Аккумуляторные батареи (АКБ) используются в ИБП с целью накопления и использования электрической энергии для поддержания функционирования оборудования при нарушении электроснабжения от основного источника питания. Аккумуляторы под торговой маркой «Парус электро» являются необслуживаемыми свинцово-кислотными герметизированными с клапанным регулированием и в основном используют технологию AGM (электролит, связанный в стекловолоконном мате с дополнительными сепараторами) с целью обеспечения безопасности работы батареи при вибрации, ударных нагрузках и в любом положении кроме перевернутого.
Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей основан на происходящей электрохимической реакции между пластинами свинца (Pb) и его диоксида (PbO2) через стеклоткань, пропитанную раствором серной кислоты (H2SO4).
Во время заряда аккумулятора (рис. 1а) на свинцовой пластине под воздействием большого числа реакций происходит распад сульфата свинца (PbSO4) и преобразование дистиллированной воды (H2O) в электролит (H2SO4), благодаря этому происходит накопление свободных электронов внутри абсорбированного в стекловолоконной материи электролита.
При разряде аккумулятора (рис. 1б) происходит концентрирование свободных электронов на катодных пластинах АКБ при преобразовании диоксида свинца (PbO2) в сульфат свинца (PbSO4), а электролита в воду. Свободные электроны по внешнему электрическому соединению направляются к аноду, благодаря чему возникает электрический ток.
Период заряда-разряда аккумулятора называют циклом. С каждым циклом АКБ изнашиваются. Долговечность аккумулятора оценивается количеством циклов и зависит от ресурса, заложенного в его электрохимическую систему и конструкцию, а также условий установки и эксплуатации.
При производстве аккумуляторов по AGM технологии сепаратор, состоящий из стекловолокон различной толщины от 0,25 мкм до 3 мкм, плотно укладывается между пластинами для обеспечения контакта пластин с электролитом. Между волокон образуется система пор диаметром от 1 мкм до 10 мкм, в которых жидкий электролит удерживается капиллярной силой подобно губке.
В гелевых аккумуляторах электролит находится в связанном состоянии за счет использования вещества, имеющего в своем составе дисперсию частиц кремневой кислоты с большой поверхностью (200 м 2 /г). После заполнения аккумулятора происходит его загущение до желеобразного состояния с образованием системы пор диаметром от 0.1 мкм до 1 мкм, в которых также как и в AGM батареях удерживается электролит и создаются условия для рекомбинации газов, образующихся при электролизе.
С использованием абсорбированного и гелеобразного электролита удается получить герметизированный аккумулятор, который может работать в любом положении, кроме перевёрнутого.
Ограничения эксплуатации
При соблюдении условий эксплуатации сульфат свинца, образующийся на пластинах в результате процесса разряда аккумулятора, при заряде распадается без проблем. Однако, если оставить на долгое время разряженный аккумулятор, то сульфат свинца образует нерастворимую кристаллическую форму с повышенным электрическим сопротивлением (этот процесс называется сульфатирование или сульфатация). Таким образом площадь взаимодействия (пропитанного электролитом стекловолоконного материала с пластинами) уменьшается и АКБ приходит в негодность. По этой причине аккумуляторные батареи необходимо всегда хранить в заряженном состоянии. Поддерживать заряд в АКБ может быть проблематично из-за так называемого эффекта саморазряда. При этом эффекте аккумулятор разряжается без воздействия внешней нагрузки. Температура хранения оказывает непосредственное влияние на этот процесс (рис. 2). В следующей таблице приведена зависимость промежутка времени между полным зарядом АКБ и температурой хранения для сохранения необходимого минимального уровня заряда:
Температура хранения
Рекомендуемый период перезаряда батарей
20℃ или ниже
9 месяцев
20
Рис. 2 – график зависимости потерь в емкости AGM АКБ от времени и температуры хранения.
Номинальной емкостью аккумулятора называется емкость, гарантированная заводом изготовителем при заданных условиях разряда. Зарядной емкостью называется количество электроэнергии, сообщаемое аккумулятору при заряде. Зарядная емкость приблизительно на 10-12% больше разрядной из-за необратимых процессов, протекающих при заряде и разряде. После окончания длительного хранения АКБ их емкость может опустится ниже номинальной. Полную емкость можно восстановить с помощью проведения нескольких циклов «заряд-разряд».
