накануне аварии в ЦОД
Во-вторых, расчётами было установлено, что монтировать два батарейных шкафа массой 980 кг каждый в помещении серверной нельзя, так как нагрузка на перекрытия от серверных стоек и сопутствующего оборудования уже максимальная. Требовалась разработка и монтаж стальной разгрузочной рамы под шкаф АКБ. Это, в свою очередь, вызывало массу вопросов организационного характера: обеспечение down-time всей серверной, рама должна быть с болтовыми соединениями (сварка в действующем офисе невозможна) и прочее…
Рис. 10. Батарейный шкаф с обычными аккумуляторами (слева) и с литий-ионными ячейками (справа)
Рис. 11. Батарейный массив с литий-ионными ячейками в крупном ЦОД
Рис. 12. Внешний вид литий-ионной аккумуляторной ячейки с платой мониторинга BMS (Battery Monitoring System)
Каков выход из ситуации?
Нами было предложено решение ИБП на литиевых батареях, которое позволило:
- Снизить массу батарейного шкафа до 550 кг, что в свою очередь сняло необходимость в мероприятиях по усилению перекрытий.
- Увеличить до 40 минут время автономной работы ИБП при отключении питания, что положительно сказалось на надежности работы ИТ-оборудования заказчика.
Срок службы батарейного массива на Li-ion аккумуляторах составил 10 лет, что для обычных VRLA батарей составляет 3-5 лет.
В составе данного решения имеется продвинутая система контроля состояния и зарядки батарей (BMS), позволяющая иметь информацию о состоянии каждой ячейки батареи.
Уровень разряда батареи при кратковременных перерывах в электроснабжении никак не влияет на ресурс всего массива в целом и составляет более 5000 циклов, при ресурсе кислотно-свинцовых батарей 500 циклов и 3-4 года максимум.
Температурный режим эксплуатации литиевых батарей совершенно не критичен, перепады температуры в пределах батарейного шкафа не оказывают негативного влияния на ресурс батареи в целом.
Отпала необходимость в приточно-вытяжной вентиляции помещения, так как при использовании Li-ion аккумуляторов нет выделения водорода в принципе.
Рис. 13. Внешний вид серверной
В этом проекте заказчик заинтересовался решениями для локальной защиты рабочих станций важных сотрудников ИБП мощностью 1000 ВА, также с литиевыми батареями. Разница в стоимости данного вида ИБП составила порядка 400 $ — дороже относительно стандартной конфигурации, однако, достоинства данного решения позволили задуматься о выборе в пользу более высоких капитальных затрат (CAPEX) с целью снизить операционные расходы в перспективе.
Рис.14. Внешний вид ИБП с литиевыми батареями для защиты рабочих станций
Проведём сравнительную характеристику типов однофазных моделей ИБП производства APC by Schneider Electric c литиевыми и свинцово-кислотными батарейными модулями.
Какие выводы можно сделать из приведенных таблиц:
- ИБП с литиевыми батареями обеспечит работу нагрузки мощностью 900 Вт в течение 32 минут, в то время как ИБП со встроенными VRLA батареями при нагрузке 700 Вт всего лишь 14 минут.
- Стоимость обычного ИБП с внешним батарейным боксом сравнима со стоимостью ИБП на литии /CAPEX/.
- Срок службы ИБП на литии обеспечивается минимум в два раза больше, и это при полной лояльности к температуре эксплуатации ИБП и батарей. Для свинцово-кислотных батарей оптимальная температура составляет 25°C и отклонения от этого значения сокращают срок службы. Все понимают, что температурными характеристиками эксплуатации батарей ИБП рабочих станций никто не озадачивается на практике, и это значит, что через 2 года зарядной ёмкости свинцовых батарей обычного ИБП хватит лишь на пару минут, только лишь успеть завершить работу критичных приложений и сохранить файлы.
- Замена батарей обычного ИБП потребует дополнительных расходов, как на сам аккумулятор, так и на работы по его замене и утилизации вышедшего из строя свинцового аккумулятора. Для ИБП на Li-Ion аккумуляторов замена батарей не требуется.
- Гарантия на решение ИБП с литием – 5лет, для обычных решений – 2 года.
Важно заметить, что решение компании Schneider Electric в данном диапазоне мощностей – это решение с топологией On-Line. В настоящее время имеются решения на литии и других производителей, но все они построены по топологии Line-Interactive, то есть подключают батареи, лишь в случае проблем с питающей сетью.
Посмотрим, что происходит с оперативными расходами в течение срока службы обоих типов ИБП на горизонте 10 лет.
