Contar com um sistema UPS (Uninterruptible Power Supply) confiável é essencial para evitar indisponibilidades e garantir a continuidade das operações em casos de falhas energéticas ou mesmo durante manutenções em Data Centers.
Um dos requisitos mais importantes para ter um UPS confiável é utilizar baterias de alta qualidade, capazes de assumir o abastecimento de energia do Data Center de forma tranquila e segura quando necessário.
Por oferecerem exatamente isso, as baterias de lítio (lithium) são uma tendência em crescimento na alimentação de sistemas UPS em Data Centers.
Em comparação com soluções mais tradicionais, como VRLA (Valve-Regulated Lead-Acid), a solução entrega vantagens como:
- capacidade maior de armazenar energia
- menor peso
- tamanho mais compacto
- vida útil prolongada
- menor necessidade de manutenção.
Embora com custo inicial mais alto, a tecnologia a lítio entrega economia e eficiência ao longo do tempo, tornando-se uma escolha atraente para UPSs de Data Centers onde o espaço é uma restrição crítica e o fornecimento de energia precisa ser altamente confiável.
Mas será que as baterias de lítio são sempre a melhor opção? Ou a escolha ideal depende de cada projeto?
É o que você verá a seguir! Vamos mostrar as vantagens e desvantagens das baterias de lítio, comparando seu desempenho com a tecnologia VRLA.
Você conhecerá os pontos críticos da operação e terá um passo a passo de como decidir pela melhor bateria para o UPS do seu Data Center.
Conte com a expertise da Zeittec para ajudar nisso e boa leitura!
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O que são e como funcionam as baterias de lítio para UPS em Data Centers?
Baseadas em processos químicos e elétricos para armazenar e liberar energia, as baterias de lítio para UPS começaram a se popularizar nos últimos 10 a 15 anos.
A solução ganhou notoriedade por oferecer vantagens como maior densidade de energia e vida útil mais longa em comparação com as baterias em uso até então, como as de chumbo-ácido reguladas por válvula – VRLA – e as de chumbo-ácido inundadas (sem válvula).
As primeiras baterias a serem utilizadas como backup de energia em ambientes corporativos de armazenagem de dados foram as de chumbo-ácido, na década de 70.
Essas baterias são feitas com uma placa de chumbo inundada por um eletrólito composto de uma solução de água e ácido sulfúrico.
Possuem baixo custo, mas exigem manutenção frequente para adicionar água ao eletrólito e podem apresentar vazamento e emissão de gases.
Esses problemas foram solucionados com o surgimento das baterias de VRLA, que evoluíram a tecnologia com a adição de uma válvula isolando o eletrólito.
Com custo acessível, essas baterias são bastante confiáveis e não precisam de manutenção para acrescentar água.
Por isso, a partir dos anos 90, elas se tornaram a solução mais empregada em UPSs para Data Center.
Até surgirem as baterias de lítio. Em vez de usar chumbo e ácido sulfúrico, essas baterias de última geração passaram a utilizar compostos como o lítio-ferro-fosfato (LiFePO4) ou lítio-cobalto-óxido como eletrólito.
Em comparação com o chumbo, o lítio possibilita acumular mais energia com maior durabilidade e a menor manutenção entre todas as soluções.
Inicialmente, essa tecnologia era mais cara e menos madura em termos de integração com sistemas de UPS. Mas, na última década, isso evoluiu, e as baterias a lítio se tornaram não só acessíveis como a melhor opção para muitos projetos de Data Center. Veja como elas trabalham!
Funcionamento das baterias de lítio
As baterias de lítio geralmente são compostas por um cátodo (positivo), um ânodo (negativo), um eletrólito e um separador. O cátodo é normalmente feito de um óxido de lítio, enquanto o ânodo pode ser de grafite ou outro material baseado em lítio.
Quando a bateria está sendo carregada, uma fonte de energia externa aplica uma tensão elétrica que força os íons de lítio a se moverem do cátodo para o ânodo através do eletrólito.
Durante a descarga, quando a bateria está em uso, os íons de lítio se movem do ânodo de volta para o cátodo, liberando energia elétrica.
Nesse processo, os elétrons seguem por um circuito externo, fornecendo energia aos dispositivos conectados.
O separador impede o contato direto entre o cátodo e o ânodo, evitando curtos-circuitos.
