Las fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS) industriales montadas en bastidor se utilizan en centros de datos u oficinas centrales de telecomunicaciones para proporcionar energía de respaldo para servidores y equipos de conmutación en caso de que se produzca algún fallo. Históricamente, estos UPS se han basado en plomo ácido como el tipo de batería predominante. Con la introducción de la iniciativa Open Compute Project (OCP) y los centros de datos de hiperescala, las baterías de iones de litio están ganando participación en el mercado sobre la tecnología de baterías de plomo-ácido existentes.
Este artículo presenta algunas de las consideraciones térmicas y las compensaciones al seleccionar un sistema UPS de iones de litio para complementar el equipo de su centro de datos. Hay dos opciones químicas disponibles: fosfato de litio y hierro (LFP) y óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC). Los operadores deben considerar el tiempo de descarga esperado, la refrigeración activa frente a la pasiva, las opciones de escalabilidad y la vida útil prevista de las baterías.
Dos prácticas químicas de litio para SAI
Para las aplicaciones típicas de UPS, los proveedores de UPS ofrecen dos variantes químicas populares de iones de litio. El óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC) es la química del litio más común en el mundo, ya que se usa principalmente en computadoras portátiles y teléfonos celulares, por ejemplo. El fosfato de litio y hierro (LFP) es menos común en aplicaciones de consumo, pero se utiliza en aplicaciones de alta potencia o vida útil como taladros o vehículos eléctricos industriales (autobuses, carretillas elevadoras). Si bien ambas químicas se basan en el intercambio de iones de litio, tienen algunas características de rendimiento significativamente diferentes.
Como se detalla en la Imagen 1, la química NMC tiene una relación de peso y volumen de energía / densidad más alta que la química LFP de la competencia. Además, la química NMC tiene un costo / vatio-hora más bajo que LFP. Como resultado, la mayor densidad de energía y el menor costo hacen que el NMC sea la química óptima para la mayoría de las aplicaciones de bajo consumo de energía. Esto significa que, dada una cierta asignación de espacio volumétrico para el UPS, un UPS basado en NMC entregará más tiempo de funcionamiento que el UPS basado en LFP de tamaño comparable.
Tres dimensiones principales afectan la longevidad de una batería de iones de litio: el número de ciclos, el tiempo de servicio y la temperatura promedio de la celda. Las normas de la industria miden la efectividad de una batería comparando la capacidad real en relación con la capacidad original de una batería nueva. Las baterías LFP ofrecen al menos 2000 - 3000 ciclos completos de carga / descarga antes de alcanzar el 80 por ciento de su capacidad original. Las baterías NMC típicas brindan entre 500 y 1000 ciclos completos de carga / descarga antes de alcanzar el 80 por ciento de su capacidad original. Esto significa que las baterías LFP proporcionan una vida útil de dos a tres veces más que las baterías NMC típicas. Si bien la vida útil de una batería NMC es de tres a cuatro años, la vida útil de una batería LFP suele superar los ocho años.
La seguridad
Las baterías LFP tienen un cátodo intrínsecamente más seguro que las baterías NMC y no se descomponen a temperaturas más altas. De hecho, las baterías LFP proporcionan la mejor estabilidad térmica y química, lo que da como resultado una seguridad superior a las baterías NMC. Como se detalla en la Imagen 1, una batería LFP solo entrará en una condición de fuga térmica a 195 grados Celsius y liberará energía mínima durante la fuga térmica. Una batería NMC típica puede entrar en una condición de fuga térmica tan baja como 170 grados Celsius y liberará más energía y se quemará a una temperatura mucho más alta. Todas las baterías de iones de litio son seguras, pero LFP es uno de los productos químicos de batería de iones de litio más seguros disponibles.
Temperatura y descarga
En general, existen dos modelos de uso típicos para las soluciones de UPS. La primera aplicación es cuando el operador del centro de datos planea usar el UPS por un intervalo de 5 a 10 minutos, específicamente, el período intermedio desde la pérdida de energía hasta que se enciende el generador de respaldo. En este escenario, el UPS está dimensionado para entregar toda la energía disponible a un ritmo muy alto. La segunda aplicación es cuando el operador del centro de datos planea usar el UPS para una descarga de una a ocho horas y desea evitar encender el generador de respaldo hasta que sea absolutamente necesario. En esta aplicación, el UPS es la fuente principal de energía durante un período mucho más largo.
El LFP tiene una impedancia interna muy baja y se puede descargar a velocidades muy altas sin generar mucho calor. La NMC tiene una impedancia interna aproximadamente 10 veces mayor que la LFP y generará más calor internamente cuando se descargue a la misma velocidad que una celda LFP comparable. Por ejemplo, una batería NMC de 48 voltios y 50 amperios-hora (2400 vatios-hora) puede entregar entre 50 y 100 amperios, mientras que una batería LFP de tamaño similar puede entregar entre 500 y 1000 amperios. La entrega de energía es un factor crítico en la configuración del UPS. Para entregar un perfil de amperaje específico, es posible que sea necesario conectar varias baterías NMC en paralelo para alcanzar los amperios necesarios, mientras que una sola batería LFP puede entregar los amperios requeridos. Dada una restricción de espacio específica, esto significa que una batería NMC es más apropiada para aplicaciones que pueden tolerar una entrega de corriente más baja durante un período de descarga más largo (es decir, 50 amperios durante una hora), mientras que LFP también puede acomodar una entrega de corriente más alta durante un período de descarga más corto (es decir, 300 amperios durante 10 minutos). La expectativa de autonomía de respaldo es un factor crítico en la selección de la química de la batería.