Как видно, по характеристикам OPEX и TCO, эксплуатация ИБП с литиевыми батареями предпочтительнее и дешевле. В данном сегменте ИБП (защита рабочих станций) важна, в первую очередь, безотказная работа ИБП и надёжное гарантированное время работы для завершения работы пользователем и в первый год, и спустя 5-7 лет. Знаете почему?
Потому что за такими ИБП наблюдение, контроль и проверка либо не ведётся вообще, либо проводится по случайному принципу и то, только после того, как «моргнул» свет, а ИБП, почему-то, не включился и пропали файлы, над которыми сотрудник работал целый день. А как часто бывает, именно в этот день сотрудник должен был сдать работу, отчёт, и именно в этот день на человека снизошло рабочее вдохновение и он реализовал все свои мысли в электронной форме. Терять информацию не хочет никто.
Но вернёмся опять к промышленным решениям средней и большой мощности. Что из себя представляют решения на литии?
Рассмотрим стандартную батарейную стойку от Samsung модели U6-M035
Как видим, масса стойки с литиевыми ячейками составляет всего 550 кг, при этом стойка поставляется с внутренней многоуровневой системой контроля и защиты батарей. Все уровни защиты имеют отработанный механизм селективности – по времени и по току, то есть защиты уровня «стойка» не сработают раньше защит на уровне ячейки или модуля:
1. Уровень защиты от короткого замыкания в стойке MCCB – автоматический выключатель, который имеет управление системой BMS стойки. Отключение всего батарейного массива по общей аварии. В дополнение к автомату имеется ещё и плавкая вставка (предохранитель) силовых цепей постоянного тока. Уровни защиты: короткие замыкания между полюсами стойки или короткие замыкания на землю (любого полюса батарейного массива);
Рис. 15 Защита АКБ на уровне стойки с Li-Ion аккумуляторами
2. Уровень защиты «модуль» включает в себя: применение негорючего пластика для модулей, высокотоковые выводы батарей (470 А), воздушные промежутки между ячейками модуля для выравнивания температурных режимов каждой ячейки, изоляционные крышки для подключения силовых кабелей и защиты от случайного прикосновения.
Рис. 16. Защита на уровне модуля
3. Уровень защиты ячейки — защита от перезаряда, предохранительный клапан ячейки, электрический предохранитель, многослойный сепаратор ячейки, который блокирует заряд на уровне электрохимических процессов при повышении температуры ячейки более 250°C.
Рис. 17. Защита на уровне ячейки
А вот так выглядит бытовой переносной аккумулятор (power bank), в котором сработал или не сработал предохранительный клапан и литиевый аккумулятор разорвало от внутреннего давления. Причина этого явления в данном случае – короткое замыкание в физической структуре аккумулятора, вероятно связанное с деградацией батареи или неправильной эксплуатацией.
В России имеется свое производство литий-железо-фосфатных аккумуляторов (LFP), их производит новосибирская компания ООО «Лиотех», дочернее предприятие ОАО «РОСНАНО». Компания «Лиотех» создана для реализации в России проекта по производству современных литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). Подробности и дополнительную информацию вы можете почитать на официальном сайте Лиотех.
На данный момент предприятие поставляет готовые решения на базе инверторов off-line типа, ориентированных на бытовой сектор и солнечную и ветрогенерацию. Однако, завод ведёт работы по адаптации батарейных ячеек к любому ИБП промышленного исполнения. Задача заключается в отработке решения с точки зрения защит и получения пожарных сертификатов на внешний батарейный шкаф вместе с системой BMS в привязке к любому присутствующему на рынке промышленному ИБП.
Производитель литиевых аккумуляторов «Лиотех» заявляет в своих спецификациях, что при глубине разряда 80% можно получить 3000 циклов заряда-разряда, при этом они и дальше продолжают работать, в то время как свинцово-кислотные заметно теряют ёмкость. Для свинцово-кислотных батарей заявленное количество циклов даётся при снижении емкости на 40%, «Лиотех» же заявляет, что снижение ёмкости после 3000 циклов всего 20%. В буферном режиме и неглубоком циклировании АБ «Лиотех» отработают 5000-7000 циклов и более. Единственное, чего боятся такие аккумуляторы, это перезаряд (нельзя заряжать больше 3,75 вольт на ячейку), и глубокий разряд ячеек (меньше 2 вольта нельзя разряжать), поэтому нужно устанавливать на аккумуляторы BMS (Battery management system) и балансиры на каждую ячейку аккумуляторов.