A energia é armazenada e liberada através de reações químicas que ocorrem na interface entre os eletrodos e o eletrólito. Esses processos são reversíveis, o que permite à bateria ser carregada e descarregada várias vezes.
Tipos de baterias de lítio em UPS para Data Center
- Lítio-Ion (Li-ion): A mais comum em aplicações de UPS, conhecida por sua alta densidade energética e longa vida útil.
- Lítio-Ferro-Phosphate (LiFePO4): Um tipo específico de lítio com uma química mais estável e segura. Geralmente usada para aplicações que exigem segurança adicional, reduzindo o risco de incêndios e explosões proporcionando longa vida útil.
- Lítio Níquel Manganês Cobalto (NMC): Oferece uma boa combinação de densidade energética e vida útil. Adequada para UPSs que requerem alta densidade de energia e bom desempenho em condições variadas.
- Baterias de Lítio Cobalto (LCO): Mais compacta, oferece alta densidade energética, mas tem vida útil geralmente menor. Serve a aplicações onde a segurança é cuidadosamente gerenciada.
- Baterias de Lítio Manganês (LMO): Oferece alta estabilidade, semelhante à das baterias LiFePO4, porém com uma vida útil menor. Por isso, é empregada em UPSs onde a segurança e a estabilidade são priorizadas.
Vantagens das baterias de lítio em UPS para Data Center
A tecnologia de baterias de lítio oferece vários benefícios em termos de vida útil e eficiência para UPS em Data Centers. Veja as principais características dessa solução em comparação com a tecnologia VRLA.
1. Vida útil prolongada
As baterias de lítio têm uma vida útil significativamente mais longa que as baterias VRLA, frequentemente atingindo entre 2.000 a 5.000 ciclos de carga e descarga. Isso reduz a necessidade de substituições frequentes e o custo associado a elas. Compare!
Baterias de Lítio: Vida útil de 2.000 e 5.000 ciclos.
Baterias VRLA: Durabilidade de 500 e 1.500 ciclos.
Entendendo os ciclos
Um ciclo completo é a descarga completa da bateria e, em seguida, uma recarga até 100%. Se uma bateria com vida útil de 2.000 ciclos faz isso uma vez por semana, significa ela duraria aproximadamente 2.000 semanas ou 38,5 anos.
Mas se você descarregar a bateria completamente e recarregar totalmente todos os dias – um ciclo completo por dia – a mesma bateria durará aproximadamente 2.000 dias ou cerca de 5,5 anos.
A frequência com que a bateria passa por ciclos completos influencia sua durabilidade. Descarregar uma bateria apenas 50% em vez de 100% conta como meio ciclo. Ciclos parciais são menos estressantes para a bateria e podem aumentar sua vida útil.
Data Centers geralmente não utilizam baterias em ciclos completos diariamente, pois as baterias podem estar em stand-by ou em modo de carga. Portanto, o número real de ciclos por ano pode ser menor do que um ciclo diário completo, aumentando a vida útil efetiva.
2. Menos espaço
Outra característica positiva das baterias de lítio é que elas são mais compactas, permitindo a criação de soluções UPS eficientes em termos de espaço – o que é ideal para Data Centers.
Essa é uma grande vantagem em comparação com as baterias VRLA, que geralmente precisam de mais espaço para armazenar uma quantidade significativa de energia. Baterias VRLA são mais volumosas e pesadas devido à sua construção e ao uso de ácido como eletrólito. Compare!
Densidade energética volumétrica
As baterias de lítio podem armazenar 2 a 4 vezes mais energia por litro do que as baterias VRLA, o que, naturalmente, contribui para reduzir o volume do UPS.
Baterias de lítio: Aproximadamente 150 a 250 Wh/L (Watts-hora por litro).
VRLA: Aproximadamente 50 a 70 Wh/L.
3. Leveza
Além de serem menos volumosas, as baterias de lítio entregam uma “densidade energética específica” muito maior. Isso significa que armazenam mais energia por unidade de peso. Ou seja: são mais leves, o que é particularmente vantajoso para aplicações onde o espaço e o peso são críticos, como UPS de Data Centers. Veja a comparação.
Densidade energética específica
As baterias de lítio podem armazenar de 2 a 5 vezes mais energia por quilograma do que as baterias VRLA.