Температура так же влияет на работу свинцово-кислотных АКБ (рис. 3). Комнатная температура 20-23°С является оптимальной для их эксплуатации. Более высокая температура увеличивает интенсивность коррозии пластин, что уменьшает срок службы аккумулятора (каждые 10 градусов сокращают срок эксплуатации в 2 раза, но при этом увеличивают емкость). При низкой температуре происходит охлаждение электролита в аккумуляторе, что ведет к снижению скорости протекания электрохимических процессов и соответственно уменьшению емкости аккумулятора (примерно 1% емкости при уменьшении температуры от нормы на 1°С).
При избыточном заряде свинцово-кислотного аккумулятора повышенным током после окончания процесса распада сульфата свинца начинает происходить электролиз воды. При этом водород и кислород приобретают газообразное состояние и происходит так называемый процесс «кипения». Во время этого процесса вода преобразуется в пар и увеличивается плотность электролита, что может привести к деформации корпуса АКБ и выходу его из строя. Уровень напряжения в 2,4В на элемент при котором начинается процесс электролиза воды называют «напряжением газообразования». С целью предотвращения подобных разрушительных процессов в AGM аккумуляторах используются:
Благодаря вышеописанным свойствам потребление воды из электролита сильно ограниченно, поэтому в течении нормального срока службы АКБ замеры вязкости электролита и добавление воды не требуются. Этим обеспечивается простота эксплуатации, а также возможность установки ИБП с такими аккумуляторами в помещении, где работают или проживают люди. Именно безопасность использования делает батареи, построенные по технологии AGM или гель, прекрасным выбором для эксплуатации дома и в офисе.
Срок службы
Срок службы АКБ является одним из главных показателей и характеризуется числом циклов «заряд-разряд». Количество циклов при эксплуатации в первую очередь зависит от того насколько глубокому разряду подвергаются АКБ, от температуры эксплуатации, от напряжения и тока заряда.
Допустимое напряжение заряда АКБ характеризуется величиной: «предельное напряжение заряда» — это число вольт на элемент, которым может безопасно производится заряд батареи для максимального продления ее срока службы. При заряде высоким током и короткой продолжительности работы в режиме разряда допускается более низкое значение предельного напряжения заряда, тогда как при заряде низким током и продолжительном разряде требуется более высокое значение предельного напряжения заряда.
Необходимо убедиться в том, что задано надлежащее напряжение в соответствии с рекомендациями производителя АКБ. Слишком высокое напряжение усиливает коррозию положительных пластин и сокращает срок службы аккумуляторной батареи. Слишком низкое напряжение приводит к сульфатации пластин, что, в свою очередь, вызывает снижение емкости и, в конечном счете, сокращает срок службы батареи.
Как было сказано ранее при нормальных эксплуатационных параметрах, а именно: при 20 ℃
30 ℃ осуществлять компенсацию напряжения для рабочих температур не требуется. Однако, чтобы обеспечить максимальное продление срока службы батареи следует принимать во внимание температурную компенсацию для рабочих температур, находящихся за пределами данного интервала.
Срок службы батареи, используемой в режиме «заряд-разряд» (характеризуется отключением зарядного устройства после окончания заряда) в значительной мере зависит от глубины разряда, которому она подвергается в течение каждого цикла. Отношение различного числа циклов к глубине разряда продемонстрировано на рис. 4.
Рис. 4 – отношение числа циклов и емкости в зависимости от глубины разряда.
Период эксплуатации в буферном режиме заряда (когда процесс заряда не останавливается, постоянно поддерживая уровень заряда АКБ близким к полному) в значительной степени зависит от температуры, при которой он осуществляется. Период эксплуатации в буферном режиме будет очень продолжительным при низкой температуре заряда (10
20 ℃), однако при высокой температуре срок службы АКБ сокращается.
