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.

Как подобрать аккумулятор для ИБП с использованием разрядных таблиц

Реальное время автономной работы оборудования наиболее точно можно определить по разрядным таблицам. Существует множество таблиц в каталогах ИБП, интернет-калькуляторов, программ расчета, но, как правило, они не учитывают того, что параметры различных серий батарей могут сильно отличаться друг от друга. Если Вы хотите правильно подобрать батареи AQQU для ИБП, необходимо:

1. Сформулировать задачу

Необходимые параметры: — мощность нагрузки,— требуемое время автономной работы,— КПД инвертора ИБП (если батареи используются с ИБП),— номинальное напряжение линейки батарей.

Существенное замечание: на время автономии влияет только активная мощность, то есть цифра, измеряемая в Ваттах.

Для упрощения можно считать, что КПД при работе от батарей ИБП с двойным преобразованием мощностью 10 кВА и выше — 0,9; меньшей мощности — 0,85. линейно-интерактивных ИБП — 0,8. Также надо учитывать, что КПД преобразования тем меньше, чем меньше процент его загрузки. При нагрузке до 5-10% ИБП, особенно маломощные, могут потреблять для питания собственных цепей больше мощности подключенной нагрузки. Чтобы не ошибиться с временем автономии при мощности нагрузки менее 40% от номинала имеет смысл принимать собственное потребление ИБП равным 10% от мощности для линейно-интерактивных ИБП, 6% для онлайн ИБП мощностью до 3 кВА, 4% для более мощных ИБП.

Повторим, что наша главная задача — не завысить время автономии, а удовлетворить требованиям, возможно, с небольшим запасом.

2. Рассчитать мощность нагрузки из расчета количества Ватт на один элемент линейки батарей.

Одна батарея напряжением 12 В содержит 6 двухвольтовых элементов. Значит, чтобы получить количество элементов, мы умножаем количество 12-вольтовых батарей на 6 или делим номинальное напряжение линейки батарей на 2. Полученную цифру делим на КПД. Если расчет предполагает выполнение требования по времени автономной работы в течение всего срока службы (то есть, до падения емкости батареи ниже уровня 80% от номинала), то надо добавить к этой цифре 25%.

3. Найти в таблице «Разряд постоянной мощностью» столбец, соответствующий требуемому времени автономии. В этом столбце найти значение мощности, наиболее близкое к рассчитанному в п. 2. К емкости батареи ниже уровня 80% от номинала), надо добавить 25%.

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.

AGM или GEL?

Второй, не менее важный критерий выбора аккумулятора для ИБП – тип исполнения. На сегодняшний день наиболее популярными являются АКБ, изготовленные по технологии AbsorbedinGlassMat (AGM) и GEL (гелевые). Давайте разберемся, какой вариант лучше выбрать для собственных условий.

AGM

AGM аккумуляторы состоят из положительных и отрицательных свинцовых пластин, разделенных сепаратором (изготовлен из стекловолокна). Стекловолокно в свою очередь пропитано электролитом. Цена на них не высока, срок службы достигает 10 лет. В среднем количество циклов жизни при 100% разряде составляет порядка 260, при 50% разряде – 500. AGM аккумуляторы чаще всего используют в системах резервного питания, где глубокие разряды будут редки. Если не оставлять батареи в разряженном состоянии и соблюдать оптимальный температурного режим 15-25 C, аккумуляторы должны проработать заявленный срок службы.

GEL

Отличие гелевых аккумуляторов от AGM технологии заключается в том, что в качестве сепаратора используют силикагель, который заливают между пластинами во время производства. Силикагель при застывании представляет собой твердое вещество с большим количеством пор и удерживает электролит. Благодаря этой технологии, силикагель полностью заполняет пространство между пластинами и разрушение свинцовых пластин практически невозможно. Технология GEL улучшает характеристики аккумуляторов, таких как, число циклов разряда и устойчивость к глубоким (100%) разрядам. Гелевые аккумуляторы в основном задействованы в солнечной и ветряной энергетике. Единственным недостаток — высокая стоимость.

Выбирая между двумя типами изготовления, оптимальным выбором будет остановиться на технологии AGM.

Если у вас остались вопросы, вы можете обратиться в компанию MNB Battery — Оптовая розничная поставка свинцово-кислотных аккумуляторов по всей России http://mnb-battery.ru/

Опубликовано:
17.11.2016
Обновлено: 24.03.2018

Определяем параметры старой АКБ

Первое, что следует сделать – выяснить ее технические характеристики, на которые вы будете ориентироваться при выборе нового АКБ для источника бесперебойного питания. Основные параметры, которые нужно знать это напряжение (В) и емкость (Ah, А/ч).

