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:
Очень важной частью любого источника бесперебойного питания является аккумуляторная батарея. От технических характеристик аккумулятора для ИБП зависят все основные параметры бесперебойника. Именно аккумулятор ИБП определяет в конечном счете и мощность источника и длительность резерва бесперебойника. Вот почему необходимо грамотно подойти к вопросу выбора аккумулятора для источника бесперебойного питания.
Аккумуляторы для бесперебойников. Классификация по конструктивному типу
В наше время в мире выпускаются аккумуляторы различных типов. Вот далеко не полный список: свинцово-кислотные, медно-литиевые, никель-кадмиевые, никель-металлогидридные, железо-никелевые, серно-натриевые, серебряно-цинковые, серебряно-кадмиевые, литий-ионные, литий-полимерные, никель-водородные, марганцево-цинковые. Все типы аккумуляторных батарей имеют различную конструкцию, различные свойства и различные цены. Рассмотрим основные типы аккумуляторов, применяемых для источников бесперебойного питания.
Свинцово-кислотные аккумуляторы для ИБП
Свинцово-кислотные (с английского Sealed Lead Acid) аккумуляторные батареи получили наибольшее распространение. К положительным свойствам относятся: низкая стоимость, низкий саморазряд, высокая надежность, стабильность напряжения, работа в широком диапазоне температур, длительность циклов работы, возможность совершать до тысячи циклов заряда / разряда. К отрицательным свойствам можно отнести: большой вес и габариты, маленькая удельная ёмкость, теряют работоспособность при глубоких разрядах.
Никелево-кадмиевые аккумуляторы для ИБП
Никелево-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторные батареи получили большую известность в последние годы благодаря маленькому весу и размерам широко применяются в различных электронных устройствах. К положительным свойствам относятся: высокая энергетическая плотность, возможность осуществления до 1500 перезарядок, низкий саморазряд (менее 20 % в месяц), не дорогая цена, высокая надежность, простота в эксплуатации, хорошая стойкость к перепадам температур. К отрицательным свойствам относятся: наличие «эффекта памяти», постепенное уменьшение ёмкости АКБ, использует высокотоксичное вещество, высокая стоимость переработки и утилизации.
Никелево-металлогидридные аккумуляторы для ИБП
Никелево-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторные батареи известны довольно давно и обладают рядом улучшенных характеристик, но они не получили большого распространения, прежде всего из-за сложностей в эксплуатации. К положительным свойствам относятся: высокая удельная ёмкость, стабильная работа, большая энергетическая плотность, не снижает уровень ёмкости. К отрицательным свойствам относятся: малое число циклов заряда / разряда, высокая цена батареи, более узкий температурный режим работы, малая нагрузочная способность, не переносит глубоких разрядов, высокий уровень саморазряда, сложность процесса зарядки, большие расходы на эксплуатацию.
Литиево-ионные аккумуляторы для ИБП
Литиево-ионные (Li-Ion) аккумуляторные батареи были изобретены ещё в первой половине 20 века, однако их массовое производство началось только в 90-х годах. Сегодня они являются наиболее перспективными для использования в электронных устройствах. Такие батареи имеют большую удельную ёмкость и могут обеспечить мощного потребителя при малом собственном весе и размере. К положительным свойствам относятся: высокая надёжность работы, большая энергетическая плотность (около 100 Вт*ч/кг), очень маленькая скорость саморазряда (около пяти процентов в месяц), АКБ не теряет ёмкости в процессе работы, низкая стоимость обслуживания. К отрицательным свойствам относятся: высокая цена, не достаточно широкий диапазон температур работы, АКБ необходимо хранить в заряженном виде, есть эффект старения, необходимо использовать специальные зарядные устройства.
В настоящее время наибольшее распространение получили обычные свинцово-кислотные аккумуляторы для ИБП. Основные причины — высокая надёжность аккумуляторных батарей, низкая стоимость приобретения, простота в обслуживании, работоспособность в тяжелых климатических условиях, возможность многократных процедур заряда.
Аккумуляторы для бесперебойников. Классификация по типу электролита
По типу используемого электролита все аккумуляторные батареи можно разделить на три основные группы: АКБ с жидким электролитом, АКБ по технологии GEL, АКБ по технологии AGM. Рассмотрим основные характеристики этих типов аккумуляторов.
Аккумуляторы для источника бесперебойного питания с жидким электролитом
Аккумуляторные батареи с жидким электролитом имеют наибольшее распространение. Эта технология включает использование раствора серной кислоты в качестве электролита. К такому типу относятся обычные автомобильные АКБ. Основной их недостаток состоит в том, что они не герметичны. В процессе работы такие батареи выделяют водород и пары серной кислоты, что негативно сказывается на их экологичности. Негерметичные аккумуляторы требуют сложного обслуживания, специального помещения для проведения работ по зарядке и обслуживанию. К положительным свойствам следует отнести низкую стоимость приобретения батареи. Такие аккумуляторы редко используются для источников бесперебойного питания, однако могут быть применены в случае внешнего подключения АКБ и наличия специального не жилого помещения.
Аккумуляторы GEL для источника бесперебойного питания
Аккумуляторы GEL (гелиевые аккумуляторы) производятся по технологии GEL-Electrolite. Для получения нужного желеобразного состояния в состав электролита АКБ добавляют специальный загуститель. Аккумуляторы, созданные по этой технологии, не имеют выделения газов. Поэтому они изготавливаются герметичными. Герметичные аккумуляторы для ИБП безопасны и не требуют специального обслуживания. GEL АКБ имеют высокую надёжность, работоспособны в широком диапазоне температур, имеют высокую ёмкость и длительный срок эксплуатации. Однако их стоимость более высокая, чем у негерметичных АКБ. Также необходимо не допускать глубокого разряда таких батарей.
