De acordo com pesquisas de interrupção de Data Center, as baterias são o calcanhar de Aquiles da infraestrutura de energia do Data Center. Mas precisam ser?

As baterias estão presentes no Data Center desde a sua introdução, conectadas ao sistema UPS para garantir operações tranquilas sem interrupções de serviço. Neste artigo, mergulhamos profundamente no mundo das baterias para identificar medidas e considerações preventivas, com foco específico no monitoramento de baterias e análise preditiva de dados.

Os sistemas de bateria do Data Center são projetados para fornecer continuidade instantânea de energia para suportar a energia retirada da rede. As baterias geralmente são projetadas para atender às necessidades de energia de curto prazo. Além desse tempo e quando for necessário um suporte mais longo, um gerador ou outro meio de geração de energia, como células de combustível, inicia e continua a alimentar o local.

Recentemente, foram geradas novas oportunidades pela possibilidade de usar baterias de reserva para fornecer serviços de rede e, portanto, tornar-se uma fonte de receita para os operadores de Data Center.

Opções de tecnologia de bateria

Durante décadas, as baterias de chumbo foram basicamente a única opção disponível no mercado. Seu design evoluiu ao longo dos anos, melhorando a densidade de energia e reduzindo as necessidades de serviço.

Nos últimos 10 anos, as soluções de lítio foram desenvolvidas como uma alternativa ao chumbo. O lítio oferece várias vantagens, como menor peso e, em alguns projetos, melhor ciclo de vida. Mas também vem com suas desvantagens, principalmente ligadas à instabilidade inerente ao lítio, que precisa de controle e gerenciamento adequados para permanecer dentro dos limites operacionais seguros.

Por esse motivo, todas as baterias à base de lítio incluem um Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS) projetado para proteger a bateria, fornecer alarmes e desconectá-la da carga caso os parâmetros controlados saiam da janela de segurança predefinida.

De qualquer forma, devido à instabilidade do lítio – que às vezes pode causar incêndios que não podem ser facilmente controlados – as baterias de lítio não são recomendadas para serem instaladas nas instalações do Data Center, mas em salas/contêineres dedicados separados.

Critérios de design do sistema de bateria

Ao selecionar, projetar e dimensionar um sistema de bateria, vários fatores devem ser levados em consideração. Como acontece com qualquer outro componente ou dispositivo, as baterias podem falhar. Portanto, o sistema deve ser tolerante a falhas por design.

Normalmente, isso é obtido selecionando várias redes de bateria na configuração n+1 em conjunto com o design do UPS n+1, especificamente no caso de UPSs conectados a sistemas de bateria comuns.

Dito isso, a redundância vem com seus problemas em termos de espaço, peso e custo vinculados aos dispositivos adicionais. O nível de redundância deve, portanto, ser selecionado de acordo com o nível de disponibilidade solicitado pelo sistema.

O desempenho da bateria também está se degradando durante a vida operacional. Isso também deve ser considerado durante a fase de projeto para obter o tempo de backup certo no final da vida útil da bateria. Infelizmente, de acordo com estudos que examinam interrupções de Data Center, parece que, em vários casos, essas recomendações nem sempre são totalmente implementadas.

Monitoramento de bateria

Como acontece com qualquer outro componente, as baterias precisam ser reparadas regularmente por pessoal qualificado. No entanto, a manutenção no local é cara e os procedimentos de teste podem entrar em conflito com a relutância do usuário final em assumir o risco associado à descarga real da bateria.

As dificuldades associadas à manutenção da bateria foram identificadas como uma das principais causas por trás das interrupções. Para superar esse problema, sistemas de monitoramento de bateria foram desenvolvidos para todas as tecnologias de bateria.

Esses dispositivos são conectados ao vivo aos terminais da célula da bateria, para verificar constantemente os parâmetros funcionais, como tensão, temperatura e impedância interna.

O balanceamento celular também é um recurso importante. Embora esse tipo de sistema seja um recurso opcional para a tecnologia de chumbo (ou seja, envio de alertas e alarmes em caso de mau funcionamento), para baterias de lítio é uma parte fundamental e obrigatória necessária para manter a bateria dentro dos parâmetros funcionais da janela de segurança.

Sempre que os parâmetros excedem as configurações designadas, a bateria de lítio é desconectada da carga crítica e um alarme é acionado. Esses dispositivos, embora não substituam completamente a manutenção no local, fornecem informações essenciais sobre os parâmetros operacionais e funcionais da bateria.

Vale a pena notar que, quando os limites de alarme são atingidos, isso significa que as baterias estão funcionando em condições críticas e, portanto, não podem fornecer desempenho total, o que, por sua vez, pode levar a uma queda de energia de carga crítica.

Análise de dados da bateria

A Fiamm coleta e analisa dados de um grande número de baterias instaladas há mais de 15 anos. No início, o objetivo era detectar quaisquer problemas de bateria e alertar o cliente para fornecer uma substituição rápida da bateria.

Após anos de coleta e análise de dados, os engenheiros da Fiamm desenvolveram um algoritmo avançado para prever uma falha de bateria com base nas informações detectadas pelo Sistema de Gerenciamento de Bateria (ou seja, tensão, temperatura e impedância).

A princípio, a análise dos dados destacou que, em muitos casos, as baterias não são operadas como deveriam. A temperatura é o principal fator que afeta a vida útil da bateria e, em várias instalações, foi muito maior do que o necessário.

Isso resultou em uma vida operacional mais curta do que o esperado, colocando em risco a carga crítica. Para melhorar a situação e reduzir os custos gerais, a instalação de baterias resistentes à temperatura é recomendada em salas em que a implementação do resfriamento é difícil ou cara.

Outro elemento crítico levantado pela análise preliminar de dados foi a incompatibilidade entre a tensão de carga e a temperatura da bateria, o que muitas vezes pode levar à deterioração da bateria. Nesse caso, o problema pode ser resolvido ativando a compensação de tensão da bateria no carregador UPS e colocando o sensor de temperatura da bateria no lugar certo.

Além dessas descobertas iniciais, foi lançada a elaboração de big data, cruzando dados coletados do BMS com informações de análises de desmontagem de baterias defeituosas. O objetivo da elaboração era combinar os achados laboratoriais de baterias defeituosas com os dados provenientes de sua vida operacional.

Isso resultou em metodologias confiáveis que permitem prever e identificar possíveis problemas em baterias operacionais com base nos parâmetros disponíveis no BMS (tensão, temperatura, impedância). Com essas informações, os operadores de Data Center têm controle total de suas baterias e podem planejar sua substituição no momento certo, antes de chegarem a um ponto crítico – mas não muito cedo, descartando assim um ativo ainda valioso.

Para realizar essa análise, o BMS deve estar conectado ao vivo à Fiamm ou, quando isso não for possível, os dados devem ser baixados regularmente e enviados aos engenheiros de P&D da Fiamm. Desta forma, o risco de interrupção devido ao envelhecimento da bateria pode ser reduzido a quase zero.

Recomendações da Fiamm Energy Technology

Os BMSs são amplamente implementados no setor de Data Center, mas a maioria dos clientes os analisa apenas em caso de alerta e alarme. Nossa experiência mostra que os dados coletados e armazenados em um BMS têm um enorme valor na otimização da vida útil da bateria e na previsão de possíveis falhas no sistema.

A Fiamm Energy Technology recomenda fazer pleno uso desse valor, analisando adequadamente os dados disponíveis para tomar as medidas necessárias.

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