Рис. 5 – Отношение периода эксплуатации к температуре
Классификация ассоциации EUROBAT, объединяющей ведущих производителей аккумуляторов, подразумевают следующие категории по расчетному сроку службы:
В ИБП общего назначения применяются стандартные коммерческие аккумуляторы. При этом конструкция ИБП зачастую предусматривает самостоятельную замену их пользователем с соблюдением мер предосторожности при работе с аккумуляторными батареями.
Во избежание снижения рабочих характеристик при замене должны использоваться одинаковые аккумуляторы соответствующего типа и емкости. Поскольку в процессе эксплуатации технические характеристики аккумуляторов, в частности внутреннее сопротивление, существенно меняются, не допускается использовать старые батареи с новыми в составе одной группы. Не рекомендуется подключать параллельно более 4 групп аккумуляторов, поскольку из-за разброса характеристик значительно разнятся зарядные токи, что приводит к сокращению срока службы аккумуляторов.
Расчет времени автономной работы от аккумуляторов
Время работы батареи зависит от многих факторов, но основными из них являются:
Для упрощенного расчета времени работы аккумуляторов используется следующая формула:
T [час] = C [А*час] * V [В] * η / P [Вт],
Разберем методику подсчета подробнее:
1. Расчет средней мощности
Разберем пример: номинальная мощность блока питания компьютера указана 500 Вт – это максимально возможная мощность, которую он может выдать. Реальное потребление будет зависеть от установленного оборудования и может составлять около 150 Вт.
Другой пример: подключенный к ИБП электрический нагреватель работает на элементе с электрической мощностью 350 Вт, однако, включение этого нагревателя производится раз в 30 минут, а работа его длится 5 минут. В этом случае, среднее потребление будет равно:
Стандартно моноблок аккумуляторной батареи ИБП состоит из нескольких одинаковых герметичных секций. Как правило, используются аккумуляторы с номинальным напряжением 12 вольт, внутри состоящие из 6 секций по 2 вольт каждая. В ИБП может использоваться от одного до сорока таких аккумуляторов в составе одной группы (цепочки последовательно соединенных АКБ). Группы могут подключаться параллельно для увеличения суммарной емкости.
Необходимо найти суммарную емкость АКБ. Для этой цели умножим общее число групп аккумуляторов на емкость одной группы (должны использоваться аккумуляторы только одной емкости).
Разберем пример: ИБП имеет встроенную группу АКБ, состоящую из последовательно соединенных 3-х герметичных свинцовых кислотных аккумуляторов емкостью 9 А*час (при 10-часовом разряде) и напряжением 12 вольт. Кроме того, к ИБП подключен один внешний батарейный блок (ББ) с шестью такими же аккумуляторами. Тогда общее напряжение на аккумуляторах равно 3*12=36 В, а суммарная емкость аккумуляторных батарей будет равна:
C10 = 9 А*час * 3 параллельных группы = 27 А*час
3. Расчет времени работы от АКБ
Теперь мы готовы рассчитать время работы ИБП от аккумуляторных батарей:
T [час] = C [А*час] * V [В] * η / P [Вт],
Продолжая рассмотренные ранее примеры (компьютер, потребляющий мощностью 150 Вт, питается от ИБП с тремя встроенными 12-вольтовыми аккумуляторами емкостью 9 А*час и подключенным внешним батарейным блоком из шести аккумуляторов 9 А*час в двух группах) имеем:
T = 27 А*час * 36 В * 0.85 / 150 Вт = 5,51 часов = 5 часов 30 минут
Как видно из формулы, время работы ИБП от АКБ напрямую не зависит от мощности ИБП. Таким образом, для увеличения времени работы ИБП от АКБ необходимо вместо выбора ИБП большей мощности, остановить выбор на ИБП, у которого больше суммарная емкость аккумуляторов. Либо повысить суммарную емкость с помощью подключения внешних батарейных блоков.
4. Разрядная характеристика
Приведенная выше формула является достаточно точной для продолжительного времени работы ИБП от АКБ (более 8-10 часов). При малых временах разряда (больших токах разряда) аккумулятор способен отдавать только часть емкости. Точно эта величина отражена в технических характеристиках аккумулятора, а приблизительно изображена на графике (рис.6).
Рис. 6 – Емкость аккумулятора от времени разряда.