Аккумуляторы AGM для источника бесперебойного питания
Аккумуляторы по технологии AGM (Absorptive Glass Mat) являются самыми современными. По сути они являются модернизацией АКБ типа GEL. В качестве электролита в таких батареях используют жидкий электролит, абсорбированный специальными пористыми волокнами. Такая технология позволяет делать батареи герметичными. При их работе не выделяются вредные пары. В то же время электрическое сопротивление таких АКБ ниже, что существенно улучшает показатели. В производстве источников бесперебойного питания именно аккумуляторы по технологии AGM получили большое распространение. Такие АКБ имеет ряд положительных свойств: высокая надёжность работы, простое обслуживание, большая эпикритическая ёмкость, низкая стоимость приобретения и низкая стоимость обслуживания, большой срок службы.
Купить аккумуляторы для ИБП в Ростове-на-Дону, Москве, Санкт-Петербурге, Новосибирске в магазинах СКАТ
Получить необходимые консультации специалистов, подобрать нужный аккумулятор по размерам и техническим характеристикам помогут специалисты сети магазинов СКАТ. Большой выбор различных моделей аккумуляторов для бесперебойников вы найдете в фирменных салонах в городах: Москва, Ростов-на-Дону, Санкт-Петербург, Новосибирск.
Источник бесперебойного питания – аппарат, гарантирующий стабильную работу электрооборудования при подаче некачественного электропитания или полном отключении централизованного электроснабжения. Автономное функционирование потребителей ИБП обеспечивает благодаря наличию аккумуляторной батареи, которая может быть встроенной или внешней.
Основные технические параметры аккумуляторных батарей для ИБП
От характеристик аккумулятора, стоимость которого сопоставима с 30 % от полной цены бесперебойника, зависят длительность автономного питания потребителей и устойчивость их работы.
Типы конструкции АКБ для ИБП
Производители предлагают различные типы аккумуляторов, каждый из которых рассчитан на определенные условия эксплуатации, имеет собственные преимущества и недостатки.
Свинцово-кислотные
Основные области использования свинцово-кислотных аккумуляторов: производство ИБП, предназначенных для обслуживания оргтехники, автомобильная техника, промышленность.
Основные преимущества недорогих свинцово-кислотных аккумуляторных батарей:
Минусы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей для ИБП: небольшая удельная емкость, значительные размеры и масса, потеря работоспособности при глубоких разрядах.
Никелево-кадмиевые
Такие АКБ используют в переносной электронной аппаратуре благодаря небольшим размерам и массе. Они устойчивы к температурным перепадам, хорошо работают при низких температурах, просты в применении, надежны, стоят недорого, имеют хорошую плотность энергии. Минусы: вероятность потери емкости из-за эффекта памяти и высокая токсичность компонентов, что значительно усложняет утилизацию этих устройств.
Никелево-металлогидридные
Эти АКБ не очень популярны из-за сложности эксплуатации. Существенные преимущества: значительная плотность энергии, высокая емкость в сочетании с небольшой массой, стабильная работа. Основные минусы: вероятность значительного самостоятельного саморазряда, небольшая нагрузочная способность, небольшое число циклов перезарядки, сложная зарядка, чувствительность к температурным скачкам.
Литиево-ионные
Литиево-ионные аккумуляторы благодаря высокой удельной емкости – один из лучших вариантов для ИБП, обслуживающих мощные электронные устройства. Эти прогрессивные устройства обладают и другими преимуществами, среди которых – небольшие размеры и масса, высокая энергетическая плотность, малая скорость саморазряда, надежность, недорогое техническое обслуживание. Минусы: небольшой диапазон допустимых температур (при минусовых температурах емкость резко снижается), необходимость хранить аппарат в заряженном состоянии, высокая стоимость по сравнению с другими видами АКБ. В конструкцию устройства входят анод из медной фольги и катод, изготовленный из алюминиевой фольги. Для защиты от перезаряда, превышения допустимых температур, коротких замыканий предусмотрен встроенный контроллер.
Виды аккумуляторных батарей по типу электролита
Технические особенности АКБ во многом зависят от типа примененного электролита:
Плюсы: большая емкость, долговечность, надежность, возможность располагать их в любом положении, устойчивость к вибрациям и невысокая стоимость. AGM-аккумуляторы для ИБП отличаются значительным количеством циклов перезарядки и невысокими показателями саморазряда.
Минусы: невозможность пополнения части утраченного электролита, чувствительность к глубоким разрядам.
Может ли ИБП работать без аккумулятора
Включение бесперебойников без АКБ может понадобиться для улучшения характеристик тока, поступающего от источника централизованного электропитания. Некоторые модели ИБП on-line официально рассчитаны на такое подключение. Но с функцией получения точных параметров тока эффективнее справляются устройства, специально предназначенные для этой цели.
Большинство ИБП невозможно включить в обход аккумуляторной батареи из-за встроенной системы самодиагностики, которая перед запуском аппарата в работу проверяет работоспособность всех его узлов, в том числе аккумуляторов. Отсутствие АКБ система самодиагностики воспринимает как неисправность и блокирует включение бесперебойника. Существующие кустарные способы обхода проверки на работоспособность опасны как для самого прибора, так и для мастера.
НПАО «ПФ «Созвездие», входящее в группу компаний «Полигон», предлагает современные решения систем бесперебойного и гарантированного электропитания. Реализуемые ИБП известных брендов IMD, GE, Mwell, Eaton, Riello обеспечивают надежную защиту и высокое качество электропитания.
