Аккумуляторы для ИБП


Алексей Полунин

Hits: 59298

В обзоре, посвященном бесперебойным источникам электропитания для узлов связи, уже затрагивалась тема аккумуляторных батарей и их важность для надежной работы всего комплекса средств энергоснабжения. Нынешний обзор полностью посвящен этим источникам электроэнергии.

Анатомия аккумулятора

Это вывод уже стал банальностью, но без электричества не было бы, ни отрасли телекоммуникаций, ни информатизации во всем ее нынешнем блеске, а также еще очень большого числа привычных нам вещей. Человечество знакомо с природным электричеством всю свою историю, однако всего лишь чуть более двух веков назад появился первый рукотворный элемент электропитания. Это случилось в марте 1800 года, когда итальянский физик Алессандро Вольта изобрел первую батарейку, получившую название "вольтов столб". Данное изобретение стало толчком к дальнейшему изучению электричества, что буквально в течение нескольких десятилетий привело к его практическому использованию.
Первый работающий свинцово-кислотный аккумулятор был разработан французским физиком Гастоном Планте в 1859 году. Эти источники питания сразу получили большое распространение. Любопытный факт – первый электромобиль на таких аккумуляторах появился на четыре года раньше своего бензинового собрата, в 1881 году. Кстати, именно на электромобиле в конце 19 века был впервые преодолен рубеж скорости в 100 км/ч.
Однако вернемся в "родную" нам телекоммуникационную отрасль, где сегодня аккумуляторные батареи (АКБ) играют огромную роль, начиная от обеспечения питанием наших сотовых телефонов и заканчивая системами энергоснабжения всех узлов связи.
С момента появления первого аккумулятора принципы его конструкции практически не изменились. Свинцово-кислотные аккумуляторы относятся к категории химических источников электрической энергии многократного использования. Они состоят из двух групп электродов с сепараторами между ними, электролита на основе серной кислоты и корпуса. Накопление электроэнергии в аккумуляторе происходит за счет химической реакции восстановления электродов при его зарядке от внешнего источника. При разряде аккумулятора происходят обратные процессы, благодаря чему он становится источником электрического тока. К достоинствам свинцово-кислотного аккумулятора относят его экономичность по сравнению с другими типами батарей и способность обеспечивать стабильность напряжения при изменении тока нагрузки и температуры окружающей среды.
За полтора столетия применения АКБ усилия изобретателей были направлены на совершенствование конструкций и химического состава электродов, а так же на снижение трудозатрат по обслуживанию батарей. С 1970 года стали выпускаться малообслуживаемые АКБ, в которых контроль состояния электролита можно производить раз в 2-3 года, и герметизированные батареи, относящиеся к классу необслуживаемых устройств. Эти аккумуляторы упростили жизнь техническому персоналу узлов связи и повысили надежность работы систем электропитания в целом.
Сегодня в ИБП применяются батареи типа VRLA (Valve Regulated Lead Acid), эта аббревиатура обозначает конструктивное исполнение аккумуляторов и переводится как Клапанно-Регулируемые Свинцово-Кислотные. Данный тип батарей часто называют герметизированными необслуживаемыми, в которых практически отсутствует выделение газов (водорода и кислорода), сопровождающих работу любого свинцово-кислотного аккумулятора. Благодаря особенностям конструкции, составу электролита и материалов из которых изготовлены электроды и сепараторы, молекулы газов вновь превращаются в молекулы воды и возвращаются в состав электролита. При нормальных условиях эксплуатации уровень рекомбинации газов превышает 97-99%. Оставшаяся часть газов скапливается внутри корпуса и при превышении определенного уровня давления через клапаны выпускается в атмосферу. По сравнению с классическими АКБ этот уровень выброса настолько мал, что позволяет эксплуатировать герметизированные батареи без систем принудительной вентиляции.