Заключение
В настоящее время технологии изготовления обеспечения защиты и правильной эксплуатации литий-ионных аккумуляторов вплотную приблизились к промышленному сектору и решениям для резервного питания критичных потребителей. И, хотя, на текущий момент они всё ещё остаются достаточно дорогими, по сравнению с классическими VRLA аккумуляторами, у них есть свои перспективы применения. В первую очередь, данные решения очень подходят для объектов, где нет возможности держать на постоянной основе группу инженеров-эксплуатационщиков – для крупных объектов, или там, где вся техническая поддержка по электроснабжению (и ИБП в частности) отдана на аутсорсинг.
Как заявляет компания Schneider Electric:
«Мы в Schneider Electric всегда пристально следим за трендами, развитием технологий и стараемся действовать проактивно. Сейчас мы видим перспективу развития более легких и удобных решений для обеспечения бесперебойного электропитания, основанных на литий-ионной технологии», – так объясняет стратегию компании Анна Мизиева, менеджер по развитию однофазной продукции подразделения IT Division компании Schneider Electric
Или вот ещё цитата статьи от 07 марта 2018 года в издании С-News под заголовком «Schneider Electric представила однофазные ИБП с литий-ионными аккумуляторами»:
«К преимуществам Li-Ion аккумуляторов по сравнению с традиционными АКБ относятся: компактные размеры и меньшая масса, до 4 раз выше скорость зарядки, вдвое больший срок службы аккумуляторной батареи (до 10 лет), возможность работы при температуре до +40 °C без существенного ухудшения параметров. Как результат, суммарная стоимость затрат на обслуживание снизилась на 35% по сравнению с аналогичными моделями с другим типом аккумуляторов. Применение Li-Ion аккумуляторов лежит в русле современной тенденции повышения температуры в залах центров обработки данных для экономии энергии за счёт менее интенсивного охлаждения.»
Подробнее>>
При видимых больших затратах на этапе реализации проекта заказчик получает надёжную систему бесперебойного питания на горизонте 8-10 лет, не требующую непосредственного контроля состояния каждой батареи, периодических «тренировок» массива АКБ для уточнения реальной автономии ИБП и прочее. Заметим, что проведение хотя бы одного полного цикла разряда-заряда VRLA батарей в составе ИБП требует большой организационной подготовки мероприятия и является достаточно опасным мероприятием для чувствительного информационного оборудования. В случае применения Li-ion батарей в составе ИБП полный цикл заряда-разряда батарей в принципе не требуется и даже противопоказан, а частичные разряды батарей в реальном цикле эксплуатации ЦОД даже рекомендованы производителем, и литиевые батареи изначально дружелюбны к подобному режиму эксплуатации.
Бонус:
рекламный ролик Schneider Electric
В данном материале использована информация:
- Информационная статья №231, «Часто задаваемые вопросы по использованию литий-ионных аккумуляторов с ИБП», Schneider Electric, 2016 год
- Информационная статья №266, «Типы аккумуляторов для однофазных ИБП: сравнение свинцово-кислотных аккумуляторов с клапанным регулированием (VRLA) с литий- ионными аккумуляторами» Schneider Electric, 2016 год
- Информационная статья №229, «Технология аккумляторов для ЦОД: сравнение Li-Ion аккумуляторов со свинцово-кислотными аккумуляторами с регулирующим клапаном (VRLA)», Schneider Electric, 2016 год
- «Концепция развития систем хранения электроэнергии в РФ», Минэнерго РФ, 21 августа 2017 года.
Javian
В общем-то надо проводить ежемесячное переключение на ИБП. Например мне знаком гособъект, где емкость батарей позволяет работать оборудованию (оборудование связи и сервера) не менее 8 часов. И ежемесячно переключаются на питание от батарей на 2 часа.
Gromazeka13 Автор
Это не всегда возможно, в данном случае персонал если и подозревал подвох и ненадежность показаний ИБП, то просто боялся самостоятельно делать переход на ИБП и потом отчитываться перед руководством. Как определить где меньше риск? перейти на байпас и заняться регламентом и проверкой состояния батарей, или работать как есть до тех пор, пока не отрубят внешнее питание? Причем в данном случае и ДГУ был, но ИБП «лег» без предупреждения…
Int_13h
А тому, что ИБП лег без предупреждения есть несколько причин:
Экономия на техобслуживании, когда специально обученные люди регулярно проверяют состояние систем электроснабжения, от раза в год до раза в месяц, в зависимости от желаний заказчика. И при этом вероятность отказа в нужный момент сводится к минимуму.
Неправильный подбор оборудования. Многие ИБП умеют сами тестировать свои батареи, и чуть что — сразу предупреждают пользователя о возможности отказа.
Если тест не прошел, пора специально обученным людям искать и менять ненадежные батареи.
