Energiespeicher Wie chemische Kondensatoren Computersysteme stützen

Autor / Redakteur: Robert Hieber * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Lithium-Ionen-Akkus und Supercaps zum Puffern der Spannungsversorgung von Rack-Servern haben einige Nachteile. Ein neuer Batterietyp auf Basis eines chemischen Kondensators wäre hier die bessere Wahl.

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Entwickler von Servern für Rack-Einbau wissen nur zu gut: die Versorgung mit Netzspannung ist alles andere als sicher. Daher gibt es in Blade-Computern für die Vermittlungszentralen von Telekomunternehmen sowie für Rechenzentren eine eigene Backup-Schaltung für Notfälle mit einer eigenen, netzunabhängigen Spannungsversorgung. Dieser Backup-Speicher enthält wichtige Konfigurationsdaten und andere Informationen, um den Rechner korrekt hochfahren zu können, wenn die Netzspannungsversorgung wieder hergestellt ist.

Konventionelle Spannungsversorgungen schränken den Schaltungsentwickler ein

Konventionelle Spannungsversorgungen mit Batterien oder Supercaps für den Backup-Speicher legen den Schaltungsentwicklern jedoch eine Reihe von Beschränkungen auf. Dieser Artikel beschreibt einen neuen Batterietyp, der sich durch überlegene Zuverlässigkeit in Rechnern für Rack-Einbau auszeichnet und den Schaltungsentwicklern mehr Freiheit lässt.

Flash-Speicher benötigen bei Schreibzugriffen 5 bis 10 W

Die Backup-Schaltungen in heutigen Blade-Rechnern arbeiten mit Flash-Speicher, einem preiswerten und zuverlässigen nicht-flüchtigen Speichertyp. Flash-Speicher benötigt bei den Schreibzugriffen vergleichsweise hohe Eingangsleistungen von typisch 5 bis 10 W für mehrere Sekunden pro 1 GB in den Speicher geschriebener Daten.

Lithium-Ionen-Zellen oder Superkondensatoren

Einschubrechner für Telekommunikation und Netzwerkserver arbeiten heute im Allgemeinen mit zwei Arten von unterbrechungsfreien Notstromversorgungen: Lithium-Ionen-Zellen oder Superkondensatoren, den sog. Supercaps, auch als „Gold Caps“ bekannt.

Lithium-Ionen-Zellen bieten hohe Energiedichte

Lithium-Ionen-Zellen haben den Vorzug einer hohen Energiedichte, d.h., die benötigte Kapazität lässt sich auf kleinem Raum unterbringen, was besonders bei den beengten Platzverhältnissen in einem Einschubrechner von Vorteil ist. So bietet die Microbattery LIP 423048 AJL eine Kapazität von 720 mAh bei einer Größe von nur 48 mm x 30 mm x 4,5 mm.

Supercaps ermöglichen hohe Entlade- und Ladeströme

Andere Einschubrechner verwenden Supercaps für den Backup-Speicher. Diese Bauteile ermöglichen hohe Entlade- und Ladeströme, wie sie beim Schreiben in Flash-Speicher benötigt werden.

Li-Ion-Akkus und Supercaps vertragen keine hohen Temperaturen

Beide Bauarten haben jedoch bei Systemen für Rack-Einbau den gleichen Nachteil: Sie vertragen weder beim Laden noch beim Entladen hohe Temperaturen. Typische Supercaps mit 1 F von führenden japanischen Herstellern haben z.B. eine Nennlebensdauer von nur 1000 h im Betrieb bei bis zu 70 °C. Der Betrieb elektrischer Doppelschichtkondensatoren – das ist die Technologie, auf der Supercaps basieren – bei hohen Temperaturen verkürzt die Lebensdauer ganz erheblich.

Bei Temperaturen über 45 °C nimmt die Lebensdauer von Li-Ion-Zellen deutlich ab

Bei Lithium-Ionen-Zellen ist das Problem noch ausgeprägter. Die Nenndaten der Bauteile Varta-Microbattery sehen beim Laden und Entladen Temperaturen nur bis 45 °C bei einer Lebensdauer von 400 Ladezyklen vor. Bei Temperaturen über 45 °C nimmt die Lebensdauer deutlich ab.

Der Betrieb bei hohen Temperaturen ist unvermeidlich

Das Problem bei Servern für Rack-Einbau ist, dass ein Betrieb bei hohen Temperaturen unvermeidlich ist. Platz ist teuer und diese Anlagen sind für eine hohe Rechnerdichte ausgelegt.

Bei Einschubrechnern, die über 200 W aufnehmen und dicht gepackt betrieben werden, steigt die Temperatur z.B. in Fernmelde-Vermittlungszentralen auf bis zu 55 °C. Hier ist eine Zwangskühlung erforderlich, um Bauteile mit hoher Leistungsaufnahme, z.B. Prozessoren, auf einer sicheren Betriebstemperatur zu halten.

Typische Kühlung mit Luftstrom von vorn nach hinten

Bei einer typischen Kühlungsanordnung mit einem Luftstrom, der von vorn nach hinten durch den Rechner verläuft, tritt vorn am Einschub relativ kühle Luft ein, die sich an den heißen Bauteilen erwärmt. Diese heiße Luft verlässt den Einschub auf der Rückseite und die in ihr enthaltene Verlustwärme wird an die Umgebungsluft abgegeben.