Таким образом более точный расчет времени работы от АКБ может быть осуществлен с использованием значения КПД инвертора ИБП при заданной мощности и разрядных кривых для конкретного типа АКБ.
Выводы
Можно кратко резюмировать основные сведения об аккумуляторах для ИБП:
Простые источники бесперебойного питания, которые мы используем в быту, состоят из аккумулятора и инвертора напряжения. Более сложные источники имеют множество расширенных возможностей и аккумуляторов, соединенных между собой параллельно, за счет чего достигается их большая мощность, такими являются промышленные и серверные ИБП. Перемычки для соединения аккумуляторов применяются в источниках с более чем одним аккумулятором. Они обеспечивают соединение батарей в ИБП и увеличение его мощности.
Наиболее слабой частью ИБП является аккумуляторная батарея, так как для обеспечения ее продолжительной службы нужны идеальные условия, которые невозможно воспроизвести в быту. Именно аккумуляторные батареи определяют длительность резервного питания и мощность источника. ИБП без аккумулятора существовать не может. Поэтому важно грамотно подходить к выбору батарей для источников. В этой статье мы рассмотрим аккумуляторы для инверторов и ИБП: какие они бывают, когда требуется замена батареи UPS и какие АКБ лучше выбрать.
Виды батарей для ИБП
В современном мире выпускается много различных типов аккумуляторных батарей, вот некоторые из них: марганцево-цинковые, никель-водородные, литий-полимерные, литий-ионные, серебряно-цинковые, никель-кадмиевые, медно-литиевые, свинцово-кислотные. Каждый вид АКБ имеет различное предназначение, различные свойства, различную конструкцию и различную стоимость.
Литий-ионный аккумулятор для ИБП
Литий-ионные батареи обладают большой удельной емкостью, что позволяет использовать их для питания мощных потребителей. При этом Li-Ion батареи имеют компактные размеры и малый вес.
Достоинства литий-ионных аккумуляторов: низкая стоимость обслуживания, отсутствие потери емкости, низкая скорость саморазряда, высокая энергетическая плотность, высокая надежность работы.
Недостатки: требуются специальные зарядные устройства, обладают эффектом старения, хранение допускается только в заряженном виде, малый диапазон рабочих температур, высокая стоимость.
Свинцово-кислотный аккумулятор для ИБП
Данный вид батарей получил наибольшее распространение, и не только в компьютерных ИБП.
Достоинства: длительность циклов работы, расширенный диапазон рабочих температур, стабильность напряжения, высокая надежность, низкий саморазряд, низкая стоимость, совершение до тысячи циклов разряда-заряда.
Недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов: потеря работоспособности после глубоких разрядов, малая удельная емкость, большие габариты и вес.
Никель-металлогидридный аккумулятор для ИБП
Ni-MH аккумуляторы не получили широкого распространения в связи со сложностями в эксплуатации.
Достоинства Ni-MH батарей: отсутствие снижения уровня емкости, большая энергетическая плотность, стабильная работа, высокая удельная емкость.
Недостатки: высокий уровень расходов на эксплуатацию, сложный процесс заряда, высокий уровень саморазряда, глубокие разряды губительно влияют на батарею, малая нагрузочная способность, малый диапазон рабочих температур, высокая стоимость, малое число циклов разряда-заряда.
Никель-кадмиевые аккумуляторы для ИБП
Ni-Cd аккумуляторы для компьютерных бесперебойников в последние годы приобретают все большую популярность за счет малых размеров и веса, благодаря этому их все чаще применяют в портативной электронике.Также они используются как АКБ для бесперебойника.
Достоинства: стойкость к температурным перепадам, простота эксплуатации, высокая надежность, низкая стоимость, низкий процент саморазряда, выдерживает до 1500 циклов перезарядки, высокая энергетическая плотность.
Недостатки: высокая стоимость утилизации и переработки, изготавливается из высокотоксичного вещества, потеря емкости, «эффект памяти».
Типы электролитов в АКБ
Также аккумуляторы могут различаться по типу используемого электролита: батареи по технологии AGM, батареи с жидким электролитом, батареи по технологии GEL. Ниже представлены описания каждого из них.
