60°C는 BBU 배터리에 안전한가요? 랙 레벨 셀은 왜 여전히 45°C가 필요한가요?

TL;DR — 짧은 답변

BBU는 거의 사이클링으로 죽지 않습니다. 앉아서 죽습니다. 장치는 서버 랙 내부에 장착되어 열을 발생시키는 장비 옆에 있으며, 서비스 수명의 대부분을 아무것도 하지 않는 높은 충전 상태로 보냅니다. 이 조합 — 영구적인 대기 상태와 높은 온도 — 가 방전 이벤트 횟수가 아닌 실제 수명을 결정합니다. 게시된 셀 데이터는 일반적으로 35°C를 기준으로 6년이라는 수치를 제시합니다. 그보다 10°C 높을 때마다 노화율이 대략 두 배가 됩니다. 45°C에서 셀이 유지되는 랙은 예상 수명의 절반으로 계획해야 하며, 55°C에서는 1/4로 계획해야 합니다.

주요 내용

• BBU는 랙에 장착되므로 실내 온도보다는 캐비닛의 열을 받습니다.
• 밀집된 GPU 캐비닛에서 셀 표면 온도는 일반적으로 유입 공기보다 10~15°C 높습니다.
• 10°C 규칙: 10°C 상승할 때마다 노화율이 대략 두 배가 됩니다.
• 60°C, 심지어 80°C의 데이터시트 방전 한계는 생존 한계이지 서비스 대상이 아닙니다.
• 25°C 사이클 수가 아닌 45°C 및 55°C에서의 용량 유지율 데이터를 요청하십시오.

배터리 백업 장치(BBU)는 서버 캐비닛 내부에 장착되어 주 전원 공급 장치에 문제가 발생한 순간부터 안정적인 공급이 이루어지는 몇 초 동안 부하를 담당하도록 제작된 소형 배터리 모듈입니다. OCP ORV3 참조 설계에 따르면 각 BBU 장치는 4분 동안 15kW를 제공할 것으로 예상됩니다. 상용 쉘프는 더 작은 패키지로 동일한 논리를 따릅니다. 즉, 4개의 교체 가능한 BBU 슬롯을 수용하는 1U 섀시로, 약 7kW 등급이며 3분 이상 12V DC 버스를 백업합니다.

두 가지 결과가 따르며, 이는 셀의 노화 방식에 대한 모든 것을 결정합니다. 첫째, 팩은 서버와 동일한 인클로저에 있기 때문에 랙 수준의 BBU는 컴퓨터실이 아닌 캐비닛 내부를 봅니다. 둘째, 듀티 사이클은 거의 없습니다. 1년에 몇 번, 각각 몇 초에서 몇 분 동안 지속되는 이벤트입니다. 따라서 1,000회 사이클 등급은 실제로는 관련이 없습니다. BBU가 실제로 견디는 것은 캐비닛이 유지하는 온도에서 높은 충전 상태로 장기간 플로트하는 것입니다.

CRAC 디스플레이의 숫자는 장비에 공기가 도달하기 전에 측정된 유입 공기입니다. 100kW 이상의 GPU 서버를 실행하는 랙 내부에서는 이 숫자가 유용한 대리 지표가 되지 못합니다. 뜨거운 공기는 캐비닛 후면에서 전면으로 재순환되고, 랙 상단은 하단보다 더 따뜻하며, BBU 슬롯은 열을 발산하는 다른 모듈 뒤에 위치합니다. 실제로는 셀 표면 온도가 유입 온도보다 약 10~15°C 높습니다.

이것이 바로 BBU의 경우 실내 온도와 셀 온도 간의 구분이 거의 다른 모든 응용 분야보다 더 중요한 이유입니다. 쾌적한 27°C 유입 온도를 유지하는 시설에서도 셀 온도는 40°C가 될 수 있습니다. 냉각 실패 또는 폭염 중에 드물지 않은 35°C 유입 온도로 랙이 올라가면 셀 온도가 45~50°C가 될 수 있습니다. 바로 노화 곡선이 가파르게 되는 지점입니다.