Refrigeración pasiva o activa
Si examina el mercado de los SAI montados en bastidor, notará que hay una variedad de opciones para la gestión térmica, que van desde la refrigeración pasiva (sin ventiladores) hasta la refrigeración activa (ventiladores de funcionamiento continuo) y la refrigeración activa dinámica (ventiladores de velocidad variable accionados por temperatura interna de la batería). La tercera dimensión que afecta la longevidad de las baterías de iones de litio es la temperatura ambiente. Las baterías de iones de litio pueden funcionar con seguridad entre -20 y +60 grados Celsius, pero el rango de temperatura óptimo para maximizar la vida útil de la batería es entre 10 y 30 grados Celsius. Las descargas de alta corriente crearán un calentamiento interno dentro de la celda, pero un entorno de temperatura estable maximiza la vida útil de la batería.
Las imágenes 2, 3 y 4 demuestran el impacto del enfriamiento activo con ventiladores en una batería de UPS. Las imágenes térmicas están modelando una batería NMC de 48 voltios y 100 amperios-hora (4800 vatios-hora) y muestran la temperatura de la superficie de las celdas de iones de litio contenidas en el SAI. En la Imagen 2, el UPS se descarga continuamente a 150 amperios (tasa de 1,5 ° C) sin ningún enfriamiento activo. La temperatura máxima de las celdas es de alrededor de 60 C, que está cerca del límite de seguridad impuesto por la electrónica del UPS. Luego, en la Imagen 3, se aplica enfriamiento activo a través del gabinete del UPS mientras la batería entrega 150 amperios, y la temperatura máxima de las celdas cae a alrededor de 50 C, notablemente más fría y segura por debajo del límite de corte. Para demostrar los efectos de las tasas de descarga y la entrega de corriente en el UPS, la Imagen 4 muestra el UPS descargándose a 50 amperios (0. 5 C) con enfriamiento activo. Las celdas son notablemente más frías que el UPS que entrega 150 amperios con enfriamiento activo. Tenga en cuenta que, según la composición química y la mayor impedancia de las células NMC, generarán más calor al descargar en comparación con las células LFP. Dado que la reducción del calor es un problema crítico dentro de los centros de datos, la composición química de las células LFP le da una ventaja en entornos con clima controlado.
Ventaja de enfriamiento activo
Normalmente, añadir más complejidad a un producto mediante la introducción de ventiladores y regulación térmica puede verse como una desventaja, pero existen algunas ventajas. En aplicaciones que no tienen control de clima, la temperatura del gabinete puede variar desde muy fría y seca hasta extremadamente cálida y húmeda. Las baterías son muy grandes y tienen una gran masa térmica. En una batería enfriada pasivamente, el centro de la batería puede calentarse más rápido que las celdas externas durante un evento de descarga por calentamiento interno, creando así un punto caliente y limitando la cantidad de corriente de descarga disponible. Esto también envejecerá prematuramente las células en el centro del paquete. Una batería enfriada activamente puede eliminar mejor el calor de las celdas durante un evento de descarga o carga.
Esto también puede presentar un desafío para la condensación. Por la mañana, el aire cálido y húmedo del ambiente puede entrar en el gabinete y entrar en contacto con las baterías, que se han enfriado toda la noche. Este aire húmedo puede condensar agua en la electrónica sensible dentro de la batería debido a la diferencia de temperatura. La condensación en la electrónica puede alterar la funcionalidad o dañar los componentes de la batería con el tiempo. El enfriamiento activo, donde el aire pasa sobre la electrónica y las celdas, también tiene la ventaja de mantener la temperatura de la electrónica igual que la temperatura del aire, evitando así la condensación.
En resumen, hay muchas soluciones de UPS de montaje en rack disponibles en el mercado. Antes de seleccionar un fabricante o modelo, debe realizar un estudio de energía en el equipo de su centro de datos para evaluar la energía necesaria para mantener las operaciones durante una pérdida de energía, el tiempo de ejecución requerido, determinar el tipo de entorno en el que operará y determinar cómo puede actuar el calor. Con estos datos, puede evaluar características críticas como la química de la batería de iones de litio, las características de enfriamiento pasivo y activo y las características químicas que ofrecen las soluciones disponibles. Una vez que haya incluido estas características en sus criterios de selección, la siguiente lista de fabricantes y modelos de UPS viables garantizará que el UPS seleccionado proporcione la energía necesaria durante los cortes.