Auswirkung der Anordnung auf die Backup-Speichersysteme

Wie wirkt sich diese Anordnung auf die Backup-Speichersysteme aus? Sie führt dazu, dass viele Bauteile möglichst weit vorn im Einschub angeordnet werden sollten, wo die Luft noch am kühlsten ist. Der Entwickler möchte hier natürlich die Komponenten platzieren, die am meisten gekühlt werden müssen, z.B. Prozessor und Festplatten.

Server in Rechenzentren sind für eine Lebensdauer von drei Jahren und mehr ausgelegt

Für die übrigen Komponenten, die weiter hinten angeordnet sind, bedeutet dies, dass sie auch bei Lufttemperaturen über 55 °C funktionieren müssen. Wie bereits erklärt, leiden die unabhängigen Spannungsversorgungen, die heute üblicherweise eingesetzt werden, daran, dass ihre Lebensdauer bei Temperaturen über 45 °C rasch abnimmt. Die Server in Vermittlungseinrichtungen und Rechenzentren sind jedoch für eine Lebensdauer von drei Jahren und mehr ausgelegt, bevor sie ersetzt werden.

Der Entwickler hat nur zwei Möglichkeiten

Dem Entwickler dieser Einschübe lässt dies nur zwei Möglichkeiten, die ihm beide nicht recht sein können: Entweder opfert er für die Backup-Spannungsversorgung kostbaren Platz in der Nähe des Lufteinlasses und verweigert so anderen Bauteilen, die gekühlt werden müssen, die kühlere Luft, oder er verlegt die Backup-Spannungsversorgung in einen heißeren Bereich des Boards und nimmt hin, dass die Lebensdauer unter drei Jahre absinkt.

Für den Betreiber des Servers heißt das, dass er die Back-up Spannungsversorgung vor dem Ende der Lebensdauer des Servers austauschen muss. Diese notwendige Wartungsmaßnahme ist für den Anwender teuer und unpraktisch.

Vorteile einer verbesserten NiMH-Zelle

Jetzt gibt es jedoch eine Alternative. Nickel-Metallhydrid-Zellen (NiMH) sind für ihre Robustheit in elektronischen Systemen bekannt. Sie eignen sich besonders gut für Notstrom- und Backupsysteme, da sie dauerladefähig sind.

Durch ständiges kurzes Nachladen der Zelle mit einem Strom von wenigen Milliampere gleicht das System den Energieverlust durch Selbstentladung aus und sorgt so dafür, dass die Zelle jederzeit voll geladen ist. Eine mit Erhaltungsladung betriebene NiMH-Batterie gibt daher mit Sicherheit ihre Nennleistung ab, wenn sie benötigt wird.

Auch NiMH-Zellen sind bei hohen Temperaturen problrmatisch

In der Vergangenheit waren aber auch NiMH-Zellen nicht für ihre Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen bekannt. Außerdem haben sie eine geringere Energiedichte als Lithium und sind daher größer als eine Lithium-Ionen-Zelle mit gleicher Kapazität. Entwickler von Einschubrechnern, die so viel Rechenleistung wie möglich in einen möglichst kleinen Raum packen müssen, haben daher in der Vergangenheit Lithium-Ionen-Batterien bevorzugt.

Eine Batterie mit neuer Kunststoffdichtung

Eine neue Batterieentwicklung von Varta Microbattery, die V 500 HT (HT = High Temperature), eröffnet nun jedoch auch der NiMH-Technologie den Einsatz in Telekom-Servern. Bei der V 500 HT wurde die herkömmliche Kunststoffdichtung der Zelle durch eine neue Technik mit einem hochtemperaturfesten Synthetikmaterial ersetzt und diese mit einer proprietären Beschichtung versehen. Gleichzeitig wurde der Elektrolyt mit neuen Additiven für eine bessere Stabilität so modifiziert, dass die Ladefähigkeit der Batterie bei hohen Temperaturen verbessert wird.

Mikrobattery für hohe Nenntemperaturen bis 85 °C

Als Ergebnis dieser Innovationen kann bei der V 500 HT eine hohe Nenntemperatur vorgegeben werden – bis zu 85 °C sowohl beim Entladen als auch beim Laden. Sie kann außerdem bei 45 °C drei Jahre lang mit einer Erhaltungsladung von 15 mA betrieben werden.

Auswirkungen auf die Entwicklung von Blade-Computern

Durch den Einsatz der Batterie V 500 HT kann der Entwickler des Rechners eine unabhängige Backup-Spannungsversorgung an einer beliebigen Stelle auf dem Board, selbst in der relativ heißen Luft am Luftauslass, anordnen. Durch den Ersatz einer Lithium-Ionen-Zelle oder eines Supercaps kann der Entwickler daher kostbaren Platz im Bereich der kühleren Luft freimachen.

Backup der Spannungsversorgung von Flash-Speicher

Die V 500 HT eignet sich bestens für den Backup der Spannungsversorgung von Flash-Speicher. Ihre Nennkapazität von 500 mAh reicht für das Schreiben von 8 GB Daten in den Flash-Speicher.

Mit ihrer Größe von nur 24 mm x 34 mm x 6,5 mm ist sie kleiner als Supercaps vergleichbarer Kapazität und im Vergleich zu Lithium-Ionen-Zellen und Supercaps erheblich toleranter gegenüber hohen Temperaturen. Beim Einsatz als „chemischer Kondensator“ ist die V 500 HT die neue Lösung für die Entwickler von Telekom- und Netzwerk-Einschubrechnern, denn sie bietet größere Flexibilität beim Layout und einen robusteren Betrieb.

* Robert Hieber ist Produktmanager, VARTA Microbattery in Ellwangen.

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