Baterias de Lítio: 100 a 250 Wh/kg (Watts-hora por quilograma).
VRLA: 30 a 45 Wh/kg.
Essa maior eficiência de armazenamento é um dos principais motivos pelos quais as baterias de lítio são frequentemente escolhidas para aplicações modernas que exigem alta densidade energética. O menor peso facilita ainda o manejo e a instalação.
4. Eficiência de carga e descarga
Baterias de lítio possuem uma eficiência de carga e descarga superior, o que significa menos perda de energia e maior eficiência geral do sistema UPS.
Isso ocorre devido à sua menor resistência interna e à química avançada dos eletrodos de lítio, que permitem uma transferência de íons mais eficiente e rápida, ocasionando menor perda de energia e menor autodescarga.
Tudo isso possibilita um consumo de energia mais eficiente e menos desperdício durante o ciclo de vida da bateria.
Além disso, o ciclo de vida é maior em comparação com a tecnologia VRLA, e há menor degradação ao longo do tempo, fatores que contribuem para manter a alta eficiência da tecnologia. Compare!
Taxa de eficiência
Baterias de lítio: Geralmente possuem eficiências de carga e descarga acima de 95%.
VRLA: Tendem a ter eficiências na faixa de 80% a 90%.
Autodescarga
A autodescarga é a perda de carga que ocorre quando a bateria não está em uso.
Baterias de lítio: Têm uma taxa de autodescarga muito baixa, geralmente menos de 1% a 2% ao mês.
VRLA: Podem ter taxas de autodescarga de 3% a 5% ao mês.
A baixa taxa de autodescarga das baterias de lítio faz com que elas sejam bastante eficientes em termos de retenção de carga, o que pode ser uma vantagem significativa para sistemas UPS em Data Centers onde a confiabilidade e a manutenção mínima são cruciais.
5. Melhor gestão de temperatura
Como a variação de temperatura é uma preocupação significativa em Data Centers, a bateria de lítio pode oferecer uma solução robusta e estável. Veja os motivos na comparação com a tecnologia VRLA.
Baterias VRLA
As baterias VRLA são bastante sensíveis a variações de temperatura. O calor excessivo pode acelerar o processo de degradação do eletrólito e reduzir a vida útil da bateria, enquanto temperaturas baixas podem diminuir sua capacidade e a eficiência.
Por isso, é recomendado manter as baterias VRLA em um ambiente com temperatura controlada, geralmente em torno de 20°C a 25°C, para maximizar a sua vida útil e desempenho.
Baterias de Lítio
Em contrapartida, as baterias de lítio são menos sensíveis a variações, sendo projetadas para operar eficientemente em uma faixa de temperatura mais ampla e, ainda assim, mantendo um desempenho mais estável em temperaturas limítrofes. O funcionamento ideal é geralmente em torno de 20°C a 30°C.
Elas são menos sensíveis ao calor, mas sofrem mais com o excesso de frio. A eficiência e a capacidade de carga podem ser reduzidas em temperaturas muito baixas.
No entanto, muitas baterias de lítio modernas já incorporam sistemas de gerenciamento térmico para ajudar a manter o desempenho ideal e proteger a bateria em condições adversas, ou mesmo sistemas de aquecimento integrado para operar em climas frios.
6. Manutenção mais simples
As baterias de lítio requerem pouca ou nenhuma manutenção, reduzindo o trabalho e os custos associados à manutenção regular. Veja a comparação com VRLA.
Baterias VRLA
A tecnologia VRLA requer manutenção mais frequente e detalhada, incluindo:
- Verificação do eletrólito.
- Inspeção visual para avaliar a integridade física das baterias, procurando por sinais de corrosão nos terminais, vazamentos ou inchaço nas células.
- Reaperto de conexões.
- Testes de carga e descarga para garantir que a bateria esteja operando dentro das especificações e com a capacidade prometida pelo fabricante.
- A manutenção é idealmente trimestral ou semestral.
Baterias de lítio
A manutenção das baterias a lítio é geralmente semestral ou anual. Os procedimentos preventivos são mais simples, geralmente envolvendo inspeções visuais para conferir a integridade física das baterias e as conexões. Eventualmente, são realizados testes de capacidade para assegurar que operação esteja dentro dos parâmetros esperados.