Gromazeka13 Автор
что значит в логах Power? это мощность? какая величина. И Health это в чем? в попугаях? я так понимаю это некий алгоритм подачи нагрузки на батареи, пользуясь не реальной IT нагрузкой, а встроенным нагрузочным сопротивлением, которое калибровано и сравнение с которым и дает количество «здоровья». Но тут надо смотреть какова «гирлянда» батарей в конкретном ИБП. В описанном случае в статье контроллер ведь тоже не от фонаря показывал автономию. Однако без проверки каждого аккумулятора это было фикцией… КЗ можно только нагрузочной вилкой определить на каждой батарее. И кстати, как вставить фото в комментарии в смартфоне?
Int_13h
Power это мощность, только в каких единицах, не задумывался, а в сервисмануалах нет данных. Возможно, Watts/Cell @ 15 Minutes, но не факт. Вообще используется два этапа теста — нагрузка 20% номинальной мощности ИБП на 360 секунд и 50% на 45 секунд. Номинальная мощность того, что из логов 160 кВА. Грузит либо на нагрузку, подключенную к выходу, если же нагрузка недостаточна, умеет в сеть энергию отдавать.
Health здоровье в процентах от первоначального теста (считается за 1, или 100%), вычисляется через внутреннее сопротивление, часто может плавать в течение года, летом, например 0.8..0.75, а к зиме вырастает обратно до 0.9. Это говорит о том, что летом в помещении жарче, чем зимой.
«Гирлянда» — 40 АКБ последовательно. По опыту, могу сказать, что в качественных АКБ одной партии внутреннее сопротивление большую часть заявленного срока службы (5 или 10 лет) остается сравнительно одинаковым для всех АКБ при соблюдении правильных условий эксплуатации (температура в помещении 20..22 градуса, включение термокомпенсации заряда). А если внутренние сопроивления в цепочке одинаковы, то и заряд/разряд происходят равномерно, и балансировки не требуется.
sirocco
Разные UPS есть.., например в двух известных мне марках есть «полный тест батарей», и проводится он так: ИБП салится на батареи и высаживает их в ноль (допустимый минимум для батарей), но как только батареи перестают держать нагрузку, ИБП мгновенно переходит на питание от сети. И мы узнаём точное время, сколько он проработает от батарей, и нагрузку он не уронит. Но в итонах этой функции нет, в АРС тоже.
JerleShannara
В легендарити чтотобилити эта функция есть, только называется runtime calibration.
Int_13h
Учитывая, что АКБ имеют ограниченное число циклов заряда/разряда, это скорее вредная функция, особенно, если ИБП и так часто на них падает из-за качества питающей сети.
Gromazeka13 Автор
Int_13h — согласен. Если учесть заявленные циклы для свинцовых АКБ — 500 (а по факту наверно 300-350 ) то если например делать runtime calibration раз в неделю, то это будет за 5 лет — 240 циклов. Думаю никто не будет заниматься этой «фигней» понимая риск получить как то раз отказ ИБП в реальной ситуации. И это мы еще говорим о «идеальных» климатических условиях серверной, классический вариант. А ведь есть масса примеров установки ИБП по остаточному принципу- где место было, туда и поставили. Я лично знаю несколько таких примеров.
Int_13h
Раз в неделю даже жуткие параноики не устраивают испытаний, а вот раз в месяц проводить — обычная практика для той же РЖД или ОрВД, но там и не «котики для ютуба» пострадают в случае неожиданного отказа. Некоторые ребята вообще раз в год АКБ меняют, просто от того что деньги есть.
А про примеры установки и эксплуатации ИБП можно не одну статью написать, жаль только фото нет ни одной.
2. под столом в подсобке, за которым чай пьют (один крупный продавец спорттоваров).
3. на складе, забитом коробками с одеждой буквально от пола до потолка, чтобы добраться до ИБП, надо весь склад вынести (один крупный продавец брендовой одежды).
4. под лестницей запасного выхода на улицу (еще один крупный банк).
5. в обычном подвале в истинно советской электрощитовой — вместо пола песок (психбольница).
6. советская электрощитовая на подстанции, открытая всем ветрам. Уличная температура (от -35 до +35), летом птицы на ИБП гнездо свили (еще одна больница).
7. перед установкой ИБП два года хранился на улице под дождем и снегом где то на северах, шкаф с АКБ (полторы тонны) на ИБП сверху поставили (нефтяники).
8. при пожаре в зданиии ИБП работал «до последнего» — пока пожарник топором не разрубил кабеля от батарейного шкафа. Внутри был забит сажей, затянутой вентиляторами, просто отмыли спиртом, уже 10 лет трудится дальше (тот же крупный продавец спорттоваров).