АКБ с жидким электролитом
Данный тип батарей получил наибольшее распространение и популярность. В качестве электролита используется раствор серной кислоты. Основным недостатком батарей такого типа является отсутствие у них герметичности, что негативно сказывается на экологии. Для обслуживания и зарядки требуются специальные нежилые помещения. Из-за этого они редко используются в ИБП. Однако такие батареи обладают низкой стоимостью.
Батареи по технологии GEL
Гелевые аккумуляторы для ИБП содержат в свое составе загуститель, который доводит электролит до желеобразного состояния. Во время работы данный тип аккумуляторов не выделяет никаких газов, за счет чего становится возможным изготовление герметичного корпуса. Специального обслуживания для таких аккумуляторов не требуется, при этом они безопасны для здоровья.
Гелевые аккумуляторы для бесперебойников обладают длительным сроком эксплуатации, высокой емкостью, широким диапазоном рабочих температур, высокой надежностью, однако такие батареи более дорогие и не выносят глубокого разряда.
Батареи по технологии AGM
Данный тип батарей является наиболее современным. Это усовершенствованная версия гелевых аккумуляторов. Электролит в таких батареях абсорбирован пористыми волокнами для придания ему желеобразной структуры. Эти батареи изготавливаются в герметичных корпусах и обладают уменьшенным электрическим сопротивлением, что положительно сказывается на их свойствах. В ИБП такой тип аккумуляторов используется все чаще. К достоинствам AGM батарей можно отнести продолжительный срок службы, низкую стоимость обслуживания, низкую себестоимость, большую эпикритическую емкость, высокую надежность.
Все аккумуляторные батареи со временем приходят в негодность, поэтому приходится искать куда сдать аккумуляторы от ИБП. Однако некоторые из них можно попытаться реанимировать. Но тут же встает вопрос: «Чем заряжать аккумулятор от бесперебойника?». Без специального зарядного устройства восстановить ИБП не получится. Мы с вами рассмотрели, какие аккумуляторы в бесперебойнике используются сегодня. Теперь можно идти в магазин за новым аккумулятором для ИБП, а старый утилизировать и не мучиться с его восстановлением.
Все мы слышали об аккумуляторах, которые способны накапливать (аккумулировать) электрическую энергию, не так ли?
Что такое аккумулятор?
Аккумулятор – это первичный источник электропитания. К первичным источникам относятся, например, и литиевые элементы 2032, которые есть в каждом компьютере. Эти элементы питают микросхему CMOS, которая хранит настройки BIOS Setup компьютера. В отличие от аккумулятора, возобновить запас энергии в таких элементах невозможно.
Существуют и вторичные источники электропитания, к которым относится, в частности, блок питания компьютера. Вторичным источником компьютерный блок питания является потому, что выполняет преобразование первичного источника — сетевого переменного напряжения 220 В.
Энергия в аккумуляторе образуется в результате обратимого химического взаимодействия материала электродов и электролита. Восполнить израсходованный запас энергии в аккумуляторе можно, пропусти через него зарядный ток. Отметим, что существует несколько типов аккумуляторов. Например, в ноутбуках применяются литий-ионные, которые обладают лучшим соотношением энергия/вес.
Свинцово-кислотные аккумуляторы
В источниках бесперебойного питания (UPS или ИБП) применяются свинцовые кислотные аккумуляторы.
Свинцовый кислотный аккумулятор представляет собой две пластины, содержащие в себе свинец и погруженные в электролит – раствор на основе серной кислоты.
Вся эта конструкция заключена в пластиковый корпус.
Она содержит несколько «банок», соединенных последовательно. Каждая «банка» после заряда имеет напряжение около 2,2 В, которое постепенно понижается в процессе эксплуатации.
В аккумуляторах для ИБП последовательно соединены обычно 6 элементов.
В течение некоторого времени можно наслаждаться жизнью. Напряжение в сети скачет или пропадает, ИБП периодически переключается на питание от аккумулятора. И мы, поплевывая с высокой башни, не видим для себя никаких неудобств.