Muitas baterias de lítio possuem sistemas de gerenciamento integrados que permitem o monitoramento contínuo, reduzindo a necessidade de manutenção manual frequente.
Reduzir a frequência e o custo da manutenção ajuda a minimizar as interrupções no Data Center e a carga de trabalho da equipe de manutenção, permitindo que os recursos sejam direcionados para outras áreas críticas.
Somados, todos esses fatores que acabamos de ver tornam as baterias de lítio uma escolha preferencial em aplicações que requerem alta eficiência energética e desempenho confiável.
No entanto, a tecnologia também possui alguns pontos críticos. Confira quais são eles a seguir.
Desvantagens das baterias de lítio em UPS para Data Centers
Custo inicial elevado
Baterias de lítio são mais caras do que as baterias VRLA. Mas apesar de o investimento inicial mais alto, o custo total de propriedade tende a ser menor para muitos Data Centers no longo prazo, devido à vida útil mais longa e menor necessidade de manutenção.
Incompatibilidade com a UPS
Não é qualquer bateria de lítio que pode ser utilizada em qualquer UPS. Ambas devem ser compatíveis.
Durante o planejamento do Data Center, o ideal é que o sistema UPS seja projetado para as características específicas das baterias de lítio escolhidas.
Se isso não ocorrer, a UPS pode enfrentar dificuldades no gerenciamento das baterias. Isso pode causar problemas como desempenho inadequado ou mesmo falhas que podem afetar o fornecimento de energia. Veremos mais detalhes sobre isso adiante.
Sensibilidade à temperatura
Como vimos, tanto as baterias de lítio como as VRLA são sensíveis a temperaturas extremas e, portanto, necessitam de um sistema de climatização de precisão no ambiente onde as UPS estão instaladas. Isso é essencial para uma gestão de temperatura adequada, a fim de garantir o desempenho e a longevidade dos sistemas de abastecimento energético de Data Centers. Saiba mais no link abaixo.
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Necessidade de monitoramento adequado
O gerenciamento das baterias de lítio é crítico. Por isso, geralmente a solução possui um Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS) integrado.
O BMS fornece os dados para monitorar e gerir o estado da bateria, proteger contra sobrecarga, descarga profunda e condições de temperatura extremas. Isso ajuda a garantir a segurança e a eficiência da bateria automaticamente.
No entanto, a equipe operacional deve ter conhecimento para lidar com essa tecnologia embarcada. É importante que os profissionais entendam como o BMS funciona e quais dados ele fornece.
Isso inclui saber como interpretar os relatórios e alertas gerados pelo sistema, além de entender as estratégias de proteção e balanceamento das células. A equipe também precisa estar preparada para diagnosticar e resolver problemas relacionados ao próprio sistema de monitoramento e controle, o que pode envolver a atualização de software ou a calibração do sistema.
Como funciona o monitoramento das baterias de lítio em UPS de Data Center?
Em UPSs de Data Centers, o monitoramento da saúde das baterias de lítio pode ir além do BMS, envolvendo sistemas internos da própria UPS ou mesmo soluções mais amplas, como DCIM (Data Center Infrastructure Management).
O BMS das baterias monitora parâmetros como a tensão da célula, corrente, temperatura e o estado de carga da bateria. Ele também pode fornecer alertas e desligar as baterias em condições de falha para evitar danos.
O UPS pode integrar os dados do BMS e fornecer informações sobre o estado das baterias, como a saúde geral, capacidade remanescente e tempo de autonomia estimado.
Muitos UPS modernos possuem interfaces para exibir essas informações em seus próprios painéis de controle ou através de software de gerenciamento associado.
Trabalho em conjunto com DCIM
O DCIM (Data Center Infrastructure Management) é uma solução mais abrangente que fornece uma visão consolidada da infraestrutura do Data Center, incluindo sistemas de UPS, climatização e consumo de energia. Ele permite o monitoramento em tempo real e o gerenciamento de todos os componentes críticos da infraestrutura.
Sistemas DCIM podem integrar dados de múltiplos UPSs e BMSs para fornecer uma visão centralizada das baterias e da saúde geral do sistema de UPS.