9. уронили ИБП на пол с батарейного шкафа при установке (80 кг с высоты полтора метра), корпус перекосило, кувалдой правили, внутри просто на паре плат угловые крепления сломались, так же 10 лет уже работает (тот же крупный продавец спорттоваров).
10. от влажности в помещении нержавеющие решетки вентиляторов заржавели, ИБП без прогрева, пока платы вентиляторами не продует, работать отказывался — сенсоры неверно напряжения измеряли, т.к. сопротивления резисторов уходили от 1 МОм до 0.5 МОм. Отвертку на ночь оставил там — с утра ржавчиной была покрыта вся (тоже добытчики, самых дорогих наверное полезных ископаемых ;)
11. по приказу руководства (или арендодателей) «гасить все электрооборудование ежедневно» все вырубается автоматом в элетрощитке. ИБП каждый вечер высаживает АКБ в 0, с утра начинает их заряжать, один-два года испытаний постоянным зарядом/разрядом и батареи трупы (одна больница и один торговый центр).
12. Удачный выбор производителя. В ИБП отказала плата «мозгов», он вроде как работоспособен, но перешел на байпас. Техподдержка только в Москве, выезд только по предоплате (100 тыс. руб за посмотреть), предоплата это договор и прочая бюрократия крупной организации. Пока ИБП не работал пару раз были проблемы с электропитанием (грозы и ветер, КЗ по высокой стороне до подстанции), соответственно питание пропадало на несколько секунд (пока сработает АВР). Итого минус два сервера по 700 тыс. руб. каждый.
13. на закуску. Выиграла тендер на обслуживание левая организация. ИБП выключили, включили, он бахнул внутри, разобрали, отремонтировать не смогли, пропали, на них заказчик в суд подал. Пока суд да дело, целый корпус больницы без защищенного электропитания уже скоро как пол года.
FDA847
Действительно, это возможно не всегда. Лучший вариает — использование двух групп батарей и еженедельное тестирование каждой группы при работе на тестовую нагрузку. Вероятность выхода двух батарей из строя одновременно равно произведению вероятностей выходу из строя только одной. Поэтому данный метод чётко выявляет неисправность.
Ну и не забывать проводить контроль симетрии батарей, но это уже классика.
Gromazeka13 Автор
Вот в случае литий- ионной технологии за все это отвечает bms, не надо прогружать каждую батарею, пытаясь выявить готовую к коротышу сульфатированную банку. Достаточно планомерно контролировать состояние батарей удаленно. А в классической конфигурации после трёх лет уже ни в чем нельзя быть уверенным.
FDA847
Да, у лития в этом плане большие плюсы!
Googlist
Что мешает прилепить bms на свинец? Там то же самое, просто напряжения чуть пониже. Достаточно планомерно контролировать состояние батарей удаленно. Литий — не панацея, просто он опаснее, поєтому к нему и прикручивают свистелки, которьіе на свинце — ненужньіе излишества.
Gromazeka13 Автор
Не согласен, уважаемый Googlist. Здесь вы получаете комплексную систему мониторинга. В классической системе с внешним или внутренними батареями (берем вариант НЕмодульных батарей, а любых обычных VRLA) стандартно продают и покупают ОДИН датчик температуры.И вот тут говорить о нормальной BMS вообще не приходится. Например, реальный алгоритм замены батарей на промышленном предприятии — это периодический контроль распределенной сети ИБП через средства АСУТП, где они зашиты все вместе, и при повышении температуры на каком то ИБП (читай его батареях), что очень косвенно, персонал идет на место и выясняет какая из батарей начала тепловой разгон и ее и меняет. При покупке классического ИБП почти любой заказчик не парится двумя или тремя датчиками температуры для своего ИБП, все довольны штатной комплектацией. Потом получаем, то что выше произошло. Конечно все индивидуально для каждого конкретного заказчика, для каждой службы эксплуатации, наличия грамотных специалистов, которые мыслят не одним днем или годом у данного работодателя.
JerleShannara
У нормальных контор датчики интегрированы в клемму АКБ, и стоят не конских денег.
Gromazeka13 Автор
А пруф есть, что за батареи с датчиком в клемме? Положим, что такие АКБ стоят «не конских денег» а как обычный автомобильный АКБ. Где вы возьмете столько портов под датчики для каждой батареи? + все это прописать в оболочке АСУТП + пачка проводов от датчиков, + держать в ЗИПе именно такой аккумулятор… В любом случае получается бюджет будет выше.
JerleShannara
Huawei UPS5000 серия. В маленьких каждый батарейный блок имеет оный мониторинг. В старшей серии выбор АКБ на совести интегратора, можно соединительные клеммы с датчиками купить за гуманные (цены идут почти на порядок дешевле, чем у шнайдера). Данные собирает один из блоков самого ИБП. А далее RS485/CAN/Ethernet со всякими Modbus/SNMP куда угодно, хоть на мобильник директора, хоть в АСУТП.