Особенностью батарей VRLA является нахождение электролита в связанном состоянии. В настоящее время наибольшее распространение получили два варианта реализации этого состояния. В батареях, созданных по технологии AGM (Absorbed Glass Material) для изготовления сепараторов применяется стекловолоконный пористый материал, который пропитывается электролитом. Аккумуляторы технологии GEL используют гелеобразный электролит, который получается путем добавления силиконового наполнителя. Оба варианта связывания электролита имеют свои плюсы и минусы. Так батареи AGM обеспечивают лучшую рекомбинацию газов, выравнивание температурных неоднородностей внутри корпуса и имеют хорошие динамические характеристики процессов заряда-разряда. Гелиевые АКБ обладают меньшей эффективностью рекомбинации и более требовательны к условиям эксплуатации. Большая плотность электролита по сравнению с AGM снижает динамические характеристики ее работы и накладывает высокие требования к качеству зарядного устройства. Гелиевым аккумуляторам в большей степени свойствен эффект термозаргона, когда при превышении тока заряда температура батареи начинает резко повышаться, что приводит к ее разрушению. Возникновение этого эффекта связывают с малой теплопроводностью гелиевого электролита. В тоже время аккумуляторы технологии GEL лучше переносят режим глубокого разряда и имеют многократно больший ресурс по числу циклов заряда-разряда.
Кроме способа связывания электролита, герметизированные АКБ различаются конструктивными вариантами изготовления электродов. Чаще всего они выполняются в виде плоских пластин, которые могут иметь разную толщину, структуру и состав активных материалов. От толщины и геометрии решетки электрода зависит срок службы батареи, число пластин определяет ее динамические характеристики, а состав активных материалов влияет на интенсивность выделения газов и эффективность их рекомбинации. Наряду с плоскими электродами в батареях GEL применяются трубчатые, обладающие большей поверхностью. Корпус герметизированного аккумулятора обычно изготавливается из ударопрочного термостойкого пластика ABS, так же выпускаются корпуса батарей пластика, который не поддерживает горение.
Ассоциация EUROBAT, объединяющая ведущих европейских производителей аккумуляторных батарей, предложила классификацию, включающую четыре категории АКБ, основанную, в первую очередь, на ожидаемой продолжительности их службы. В категорию высокой целостности (High Integrity) включаются аккумуляторы, которые служат более 10 лет и предназначены для использования в оборудовании на объектах, где необходимо поддержание высшего уровня безопасности. К таким объектам относятся телекоммуникационные центры, атомные электростанции, нефтеперекачивающие комплексы и т.п. Аккумуляторы категории высокой производительности (High Performance) должны служить не менее 10 лет и требования к их характеристикам и надежности чуть ниже предыдущей категории. От пяти до восьми лет должны работать АКБ общего назначения (General Purpose) и от трех до пяти лет стандартные коммерческие (Standart Commercial). Последняя категория батарей наиболее часто применяется в стационарных установках и небольших ИБП.
Долговечность работы аккумуляторов оценивается числом возможных циклов заряда-разряда и зависит от конструктивного исполнения, условий ввода в эксплуатацию, условий эксплуатации. Так же на надежность и продолжительность работы очень сильно влияет соблюдение технологических процессов и качество исходного сырья при производстве батарей.
Основными характеристиками аккумуляторных батарей являются напряжение на клеммах и номинальная емкость заряда, измеряемая в Ампер-часах (Ач). Герметизированные свинцово-кислотный аккумуляторы обладают достаточно высокими удельными энергетическими характеристиками в расчете на единицу веса или объема (до 40 Втч/кг и 100 Втч/л).