Eles podem consolidar informações de várias fontes, oferecer relatórios detalhados e alertas, além de possibilitar o planejamento e a gestão proativa da infraestrutura, ajudando a identificar tendências e prever problemas antes que eles ocorram.
→ Leia também: Por que o GERENCIAMENTO DE DATA CENTERS é mais eficiente com DCIM?
O sistema de BMS interno das baterias e o software de gerenciamento do UPS fornecem dados detalhados e em tempo real, enquanto o DCIM oferece uma visão abrangente e consolidada de toda a infraestrutura. Utilizá-los em conjunto permite uma gestão mais eficaz e a detecção precoce de problemas.
Essa abordagem garante uma operação eficiente e segura do Data Center, ajudando a prevenir problemas e otimizar o desempenho.
Veja agora o que uma gestão inadequada das baterias de lítio pode ocasionar no sistema UPS de Data Centers.
Cuidados na gestão das baterias de lítio
O primeiro ponto crítico aqui é a confiabilidade. Se o UPS não gerenciar corretamente as baterias de lítio, isso pode levar a falhas no fornecimento de energia durante uma interrupção, afetando a continuidade das operações do Data Center e comprometendo a integridade dos dados.
Além disso, sem um gerenciamento adequado, pode ser difícil diagnosticar problemas com as baterias, levando a respostas inadequadas a falhas e possíveis danos. Veja alguns cenários que podem acontecer.
- Sobrecarregamento: Se o UPS não gerenciar adequadamente a carga das baterias de lítio, pode ocorrer sobrecarga, o que pode danificar as baterias, reduzir sua vida útil e afetar a capacidade de fornecimento de energia.
- Ciclagem inadequada: Se as baterias não forem carregadas e descarregadas corretamente, isso pode levar a ciclos de vida mais curtos e diminuir a eficiência geral do UPS.
- Sobretemperatura: Baterias de lítio expostas a temperaturas fora da faixa recomendada podem se sobreaquecer, aumentando o risco de falhas térmicas ou até mesmo incêndios. Uma falha no gerenciamento térmico pode resultar em situações perigosas.
- Risco de explosão ou incêndio: Embora raro, um gerenciamento inadequado das baterias de lítio pode levar a situações perigosas, como a formação de dendritos (pequenas protuberâncias que podem causar curtos-circuitos internos). Isso pode resultar em explosões ou incêndios. O BMS e os sistemas de proteção do UPS são críticos para prevenir tais riscos.
Como ter uma boa gestão de UPSs com baterias de lítio em seu Data Center
Passo 1 – Seleção da UPS
O primeiro passo é selecionar uma UPS projetada especificamente para trabalhar com baterias de lítio, com suporte para os protocolos e algoritmos de gerenciamento necessários.
Para isso, é preciso considerar características como a tensão e a corrente de operação. A carga e a descarga das baterias de lítio diferem das baterias VRLA, e o UPS deve ser capaz de acomodar essas diferenças.
O equipamento também deve incluir proteções contra sobrecarga e curto-circuito para evitar danos às baterias de lítio e garantir a segurança da operação.
O design do sistema deve garantir que haja espaço suficiente para a circulação de ar e que o calor gerado pelas baterias e pela UPS possa ser dissipado adequadamente.
Tanto a UPS quanto o ambiente ao redor das baterias devem ser projetados para manter a temperatura dentro da faixa recomendada.
Sistemas de climatização e ventilação adequados são essenciais para evitar sobreaquecimento ou resfriamento excessivo.
Passo 2 – Monitoramento
Utilize sistemas de monitoramento para acompanhar a saúde das baterias, a temperatura e outros parâmetros críticos em tempo real. Para isso, o UPS deve ser configurado para trabalhar em conjunto com o BMS das baterias, a fim de garantir a operação segura e eficiente.
Passo 3: Treine sua equipe
Certifique-se de que o time responsável pelo gerenciamento do UPS e das baterias de lítio esteja bem treinado nas melhores práticas e procedimentos de segurança.
Por exemplo, o UPS deve usar algoritmos de carga apropriados para baterias de lítio, que podem diferir dos usados para baterias VRLA. Carregar as baterias de lítio de forma inadequada pode reduzir sua vida útil e desempenho. Sua equipe deve saber lidar com essas particularidades.
