Почему батареи на базе стойки по-прежнему нуждаются в 45 градусах

Краткий ответ

ИБП почти никогда не выходит из строя из-за циклов зарядки-разрядки. Он выходит из строя из-за простоя. Устройство монтируется внутри серверной стойки, рядом с оборудованием, выделяющим тепло, и проводит подавляющую часть срока службы в состоянии высокого заряда, ничего не делая. Эта комбинация — постоянное ожидание при повышенной температуре — определяет его реальный срок службы, а не количество циклов разрядки. Опубликованные данные по ячейкам обычно привязывают шестилетний срок службы к эталонной температуре 35 °C; каждое повышение на 10 °C выше этого примерно удваивает скорость старения. Стойку, ячейки которой работают при 45 °C, следует планировать с половинным номинальным сроком службы, а стойку при 55 °C — с четвертью.

Ключевые выводы

• ИБП монтируется в стойке, поэтому он подвергается воздействию тепла шкафа, а не температуры помещения.
• В плотном шкафу с GPU температура поверхности ячейки обычно на 10–15 °C выше температуры входящего воздуха.
• Правило 10 °C: каждое повышение на 10 °C примерно удваивает скорость старения.
• Предельные значения разрядки в спецификациях 60 °C, даже 80 °C, являются пределами выживаемости, а не целевыми показателями обслуживания.
• Запрашивайте данные о сохранении емкости при 45 °C и 55 °C, а не количество циклов при 25 °C.

Блок бесперебойного питания (ИБП) — это небольшой аккумуляторный модуль, предназначенный для установки внутри серверного шкафа и поддержания нагрузки в течение нескольких секунд между сбоем питания и стабильным источником. В эталонной конструкции OCP ORV3 ожидается, что каждый блок ИБП будет выдавать 15 кВт в течение четырех минут. Коммерческие полки следуют той же логике в меньшем форм-факторе: шасси 1U с четырьмя слотами для сменных ИБП, рассчитанное примерно на 7 кВт, питающее шину постоянного тока 12 В более трех минут.

Из этого следуют два следствия, которые определяют все о старении ячейки. Во-первых, аккумулятор находится в том же корпусе, что и серверы, поэтому ИБП на уровне стойки видит внутреннюю часть шкафа, а не машинный зал. Во-вторых, рабочий цикл почти отсутствует: несколько событий в год, каждое длится от секунд до минут. Поэтому рейтинг в 1000 циклов практически не имеет значения. На самом деле ИБП подвергается годам работы в режиме подзарядки при высоком уровне заряда, при любой температуре, которую держит шкаф.

Цифра на дисплее CRAC — это входящий воздух, измеренный до того, как воздух достигнет оборудования. Внутри стойки с GPU-серверами мощностью 100 кВт и более эта цифра перестает быть полезным показателем. Горячий воздух рециркулирует с задней части шкафа к передней, верхняя часть стойки теплее нижней, а слоты ИБП находятся за другими модулями, которые сами рассеивают тепло. На практике температура поверхности ячейки примерно на 10–15 °C выше показаний входящего воздуха.

Именно поэтому различие между температурой помещения и температурой ячейки имеет большее значение для ИБП, чем для любого другого применения. Объект, поддерживающий комфортную температуру входящего воздуха 27 °C, все еще может нагреть свои ячейки до 40 °C. Стойка, температура входящего воздуха которой достигает 35 °C, что не редкость во время сбоя охлаждения или тепловой волны, может нагреть ячейки до 45–50 °C — именно там кривая старения становится крутой.

Существует второй механизм, который легко упустить. Зарядка литиевой ячейки в горячем корпусе снижает прием заряда и направляет большую часть тока на побочные реакции. ИБП, который неоднократно перезаряжается при 45 °C, накапливает повреждения быстрее, чем тот, который просто хранится при 45 °C, что является веским аргументом в пользу сохранения консервативного напряжения подзарядки, а не погони за полным зарядом.

Рисунок 1. Модуль ИБП 1U внутри работающей серверной стойки: ячейка подвергается воздействию тепла шкафа, а не показаний температуры помещения.

Старение литиевых батарей подчиняется соотношению Аррениуса: скорость реакций экспоненциально растет с температурой, и общепринятое мнение гласит, что каждые 10 °C удваивают скорость. Применительно к ИБП это превращает заявленную цифру в гораздо более короткое реальное число.

Один производитель ячеек публикует шестилетний срок службы своей ячейки ИБП при 35 °C и отдельно сообщает о хорошем сохранении емкости после сотен циклов при 45 °C. Оба числа правдивы; они просто описывают два разных тепловых мира. Таблица ниже показывает, что подразумевает правило 10 °C для первой цифры.

Таблица 1. Ориентировочный срок службы по сравнению с шестилетним рейтингом, основанным на 35 °C

Примечание: Оценка основана на правиле 10 °C, а не на измеренной гарантии. Фактические результаты зависят от состояния заряда, химии и рабочего цикла.

Та же арифметика применима и к сроку службы по циклам. Ячейка с рейтингом 2000 циклов при 25 °C обычно выдает заметно меньше при 45 °C — обычно около половины, в зависимости от химии, глубины разряда и протокола заряда. Для ИБП это менее важно, чем календарное старение, но важно для интервала обслуживания: аккумулятор, который, по расчетам, должен прослужить шесть лет, может потребовать замены через три года.