Alexus819
горит литий красиво( при механическом повреждении банок).
NordicEnergy
Что угодно горит/ломается/взрывается при нарушение условий хранения и эксплуатации. Знаете ли газ тоже взрывается, однако заводы его используют и вроде пока не взрываются сами по себе.
Gromazeka13 Автор
абсолютно согласен: как однажды рассказывал мне человек на газозаправочной станции — загорелась легковушка при заправке (пропан), хозяин увидев это сиганул к забору станции и бросился перелезать через ограду, а этот человек схватил огнетушитель (баллон на колесах со шлангом) и начал тушить… Ему это удалось, правда поскольку была зима, а он был в валенках его все время «откатывало» (скользил) от машины давлением из шланга… Но вот тем не менее ничего не взорвалось…
Gromazeka13 Автор
В данном случае может и было повреждение аккумулятора, не известно. Раньше это было при использовании чистого лития вместо графитового сепаратора, вырастали дендриты, которые коротили электроды. Далее всем понятна реакция на КЗ и вот то что видно на фото… Кстати в данном случае огня не было, просто шипение
sinigr
Pb-Acid батареи эффектно вздуваются в неожиданных местах при внутренних неисправностях (часто при исчерпании ресурса) с механическим заклиниванием блоков батарей в несущих конструкциях.
Спецы из обслуживающей организации рассказывали, как пришлось блок Pb-Acid батарей вырезать болгаркой из стойки, так раздуло, что был деформирован корпус блока (а там сталь миллиметра полтора). Ну и плюс коллекция вздутых в разных местах батарей используется в качестве тяжелых предметов для фиксации дверей/груза при склеивании/etc
Даже удивляемся, как их так вздувает и при этом не разрывает.
Insane11
А ещё при разгерметизации перегретых свинцовых банок, в серверной стоит неповторимый запах сернистых испарений. Ну и модные дырки на одежде от кислоты. = )
Gromazeka13 Автор
Insane11, это вы видели? любопытно. Что потом происходит со всем железом (и ИТ, и обычным железом) после этого? Оно ж гнить начинает с космической скоростью, а потом любопытные глюки в неожиданных точках любой системы
Insane11
Скорее нюхал. = )
Как ни странно с железом ничего не случилось, видимо не хватило влажности воздуха и\или концентрации паров, чтобы реакции запустились. = )
Gromazeka13 Автор
Это вы про статью со взрывом станции мобильного оператора? там же вроде выяснили, что брак АКБ на самом деле был… Впрочем это был южный регион, и учитывая «нежность» температурных режимов для свинца возможно был комплекс причин… В случае лития этого не произошло бы, ИМХО.
lokkiuni
Ну обычно всё же немного не так: диапазон напряжений 1й банки от 2.5-3.3в до 4.0-4.3, в зависимости от состава электролита и т.п., и для получения 10.8в берут 3 банки с номинальным напряжением 3.7в и получают на выходе от 7.5-9 до 12.6в в зависимости от заряда. Для 18в батарей — 12.5-15 и 21в соответственно. Возможно, конкретно Макита сделала через ШИМ понижение с 4 банок (10-12в нижняя граница) до номинальных, но я пока не слышал о таком — тяговые литиевые аккумуляторы гораздо «нежнее» садятся, и порой только по отсечке понимаешь, что пора бы уже пора. И в целом в электроинструменте обычно только плата защиты стоит, без понижения.
Gromazeka13 Автор
Вот в алгоритмах платы защиты и весь фокус- слаботочный аккумулятор просаживает напряжение при пуске или под нагрузкой, BMS cчитает что предел 3,7 В достигнут (ну где то до 3,6В для бытового сегмента пишут) и вырубает банки… Откуда вы взяли 2,5-3,3 для классического лития? Тот же самсунг для ячейки позиционирует 2,7-4,2 Вольта
lokkiuni
Я имел в виду нижюю границу. Зависит от модели, какие-то 2.5, какие-то 2.75, какие-то 3 нижняя граница, мне в основном попадались те, что 2.5в. И это только у Самсунга 18650. Телефонные при 3.3 рубятся по защите. И верхняя тоже бывает разной, от 4.1 до 4.3, в зависимости от ингибиторов, на сколько понимаю — старые были в основном до 4.1, новые в основном до 4.2.