Passo 4 – Manutenção
Realize manutenções regulares e verifique o sistema de gerenciamento das baterias para garantir que todas as funções de proteção e monitoramento estejam operando corretamente.
Se você terceiriza a manutenção do seu Data Center, inclua as baterias no protocolo preventivo. Leia nosso post sobre isso no link abaixo!
É melhor terceirizar a manutenção do meu Data Center ou manter uma equipe própria para isso?
Passo 5: Planejamento para contingências
Tenha planos de contingência para lidar com possíveis falhas de energia e situações de emergência, garantindo que o Data Center possa continuar operando sem interrupções.
Ao projetar e gerenciar um sistema de UPS com baterias de lítio, é essencial levar em consideração todos esses aspectos para garantir a segurança e a eficiência do sistema energético do Data Center.
O gerenciamento adequado das baterias de lítio não só melhora a confiabilidade do fornecimento de energia, mas também ajuda a proteger os ativos críticos e a garantir a continuidade das operações.
Agora que você já tem muita informação sobre o funcionamento das baterias de lítio, chegou o momento de decidir.
Lítio ou VRLA: como escolher a bateria certa para o UPS do seu Data Center?
Para decidir entre usar baterias de lítio e VRLA na UPS do seu Data Center, você precisará considerar fatores como custo, vida útil, espaço disponível e requisitos de manutenção.
Vimos que baterias de lítio são geralmente mais vantajosas para Data Centers modernos devido à sua maior densidade energética, durabilidade e menor necessidade de manutenção, embora o custo inicial seja mais alto.
Por outro lado, as baterias VRLA oferecem uma solução mais econômica a curto prazo e podem ser adequadas para aplicações onde a manutenção é viável e o espaço não é uma restrição tão crítica.
Veja as dicas para tomar a decisão certa na hora de implantar o Data Center da sua empresa.
1. Analise o retorno do investimento
Faça uma análise detalhada dos custos iniciais versus o custo total de propriedade para determinar a solução mais econômica a longo prazo. Considere nisso a frequência de substituições e o custo de manutenção ao longo da vida útil das baterias.
2. Considere o espaço físico
Avalie o espaço disponível para entender se a economia de espaço e peso é importante em seu projeto.
Se o espaço destinado ao sistema UPS do Data Center é limitado, as baterias de lítio podem ser mais vantajosas.
3. Levante a demanda energética do Data Center
Considere as necessidades específicas de energia e a carga que o UPS precisa suportar. A capacidade de armazenamento e a eficiência das baterias podem influenciar a escolha.
4. Pense na capacidade de gestão da sua equipe
As baterias de lítio exigem menos manutenção, mas precisam de um bom sistema de monitoramento e gestão. Avalie a capacidade da sua equipe para lidar com isso.
5. Olhe para o futuro
Pense também na escalabilidade e no futuro do seu Data Center. Se há planos para expansão, a solução escolhida deve ser capaz de se adaptar a futuras necessidades de energia e espaço. A tendência é sempre elevar cargas e adensar espaços. Contar com baterias mais leves, menores e mais eficientes, como as de lítio, pode ser uma vantagem nesse quesito.
A decisão final
Se o orçamento inicial não for uma limitação e a eficiência energética, vida útil e economia de espaço forem prioridades, as baterias de lítio podem ser a melhor escolha para o UPS do seu Data Center.
A maior durabilidade e menor necessidade de manutenção também podem ser vantajosas se o seu site for mais robusto.
Porém, se o custo inicial for um fator crítico e o Data Center puder acomodar a necessidade de manutenção regular e o espaço adicional, as baterias VRLA podem ser uma opção viável. Elas são mais baratas inicialmente e oferecem uma solução confiável, embora com maior custo total de propriedade a longo prazo.
Portanto, ambos os tipos de baterias têm suas vantagens e desvantagens, e a escolha depende de vários fatores específicos para cada Data Center.
No final das contas, a decisão deve ser baseada em uma análise cuidadosa das necessidades específicas do seu projeto, orçamento disponível e prioridades em termos de espaço, manutenção e eficiência.
Para ajudar você a decidir qual é a melhor tecnologia para a UPS do Data Center em sua corporação, deixamos aqui uma comparação resumida entre lítio e VRLA. É só clicar no vídeo a seguir!
Comparação entre baterias de lítio e VRLA para UPS de Data Center
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