 

Аккумуляторный буфер ИБП

Одной из важнейших частей источника бесперебойного питания является буфер аккумуляторных батарей. В зависимости от схемы построения ИБП к этому элементу предъявляются разные требования. В телекоммуникациях наибольшее распространение получили ИБП, которые строятся по принципу двойного преобразования и относятся к категории On-Line. В этих источниках первичное напряжение, поступающее от внешней сети электроснабжения, выпрямляется и понижается до напряжения, необходимого для подзарядки аккумуляторных батарей. Затем постоянное напряжение поступает инвертор, который вновь формирует переменное напряжение с уже эталонными характеристиками.
В схеме On-Line между выпрямителем и инвертором всегда располагается аккумуляторный буфер, который не только случит источником питания при полном пропадании входного напряжения, но также позволяет компенсировать временные провалы. Для ИБП двойного преобразования необходимы аккумуляторы, которые способны выдерживать частые, а периодически и глубокие, циклы заряда-разряда. Герметизированные АКБ, особенно выполненные по технологии AGM, плохо переносят глубокий разряд. В них начинается необратимый процесс сульфатации пластин электродов, заметно снижающий ресурс работы батареи. Поэтому для нивелирования глубины разряда в составе аккумуляторного буфера рекомендуется использовать батареи емкостью, заметно превышающую расчетную.
Другой проблемой аккумуляторного буфера в ИБП может стать разбалансировка напряжений на его отдельных элементах. В этом случае начинается процесс взаимной перезарядки батарей, что в итоге приводит к полному выходу всей линейки аккумуляторов буфера из строя. Опасность этой проблемы связана с тем, что для самого агрегата ИБП работа буфера очень долго не претерпевает изменений – напряжение на клеммах батарейного буфера остается постоянным. Однако при пропадании первичного питания реальной емкости аккумуляторов может просто не хватить для работы в течение заданного времени.
Несмотря на статус необслуживаемой батареи герметизированные аккумуляторы, тем не менее, достаточно требовательны условиям своей эксплуатации. Опыт их применения в нашей стране показывает, что, несмотря на заявляемые производителями сроки службы своих изделий, при использовании АКБ в буферном режиме, реальная продолжительность их работы составляет всего 50-70% этого срока. Зачастую операторы связи, на чьих узлах устанавливаются ИБП, действуют по принципу "авось пронесет" и экономят на нормальной эксплуатации батарей. Мне не раз доводилось видеть на узлах связи очень известных операторов аккумуляторные буферы, задействованные в работе, в составе которых были батареи с лопнувшими корпусами в следствии терморазгона.
В качестве одной из самых важных рекомендаций по эксплуатации своих изделий производители АКБ указывают на поддержание постоянной температуры 20 град. в помещении, где установлены батареи. Хорошо известно правило, что увеличение температуры на 10 град. приводит к сокращению срока службы аккумулятора в два раза.
Другим требованием, выполнение, которого продлевает жизнь АКБ, является точное поддержание рекомендованного напряжения заряда и его корректировки в зависимости от температуры. Для герметизированных батарей, работающих в буферном режиме, особую опасность представляет повышенное напряжение постоянного подзаряда. Это приводит к избыточному газообразованию, частому срабатыванию клапанов для стравливания лишнего давления и, как следствие, ускоренному высыханию электролита. Пониженное напряжение подзаряда порождает другую проблему – постепенную сульфатацию электродов.
Как свидетельствует опыт эксплуатации АКБ в составе ИБП, в буферном режиме быстро проявляются производственные дефекты батарей. При нарушении состава материала электродов и их плохой отливки может происходить преждевременная деградация положительных пластин. Этот дефект довольно быстро приводит аккумулятор в нерабочее состояние.

 

Производители аккумуляторов и их продукция

Американская компания C&D Technologiesпроизводит аккумуляторы с 20-х годов прошлого столетия и по праву считается одной из самых авторитетных в этой области. В части герметизированных батарей сегодня она предлагает две линейки продуктов, созданных с использованием технологии AGM. Это линейка DYNASTY, представленная батареями с расчетным сроком службы 10 лет, напряжением 6 и 12 В с номинальной емкостью от от 28 до 208 Ач. Другая линейка батарей нового поколения msEndurII так же использует технологию AGM. Входящие в ее состав батареи имеют выходное напряжение 2 В и заявляемый срок службы 20 лет. Емкость этих батарей составляет от 345 до 2038 Ач.

Производство компании CSB Battery расположено на Тайване. Изначально эта компания выпускала необслуживаемые АКБ для ИБП АРС. Сейчас ее продукция расширилась и потеряла моновендорную ориентацию. Для работы в буферном режиме в составе ИБП предлагаются аккумуляторы нескольких серий из которых стоит популярные в России батареи линейки GP, ориентированные на срок службы от 3 до 5 лет и линейки GPL с заявляемым сроком службы более 10 лет. Обе серии имеет в своем составе батареи напряжением 6 и 12 В, ем5остью до 100 Ач. Так же следует упомянуть серии аккумуляторов MSJ, MSV и MU, которые включают батареи напряжением 2 В и емкостью от 150 до 1500 Ач. Они выполнены по технологии AGM и имеют заявляемый срок службы 15-20 лет.

Компания Delta поставляет свои аккумуляторы в Россию с 2003 г., производство которых осуществляется на партнерских заводах, расположенных в Китае. Для использования в составе ИБП компания рекомендует серию батарей Delta HR. Эти аккумуляторы относятся к группе AGM и специально разрабатывались для работы в источниках бесперебойного питания. Аккумуляторы выпускаются напряжением 6 и 12 Вольт в диапазоне емкости от 4,5 до 100 Ач.

Концерн EXIDE Technologies является одним из крупнейший в мире поставщик свинцово-кислотных аккумуляторов различного назначения. Сегодня EXIDE Technologies оценивает свою долю в общемировом производства свинцово-кислотных аккумуляторов более 30,5%. Концерн предлагает широкую номенклатуру аккумуляторов известных под торговыми марками Sonnenschein, Sprinter, Marathon, Absolyte, Tudor, Powerfit. Технологическое направление GEL представлено несколькими линейками торговой марки Sonnenschein. Аккумуляторы этих линеек отличаются конструктивным исполнением и рекомендованной областью применения. Большая часть АКБ Sonnenschein может использоваться в составе телекоммуникационных систем. Эти батареи выпускаются номинальной емкостью от 1,2 до 3500 Ач. Батареи других торговых марок изготавливаются с применением технологии AGM. Их емкость лежит в диапазоне от 1,2 до 6000 Ач и срок службы анонсируется от 5 до 20 лет. Значительное число аккумуляторов этих торговых марок так же рекомендуются изготовителем для применения в составе ИБП.