Диапазон температур в спецификации ячейки описывает выживаемость, а не обслуживание. Широко используемая ячейка 18650, квалифицированная для работы в ИБП, указывает зарядку от 0 °C до примерно 55 °C, рейтинги разрядки, выходящие далеко за пределы любого разумного рабочего диапазона температур, и рекомендации по хранению, указывающие на прохладные, сухие условия. Прочитав эти строки вместе, вы поймете намерение поставщика: ячейка не выйдет из строя катастрофически во время горячего выхода из строя, но ожидается, что она проживет свою жизнь в контролируемой среде.

Инженерная практика следует тому же выводу. Даже когда ячейка рассчитана на 60 °C или 70 °C, разработчикам рекомендуется не работать там регулярно. Общая цель проектирования — поддерживать температуру ячеек ниже примерно 45 °C при нормальном обслуживании, причем окончательный предел определяется данными квалификации, стратегией BMS и корпусом.

Это тот пробел, который обычно упускается при обзоре спецификаций. Два поставщика могут показать рейтинг 60 °C; только один из них может показать, что сохраняет ячейка после года работы при 45 °C. Первая цифра — это линия прохождения или отказа, вторая — число, которое определяет, нуждается ли стойка в замене аккумулятора в течение срока действия контракта на обслуживание.

Если вы подбираете аккумуляторный блок ИБП для горячего шкафа, следующие вопросы помогут отделить поставщиков, которые тестировали для этого применения, от тех, кто цитирует ячейки общего назначения.

• Сохранение емкости через 6 и 12 месяцев при 45 °C при двух разных состояниях заряда.
• Сохранение после 300–500 циклов при 45 °C при фактической глубине разряда, которую будет видеть стойка.
• Повышение температуры при номинальной импульсной мощности в виде кривой, а не единой цифры прохождения/непрохождения.
• Инструкции по состоянию заряда при хранении и меняется ли рекомендация при температуре выше 35 °C.
• Поведение при испытаниях на отказ при повышенной начальной температуре, а не только при 25 °C — для промышленных литиевых ячеек базовым является тестирование безопасности по IEC 62619.
• Разброс напряжения разомкнутой цепи и внутреннего сопротивления от партии к партии, поскольку параллельные цепи усиливают любое несоответствие.
• По крайней мере, один набор данных, полученный вне собственной лаборатории поставщика.

Поставщики, которые могут ответить на все семь вопросов с данными — а не выдержками из спецификаций — являются теми, кто заслуживает места в квалификационном списке. Цилиндрические литий-ионные ячейки Teerbo INR18650/21700 и аккумуляторные сборки NCM с высокой скоростью разряда поставляются со стандартными кривыми импульсного разряда, записями о согласованности партий и документацией UN38.3.6. Три способа вернуть срок службыТепловые условия можно улучшить без увеличения мощности охлаждения, и три рычага обычно окупаются. Сохраняйте консервативное напряжение подзарядки, чтобы аккумулятор не находился при 100% состоянии заряда в горячем корпусе. Выдвиньте слоты ИБП из пути рециркуляции или добавьте перегородку, чтобы модуль видел входящий воздух, а не выходящий. И проводите квалификацию по температуре ячейки, которую вы ожидаете в худший месяц, а не по среднему показанию дня ввода в эксплуатацию.7. Часто задаваемые вопросыЯвляется ли ИБП тем же, что и ИБП?

Могу ли я использовать ячейку ИБП при 55 °C, если в спецификации указано 60 °C?

LFP или NMC для горячей стойки?

LFP, как правило, более терпима к температуре и имеет более широкий запас безопасности, но за счет плотности энергии. NMC и NCA предлагают больше энергии на килограмм, но требуют более строгого контроля температуры. Решающим фактором являются данные квалификации при вашей температуре ячейки, а не маркировка химии.

Ячейка с высокой скоростью разрядки нагревается сильнее?

Да, в момент разрядки, потому что внутреннее сопротивление превращает ток в тепло. Вот почему повышение температуры при номинальной импульсной мощности должно быть включено в квалификацию, и почему ячейка, которая выглядит комфортно в лаборатории при 25 °C, может быть на несколько градусов теплее внутри герметичного модуля.

Как часто ИБП фактически разряжается?

На хорошо управляемом объекте — несколько раз в год, в течение секунд или минут. Поэтому старение в основном определяется календарными эффектами, а не циклами, что противоположно тому, что предполагают большинство выборов аккумуляторов.

Итог

Указывайте ИБП по температуре ячейки, а не по температуре помещения. В плотной стойке ожидайте, что ячейки будут работать на 10–15 °C выше показаний входящего воздуха, и планируйте срок службы исходя из этого числа, а не из шестилетней заявленной цифры. Рейтинг 60 °C говорит вам, что ячейка выживет при экстремальных условиях; он ничего не говорит о том, как долго она прослужит при 45 °C. Сначала запросите кривую сохранения при 45 °C, сохраняйте консервативное напряжение подзарядки, и интервал замены перестанет быть сюрпризом.

Teerbo Energy — производитель аккумуляторов из Дунгуаня, Китай, поставляющий цилиндрические литий-ионные ячейки и ячейки LiFePO4, а также индивидуальные аккумуляторные сборки с высокой скоростью разрядки для резервного питания, электроинструментов и промышленных OEM-применений, с транспортными испытаниями UN38.3 и документацией по безопасности, соответствующей IEC 62619. Если вы подбираете резервный аккумулятор для горячего корпуса, отправьте нам профиль температуры вашего шкафа и рабочий цикл, и наши инженеры подтвердят химический состав и конфигурацию сборки, которые соответствуют вашему развертыванию.