놓치기 쉬운 두 번째 메커니즘이 있습니다. 뜨거운 인클로저에서 리튬 셀을 충전하면 충전 수용성이 감소하고 더 많은 전류가 부반응으로 흐릅니다. 45°C에서 반복적으로 재충전되는 BBU는 45°C에서 단순히 보관되는 BBU보다 더 빨리 손상됩니다. 이는 완전 충전을 쫓는 것보다 플로트 전압을 보수적으로 유지하는 것이 강력한 주장입니다.

그림 1. 라이브 서버 랙 내부의 1U BBU 모듈: 셀은 실내 온도가 아닌 캐비닛의 열을 받습니다.

리튬 노화는 아레니우스 관계를 따릅니다. 반응 속도는 온도에 따라 기하급수적으로 증가하며, 업계에서는 10°C마다 속도가 두 배가 된다는 약어를 사용합니다. BBU에 적용하면 헤드라인 수치가 훨씬 짧은 실제 수치로 바뀝니다.

한 셀 제조업체는 35°C에서 BBU 셀에 대해 6년의 서비스 수명을 발표하고, 별도로 45°C에서 수백 회 사이클 후에도 우수한 용량 유지율을 보고합니다. 두 숫자 모두 정직합니다. 단순히 두 가지 다른 열 환경을 설명합니다. 아래 표는 10°C 규칙이 첫 번째 수치에 미치는 영향을 보여줍니다.

표 1. 35°C를 기준으로 한 6년 등급에 대한 표시 수명

참고: 10°C 규칙에서 추정되었으며 측정된 보증이 아닙니다. 실제 결과는 충전 상태, 화학 성분 및 듀티 사이클에 따라 달라집니다.

동일한 산술이 사이클 수명에도 적용됩니다. 25°C에서 2,000 사이클 등급의 셀은 일반적으로 45°C에서 눈에 띄게 적은 수명을 제공합니다. 화학 성분, 방전 깊이 및 충전 프로토콜에 따라 일반적으로 절반 정도입니다. BBU의 경우 달력 노화보다 덜 중요하지만 유지 보수 간격에는 중요합니다. 서류상 6년 동안 지속될 것으로 예상되는 팩은 3년 이내에 교체가 필요할 수 있습니다.

셀 데이터시트의 온도 범위는 서비스가 아닌 생존을 설명합니다. BBU 용도로 인증된 널리 사용되는 18650 셀은 0°C에서 약 55°C까지 충전, 합리적인 서비스 온도 범위를 훨씬 초과하는 방전 등급, 그리고 서늘하고 건조한 조건을 가리키는 보관 지침을 나열합니다. 이 줄들을 함께 읽으면 공급업체의 의도가 명확해집니다. 셀이 뜨거운 상태에서 치명적으로 고장 나지는 않지만, 제어된 환경에서 수명을 보낼 것으로 예상됩니다.

엔지니어링 관행도 동일한 결론을 따릅니다. 셀이 60°C 또는 70°C로 등급이 매겨진 경우에도 설계자는 일상적으로 그곳에서 작동하지 않도록 권장됩니다. 일반적인 설계 목표는 정상 서비스에서 셀을 약 45°C 이하로 유지하는 것이며, 최종 한계는 인증 데이터, BMS 전략 및 인클로저에 의해 설정됩니다.

이것이 사양 시트 검토에서 일반적으로 놓치는 부분입니다. 두 공급업체 모두 60°C 등급을 표시할 수 있습니다. 그중 하나만 45°C에서 1년 후 셀이 유지하는 것을 보여줄 수 있습니다. 첫 번째 숫자는 합격 또는 불합격선이고, 두 번째 숫자는 서비스 계약 기간 동안 랙에 배터리 교체가 필요한지 여부를 결정하는 숫자입니다.

뜨거운 캐비닛용 BBU 팩을 사양하는 경우, 아래 질문은 이 응용 분야에 대해 테스트한 공급업체와 일반 용도 셀을 인용하는 공급업체를 구분합니다.