Напряжение должно в точности соответствовать значению, указанному на старом АКБ. Как правило, аккумуляторные батареи могут быть напряжением 6 и 12 вольт. Что касается емкости, ее можно выбрать немного больше, чем была.

Также не помешает определить габариты АКБ, что может помочь выбрать подходящую модель, если какие-то характеристики вы не смогли прочитать.

Кстати, все важные параметры батареи находятся в паспорте источника бесперебойного питания. Если документация у вас сохранилась, выбор будет облегчен.

Виды аккумуляторов

АКБ для ИБП могут быть самых разных конструкций. Некоторые известны уже несколько десятков лет, некоторые разработаны сравнительно недавно, но уже успели приобрести большую популярность благодаря своим высоким техническим характеристикам.

Аккумуляторы можно разделить на несколько групп:

• Батареи с кислотным электролитом и свинцовыми электродами;
• Аккумуляторы с гелевым электролитом;
• AGM батареи;
• Ni-Cd аккумуляторы;
• Батареи Li-ion, Li-PO.

Аккумуляторы с жидким электролитом

Они представляют собой негерметизированную ёмкость с электродами из свинца. В качестве электролита используется раствор серной кислоты. Аккумуляторы выделяют водород, и сернокислотные пары, что ограничивает их применение в бытовых помещениях.

Такие аккумуляторы могут использоваться как дополнительные батареи при возможности их размещения в отдельных вентилируемых помещениях. Батареи отличаются низкой стоимостью, надёжностью и большим количеством зарядно-разрядных циклов

Гелевые аккумуляторы

Эта конструкция представляет собой дальнейшее развитие кислотных батарей. Благодаря добавке загустителя на основе кремния, жидкий электролит превращается в желеобразную массу. Гелевые аккумуляторы для ИБП полностью герметичны, не выделяют токсичные вещества и очень надёжны. Они обладают большой ёмкостью и большим количеством циклов разряда-заряда. GEL-аккумуляторы очень критичны к глубокому разряду, и стоят дороже аккумуляторов с жидким электролитом.

Аккумуляторы с AGM технологией

Результатом дальнейшей модернизации гелевых аккумуляторов стало появление AGM источников питания. Они считаются  современными и перспективными моделями. В этих батареях жидкий компонент абсорбирован специальным пористым материалом. Батареи можно эксплуатировать в любом положении. Они обладают очень маленьким внутренним сопротивлением.

AGM аккумуляторы для ИБП отличаются большой ёмкостью, надёжностью и продолжительным сроком работы. Такие источники чаще других применяются в резервных блоках питания.

Никель-кадмиевые батареи

Эти типы аккумуляторов отличаются большим количеством зарядных циклов и большой удельной ёмкостью. Они обладают малым саморазрядом и могут эксплуатироваться в широком диапазоне температур. Эти батареи компактны и обладают малым саморазрядом.

Ограничение на их использование накладывает высокая цена и применение в конструкции соединений кадмия, которые очень ядовиты, что осложняет не только их эксплуатацию, но и утилизацию.

Аккумуляторы с Li-электродами

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, с развитием инновационных технологий получают всё большее распространение. Эти батареи при компактных размерах имеют большую ёмкость и могут обеспечить энергией потребителя большой мощности.

Литиевые аккумуляторы не теряют ёмкость в процессе работы и обладают очень незначительным саморазрядом. Недостатками являются их высокая стоимость и малый диапазон рабочих температур.

Расчет требуемой мощности АКБ для ИБП

• Нагрузка = 25 кВт
• Мощность ИБП = 40 кВА/32 кВт
• Напряжение батарей 348 В (29 батарей, 174 элемента)
• Время автономии 15 мин
• КПД принимаем за 0,9

Требуемую мощность на 1 элемент можем рассчитать по формуле:

Нагрузка/Кол-во элементов/КПД

25000/174/0,9=160 Вт

Считаем, что требование времени автономии в техническом задании на поставку ИБП должно выполняться для новых батарей, поэтому запас на старение не делаем. Поскольку время автономии менее часа, то смотрим серию HFL.

Находим столбец «15 мин». В нем есть значения 120 Вт (для батареи 12HFL165) и 163 Вт (для батареи 12HFL211). Нам надо не менее 160 Вт, поэтому требуемое решение — 12HFL211 (12 В, 45 Ач).

Для того, чтобы понять, не лучше ли сэкономить и выбрать менее дорогие батареи серии ML, повторим расчет для нее:

В разрядной таблице серии ML находим столбец «15 мин», в нем есть значения 140 Вт (для батареи 12ML45) и 177 Вт (для батареи 12ML55). Нам требуется не менее 160 Вт, поэтому требуемое решение — 12ML55. (12 В, 55 Ач)