Gromazeka13 Автор
Если брать промышленный сектор — то тут как раз от типа батарей зависти. Те же LFP батареи — это нижняя планка 2,5 вольта. Если говорить о бытовом сегменте- то тут сложнее — они же все Li-Po (и Li-Ion), поэтому ориентир — это конечно надпись на аккумуляторе. я встречал во всех телефонах только 3,7-4,2 В… Кстати на зарядном ImaxB6 вилка задана жестко для лития
Am0ralist
Dvlbug
А какие есть ИБП ценового диапазона в районе 100-200 тысяч на 3кВа со встроенным балансировщиком аккумуляторов? Или хотя бы как их опознать при покупке? Пока что видел только те, в которых последовательно установлены по 4 или 6 аккумуляторов (48 и 72 вольта). Что не очень хорошо.
Пока что склоняюсь к использованию ИБП с внешними аккумуляторами (AGM) и вешать на них что-то вроде этого
Gromazeka13 Автор
Dvlbug. Один знакомый сделал себе систему для личных нужд с внешними аккумуляторами на базе ProVision Black, фото где то есть. Ценник не спрашивал, но внешние акки- это просто обычные 12 вольтовые автомобильные. Это однофазный ИБП для котла и самого важного в доме. Кидайте почту в личку, скину мануал, если надо и фото (если найду). Балансировку для свинца? не знаю, а надо ли?
Exchan-ge
Случилось именно то, что и должно было случиться — у «необслуживаемых» кислотно-свинцовых батарей есть такая недокументированная особенность: когда «шёл пятый год после начала эксплуатации» — жди внезапного отказа.
Проверено неоднократно.
Gromazeka13 Автор
Согласен, но контроллер ИБП внушал оптимизм, чего не случилось бы в варианте литиевой bms. Согласитесь- когда тебе показывает ИБП 15-20 минут автономной работы можно успокаивать себя, что уж для «обслуживаемого»ДГУ и его планового запуска поддержки должно хватить по любому…
Exchan-ge
Я не знаю, на чем основываются его показания, наверное, как и у всех аналогичных приборов — на величине напряжения на клеммах.
Напряжение в порядке — но стоит дать большую нагрузку — и все, конец.
Объяснить химию процесса не могу, инфа просто из многолетнего опыта эксплуатации необслуживаемых аккумуляторов (обычных, не «гелиевых»)
Exchan-ge
А как же быть со словами Илона Маска: «Чтобы производить 500 000 автомобилей в год, нам придется закупать весь литий в мире»?
Gromazeka13 Автор
Он так говорит, потому что места добычи лития уже стали вторым «клондайком». Как говорит один миллионер из штатов «если бы я не тратил (не помню сколько) сотен миллионов долларов на инвестиции в кобальт, то через пять лет вам бы понадобился телескоп что бы посмотреть цену на него». Вольный перевод, но все же… пруф могу выложить
Gromazeka13 Автор
Кстати про нефть тоже сколько копий сломано, когда она закончится… Но вот всё ещё имеется и качается…
Exchan-ge
В общем, даже прогнозы времен «энергетического» кризиса давали миру более чем столетний срок до исчерпания запасов.
(Не помню уже, в Северном море начали качать до 1973 года, или уже после)
Gromazeka13 Автор
Я где то читал, что даже в законсервированных скважинах была заново обнаружена нефть, теперь специалисты строят догадки каким образом она там взялась… Такой же сценарий возможен и с литием… а вот с кобальтом- не факт…
Exchan-ge
Я это читал примерно там же, где пишут, что египетские пирамиды собраны из бетонных блоков.
(усиленное продвижение («педалирование») электроавтомобилей в наше время — скорее всего связано с близящимся исчерпанием запасов нефти).
Lazytech
Сдается мне, электромобили продвигают больше потому, что
это модно и стильноавтомобили с ДВС — один из основных источников антропогенных выбросов углекислого газа, который считается главным виновником глобального потепления. А нефти и природного газа еще до конца этого века хватит, наверное.Exchan-ge
Нельзя взять и в одночасье отказаться от ДВС.
Идет отработка технологий.
К слову — автопилоты это один из способов экономии топлива.
Нефть нужна химии.
«Сжигать нефть — всё равно, что топить печку ассигнациями» (с) Менделеев
Lazytech
Для нужд химии уже сейчас можно производить аналоги нефти и нефтепродуктов с помощью биотехнологий, просто пока они обходятся достаточно дорого.
