Аккумуляторные батареи для ИБП

Принцип работы

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).

Рис. 1 – схема заряда (а) и разряда (б) AGM аккумулятора, где:

1. стекловолоконная материя с абсорбированным электролитом
2. свинцовая пластина-анод
3. свинцовая пластина-катод
4. направление движения тока
5. положительный и отрицательный вывод

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 м²/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:

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).

Рис. 3 – график зависимости емкости AGM АКБ от температуры работы, где СА – номинальная емкость от которой высчитывается зарядный ток хСА (х - коэффициент)

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:

• зарядные устройства с автоматическим регулированием по напряжению, которые обеспечивают уменьшение зарядного тока при приближении к полному заряду батареи
• ограничение значения максимального напряжения заряда на уровне 2,35 В на элемент
• загущенный электролит, заключенный между пластин в стекловолоконном материале, который обладает значительно меньшей интенсивностью газообразования при кипении
• герметичный пластиковый корпус с регулируемым клапаном, удерживающий образовавшийся газ и гарантирующий его рекомбинацию (в случае образования избыточного давления водорода автоматический клапан выпускает излишки газа)

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.

Температурная компенсация зарядного напряжения батареи:

1. При работе в буферном режиме: Vt = V-0,003(t-25)
2. При работе в режиме «заряд-разряд»: Vt = V-0,005(t-25) (V – используемое для заряда напряжение при 25 ℃, t – температура, Vt – напряжение заряда при t ℃)

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:

• срок службы 3-5 лет - Standart Commercial (стандартные коммерческие)
• срок службы 6-9 лет - General Purpose (общее назначение)
• срок службы 10-12 лет - High Performance (высокая производительность)
• срок службы 12 лет и выше – Long Life (длительный срок 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

Самая важная характеристика АКБ для ИБП - это время автономной работы, которое они могут обеспечить в составе источника бесперебойного электропитания. Для выполнения подобного расчета необходимо точно представлять себе условия работы ИБП.

Время работы батареи зависит от многих факторов, но основными из них являются:

• C – суммарная емкость аккумуляторной батареи, которая выражается в [А*час] и является времятоковой характеристикой (зависит от количества аккумуляторов в цепи разрядного тока, температуры во время разряда, предельного напряжения заряда, условий проводимых эксплуатации и хранения)
• V – напряжение подключенного аккумулятора в вольтах
• η – КПД инвертора, коэффициент зависящий от эффективности преобразования для используемой в ИБП технологий
• P – средняя мощность подключенного к ИБП оборудования в ваттах
• T – время работы в часах, характеризует промежуток времени поддержки питания ИБП с помощью АКБ до полного разряда

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

Сперва определяется средняя активная мощность подключенного к ИБП оборудования (P) в ваттах (обозначаются Вт - ватт, а не ВА - вольт-ампер). Нам нужно узнать именно среднее (за время работы от аккумулятора) потребление. Оно может существенно отличаться от максимальной или номинальной мощности, указанной в описаниях оборудования.

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:

350 Вт * 5 минут / 30 минут = 58,3 Вт

2. Расчет суммарной емкости АКБ (аккумуляторной батареи) ИБП

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],

где: C - суммарная емкость аккумуляторных батарей, которую мы рассчитали ранее в ампер-часах; V - напряжение аккумуляторов в вольтах; η - КПД инвертора ИБП (если неизвестно, то рекомендуется использовать среднее значение 0.85 для ИБП небольшой мощности); P – средняя активная мощность, потребляемая оборудованием подключенным к ИБП, рассчитанная нами ранее в ваттах.

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:

1. АКБ должны всегда храниться заряженными при комнатной температуре с периодическим выполнением дополнительного подзаряда
2. Емкость аккумулятора зависит от температуры: чем температура больше - тем выше, но при превышении 20°С срок службы аккумуляторов начинает снижаться
3. AGM и гель аккумуляторы не нуждаются в дополнительном обслуживании, а за счет рекомбинации газа в герметичном корпусе безопасны для использования в местах работы и проживания людей при соблюдении правил эксплуатации
4. Срок службы аккумуляторов зависит от:
   • глубины разряда АКБ (чем больше процент оставшегося заряда, тем лучше)
   • температуры эксплуатации (каждые 10°С выше 20°С сокращают срок эксплуатации в 2 раза)
   • напряжения и тока заряда (слишком высокое повышает коррозию, слишком низкое приводит к сульфатации)
5. При расчете времени работы ИБП от АКБ необходимо учитывать разрядные кривые (зависимость отдаваемой мощности от времени разряда).