• 45°C에서 6개월 및 12개월 후의 용량 유지율 (두 가지 다른 충전 상태).
• 실제 랙에서 볼 수 있는 방전 깊이에서 45°C에서 300~500회 사이클 후의 유지율.
• 정격 펄스 전력에서의 온도 상승 (단일 합격/불합격 숫자가 아닌 곡선 형태).
• 보관 충전 상태 지침 및 35°C 이상에서 권장 사항이 변경되는지 여부.
• 높은 초기 온도에서의 남용 테스트 동작 (25°C뿐만 아니라). 산업용 리튬 셀의 경우 IEC 62619에 따른 안전 테스트가 문의해야 할 기준선입니다.
• 개방 회로 전압 및 내부 저항의 배치 간 편차 (병렬 스트링은 불일치를 증폭시키므로).
• 공급업체 자체 실험실 외부에서 생성된 최소한 하나의 데이터 세트.

7가지 질문 모두에 대해 데이터(데이터시트 발췌가 아닌)로 답변할 수 있는 공급업체는 인증 슬롯에 넣을 가치가 있습니다. Teerbo의 "INR18650/21700 원통형 리튬 이온 셀" 및 "NCM 고속 배터리 팩"은 표준 제공품으로 펄스 방전 곡선, 배치 일관성 기록 및 UN38.3 문서를 함께 제공합니다.6. 수명을 되돌리는 세 가지 방법냉각 용량을 추가하지 않고도 열적 현실을 개선할 수 있으며, 세 가지 레버는 일반적으로 자체 비용을 회수합니다. 뜨거운 인클로저에서 팩이 100% 충전 상태로 유지되지 않도록 플로트 전압을 보수적으로 유지하십시오. BBU 슬롯을 재순환 경로에서 빼거나 배플을 추가하여 모듈이 배기구 대신 유입 공기를 보도록 하십시오. 그리고 평균 시운전일 판독값이 아닌 최악의 달의 예상 셀 온도에 대한 인증을 작성하십시오.7. FAQBBU는 UPS와 같은 것인가요?

데이터시트에 60°C라고 되어 있어도 BBU 셀을 55°C에서 실행할 수 있나요?

뜨거운 랙에 LFP 또는 NMC를 사용해야 하나요?

LFP는 일반적으로 열에 더 관대하고 더 넓은 안전 여유를 가지지만 에너지 밀도가 낮습니다. NMC 및 NCA는 더 많은 에너지를 제공하지만 더 엄격한 열 제어가 필요합니다. 결정 요인은 화학 성분 레이블이 아니라 셀 온도에서의 인증 데이터입니다.

고속 셀은 더 뜨겁게 작동하나요?

예, 방전 순간에 내부 저항이 전류를 열로 변환하기 때문입니다. 이것이 정격 펄스 전력에서의 온도 상승이 인증에 포함되어야 하는 이유이며, 25°C 실험실에서 편안해 보이는 셀이 밀폐된 모듈 내부에서는 몇 도 더 따뜻할 수 있는 이유입니다.

BBU는 실제로 얼마나 자주 방전되나요?

잘 운영되는 시설에서는 1년에 몇 번, 몇 초에서 몇 분 동안입니다. 따라서 노화는 대부분의 배터리 선택이 가정하는 것과 반대로 사이클링보다는 달력 효과에 의해 지배됩니다.

결론

BBU를 실내 온도가 아닌 셀 온도를 기준으로 사양하십시오. 밀집된 랙에서는 셀이 유입 온도보다 10~15°C 높게 작동할 것으로 예상하고, 6년 헤드라인이 아닌 해당 수치에서 서비스 수명을 계획하십시오. 60°C 등급은 셀이 과도 상태에서 생존할 것임을 알려주지만, 45°C에서 얼마나 오래 지속될지에 대해서는 아무것도 알려주지 않습니다. 먼저 45°C 유지율 곡선을 요청하고, 플로트를 보수적으로 유지하면 교체 간격이 더 이상 놀라움이 되지 않을 것입니다.

Teerbo Energy는 중국 동관에 본사를 둔 배터리 제조업체로, UN38.3 운송 테스트 및 IEC 62619와 일치하는 안전 문서와 함께 백업, 전동 공구 및 산업 OEM 응용 분야를 위한 원통형 리튬 이온 및 LiFePO4 셀과 맞춤형 고속 배터리 팩을 공급합니다. 뜨거운 인클로저용 백업 팩을 사양하는 경우, 캐비닛 온도 프로필과 듀티 사이클을 보내주시면 엔지니어들이 귀하의 배포에 맞는 화학 성분 및 팩 구성을 확인해 드릴 것입니다.