VBKesha
А что сейчас у LiIon в плане деградации при полном заряде. Не раз натыкался что при 25 градусах и полной зарядке за год емкость падает на 20%
Gromazeka13 Автор
VBKesha <img src=«http://
» alt=«image»/>
Что случается с #liion #аккумулятор в смартфоне. 1- батарея из хуавей, 2 года работы, начальная емкость- 3450мАч, сейчас- всего 650мАч, то есть всего четверть примерно, 2-батарея из #htcone, три года работы начальная емкость- 2300мАч, сейчас- около 1000мАч, то есть всего 50%. Перед заменой на новые оба телефона вели себя одинаково, полдня работы, #самовыключение на 30-50%заряда. К чему я это? Субъективно батарея #nexus6p хуже по качеству, так как осталось всего четверть ёмкости, у HTC вроде лучше — 50%. Основное правило нынешних бытовых устройств на литиевых батареях- заряжайте чаще, не сажайте в ноль, не давайте разогреваться устройству до состояния «горячий как сковородка»- это снижает ресурс. А вообще в любом случае — 2-2,5 года — это каюк батарее любого телефона. Но эти ещё пойдут для #заколхозимвсё
VBKesha
В ИБП другой режим работы, там как раз таки зарядили до упрора, и если ничего не случилось то так и живем. Так вот вопрос в том что вроде для Li-Ion/Li-Po это не очень хороший режим.
Arxitektor
Цены конечно на литиевые ИБП конские.
А в России они официально продаются? Просто тоже думаю купить хороший ибп.
Комп у меня мощный нужно около 900 Вт.
Gromazeka13 Автор
можно или собрать самому, платы BMS копейки стоят. Я планирую собрать себе на 18650 батарею для магнитолы, все комплектухи есть, времени не хватает. Или купить готовый от Шнайдер например. У Eatona есть на литии решения, но офф-лайн, вам может для личных нужд подойти. Еще вариант взять любой живой ИБП, но с убитой батареей и воткнуть туда готовый литиевый массив, например от самоката, ну там еще придется разъем для зарядки заколхозить. В общем ваш выбор
Exchan-ge
Преобразователь 12-220 с внешней аккумуляторной батареей («автомобильной»)
750...2200 Вт (не ВА)
6-10 миллисекунд на переключение
Повышенная мощность = преобразователь на два аккумулятора.
Ступенчатая аппроксимация синусоиды или (для маломощных) — синусоида.
Для 900 Вт — два акка на 130 А/Ч — хватает на два часа работы, 2х75 — на час.
Я использую 2 шт. Bosch S4 Silver, это AGM аккумуляторы («гелиевые») — для ИБП это лучший вариант
Gromazeka13 Автор
6-10 миллисекунд очень хорошо… полпериода… Винда или ось упадет через больше чем период сети… так считаются все блоки питания для ИТ-оборудования… а это заявленное время переключения от производителя ИБП? А вот ступенька в синусоиде очень не понравится однофазным насосам или подобным электродвигателям…
karlkarlovi4
что такое 40 минут для серверной? за это время может не произойти восстановление штатного ЭЭ а так же могут не запустить дизель генератор например, если он имеется конечно.
У нас серверная в подобном помещении, стоит ЭПУ Eltek FlatPack 2, 4 группы батарей (1 = 4 батареям, вес каждой группы 200 кг. + инвертор еще 150 кг.) все это на тех. этаже 12 этажного дома. Про вес думали долго, сделали разгрузочную платформу и на нее все это поставили, 2 года эксплуатации без проблем, такой комплект позволяет работать серверной 8 часов (это максимум который был за два года).
Gromazeka13 Автор
Около тонны в одной стойке? да многовато для жилого сектора. Но опять таки в какое место у вас попадает эта стойка с флат паками. Лучше всего возле несущей стены, или уж на стыке плит (там же пустотные скорее всего). Тогда может не пришлось бы и разгрузку делать. Надо смотреть живой пример. На моих фото как видно, несущая часть это колонны возле глухой стены, а батарейное место получалось примерно уже два — три метра от стены… то есть риск определенный уже рисовался. А можете что то по опыту эксплуатации Элтек добавить? просто интересен опыт эксплуатации
Gromazeka13 Автор
Батареи какие? каков тепловой режим эксплуатации? Наблюдал ситуацию, когда по мониторингу на одном объекте было порядка 32-27 градусов по всем ИБП в системе. Правда не ясно, где там датчики стоят, и что конкретно они измеряют (имею в виду градиент температур в стойке относительно самих батарей)
Ezhyg
Да уж… «Наши люди...» даже представить не могут, что разрезать плитку/камень, проштробить стену или сделать отверстие в стене, без заваливания всего вокруг пылью, залития объекта грязевыми потоками — просто невозможно! А промышленные, строительные и прочие не бытовые пылесосы — придумали «засланцы». Фильтр (мобильный или передвижной или даже кондиционер взамен него) для сварочных работ — вообще фантастика, а «ручная» точечная сварка — даже дважды. Да что там, просто ограждение места проведения работ — «не, не слышал, все любуйтесь на Свечу Яблочкова»