Однако любая кислотная аккумуляторная батарея имеет ограниченное число циклов «заряд-разряд». Она постепенно стареет, и в ней со временем происходят необратимые изменения, в частности, сульфатация пластин электродов.
Технологические тонкости
Поэтому были придуманы специальные технологии утилизации выделяющегося при заряде кислорода. Чтобы утилизировать кислород, надо доставить его пузырьки к отрицательному электроду, где он ступит в реакцию со свинцом. Это достигается двумя способами:
В последнем случае электролит принимает гелеобразное состояние и не вытекает, даже если перевернуть аккумулятор «вверх ногами». Сепаратор и гель удерживают воздух, и пузырьки кислорода благополучно достигают отрицательного электрода, так как диффузия в газе происходит намного быстрее, чем в жидкости.
Если выделившийся при заряде кислород утилизирован, потери воды в электролите не происходит и доливать ее не надо. Удобство обслуживания повышается, но количество циклов «заряд-разряд» все равно остается ограниченным.
Главный параметр аккумуляторной батареи — емкость
Аккумуляторы характеризуются таким параметром, как емкость.
Емкость аккумулятора – это способность накапливать электрический заряд. Она измеряется в ампер-часах (A*h). В ИБП наиболее широко применяются аккумуляторы с напряжением 12 В и емкостью 5, 7 и 12 A*h.
Значение емкости чаще всего приводится для времени разряда 10 или 20 часов. Так, батарея емкостью 7 A*h может обеспечить в течение 10 часов разрядный ток в 0,7 А. При этом аккумуляторная батарея разрядится до на напряжения примерно 1,7 В на элемент (или до напряжения около 10,4 В для всего устройства).
После этого в аккумуляторе остается еще энергия, и он может ее отдать. Но это будет уже режим глубокого разряда, что сильно сокращает срок жизни источника.
Фирма-производитель обычно оговаривает число циклов «заряд-разряд» при 100% разряде, т.е. до того времени, пока батарея не отдаст всю свою емкость (в данном случае – 7 A*h). При частичном разряде (т.е. когда он отдает не всю свою емкость, а меньшую величину) в каждом цикле — число циклов увеличивается. И это отрадный факт!
Следует отметить, что цифра емкости приводится именно для 10 или 20 часов разряда. При меньших временах разряда и, соответственно, бОльших разрядных токах он отдаст только часть своей емкости. И зависимость эта нелинейная.
Например, батарея GP1272 фирмы CSB емкостью 7,2 A*h при 10-ти часовом разряде (при температуре 25 С) способна отдавать ток 0,74 А.
Таким образом, ее емкость даже чуть больше заявленной – 7,4 А*h.
При часовом разряде батарея сможет отдавать ток 5,3 А, что соответствует емкости 5,3 А*h. При 15-ти минутном разряде батарея отдаст 15,1 А, что соответствует емкости 3,8 А*h, а при 5-ти минутном разряде – 29,6 А, что соответствует емкости 2,5 А*h.
Получается, что при малых временах разряда, когда аккумулятор должен отдавать большой ток (случай, наиболее интересный для нас), он может отдать меньше половины своей емкости. Это прискорбный факт!
Заканчивая первую часть статьи, отметим, что, когда в сети исчезает напряжение, ИБП работает от аккумулятора, потребляя (при наличии нагрузки более 100 Вт) более 10 А. При мощной нагрузке может потребляться ток в десятки ампер! Уж лучше было бы наоборот – при больших токах разрядки аккумулятор отдавал бы всю свою емкость, а при малых – часть…
Во второй части статьи мы завершим предварительное знакомство с аккумуляторами. А пока еще раз перечитайте первую часть, чтобы цифры отложились в голове.
В источниках бесперебойного питания (UPS или ИБП) применяются свинцовые кислотные аккумуляторы.
Аккумуляторы характеризуются таким параметром, как емкость.
Например, батарея GP1272 фирмы CSB емкостью 7,2 A*h при 10-ти часовом разряде (при температуре 25 С) способна отдавать ток 0,74 А.
Получается, что при малых временах разряда, когда аккумулятор должен отдавать большой ток (случай, наиболее интересный для нас), он может отдать меньше половины своей емкости. Это прискорбный факт!