Компания FIAMM является одним из самых известных производителей АКБ и владеет 12 заводами, расположенными в Италии, Германии, Франции, Австрии, США, Бразилии и других странах. Основные исследовательские и производственные подразделения фирмы находятся в Италии. Для систем бесперебойного питания компания предлагает пять серий герметизированных аккумуляторов, изготавливаемых по технологии AGM, а так же серию гелиевых аккумуляторов с трубчатыми пластинами. Аккумуляторы серий FG, FGH, FGHL выпускаются на напряжение 6 и 12 В, емкостью до 200 Ач. Серия SP-ENERLITE представлена батареями емкостью от 26 до 200 Ач с напряжением 12В. Аккумуляторы серии FLB-HIGHLITE разработаны на срок службы 10-12 лет по классификации EUROBAT. Эти батареи имеют напряжение 12 В и емкость до 135 Ач. Гелиевая технология представлена серией SMG, входящие в нее аккумуляторы обладают емкостью от 200 до 3000 Ач при напряжении 2 В.

Компания Oerlikon Stationary Batteries предлагает на отечественном рынке три серии аккумуляторов, которые могут быть использованы в составе ИБП. Это линейка Rackline, включающая батареи напряжением 12 В и емкостью от 25 до 165 Ач. Аккумуляторы серии Blockline обладают выходным напряжением 2, 4, 6 и 12 В и емкостью от 39 до 467 Ач. При этом незыблемым остается правило — чем выше выходное напряжение, тем ниже емкость АКБ. При необходимости получения большой емкости аккумуляторного буфера ИБП следует обратить внимание на батареи серии Towerline, которые имеют выходное напряжение 2 В при диапазоне номинальной емкости от 552 до 2800 Ач.

В портфеле продуктов российской компании SSK, которая выпускает аккумуляторы совместно с бельгийской фирмой SSKgroup, присутствуют батареи, предназначенные для использования в составе ИБП. Это аккумуляторы серии GM, включающую модели с выходным напряжением 2 В и номинальной емкостью от 100 до 3000 Ач, и серии OPzV, чьи батареи так же имеют выходное напряжение 2 В и обладают емкостью от 200 до 3000 Ач. Серия GM выпускается по технологии AGM, а в батареях OPzV применяется технология GEL. Обе серии аккумуляторов разработаны на срок службы 15 лет.

Греческая компания Sunlight предлагает несколько линеек моделей аккумуляторов, разработанных для использования в составе ИБП. Батареи серии Sunlight SPa изготавливаются по технологии AGM с выходным напряжением 4, 6 и 12 В с номинальной емкостью до 26 Ач. Заявляемый срок их службы 5-7 лет. В аккумуляторах Sunlight SPb также используется технология AGM, но они обладают большим сроком службы, до 10 лет. Эти батареи выпускаются напряжением 6 и 12 В емкостью от 33 до 200 Ач. АКБ серии Sunlight STb отличаются фронтальным расположением клемм подключения и имеют заявляемый срок службы 10 лет. Они выпускаются по технологиям AGM и GEL, имеют выходное напряжение 12 В и емкость от 50 до 150 Ач. Аккумуляторы линейки Sunlight SVT так же изготавливаются с применением обеих технологий связывания электролита на выходное напряжение 2 В и номинальную емкость от 50 до 3850 Ач. Срок их службы составляет 12 лет.

К сожалению, формат Интернет-обзора не позволяет упомянуть всех производителей батарей, чья продукция предлагается на российском рынке. Поэтому мы ограничились представлением лишь тех вендоров, аккумуляторы которых, по нашему мнению, наиболее подходят для работы в составе ИБП.

Экспертное мнение

Павел Пономарев, системный инженер компании APC by Schneider Electric

Большинство современных ИБП любых производителей чаще всего используют свинцово-кислотные аккумуляторы VRLA. Такой выбор связан с их относительной дешевизной (в 4—5 раз дешевле литий-полимерных аккумуляторов), им не требуется специализированное обслуживание, и они не нуждаются в отдельной батарейной комнате, снабженной усиленной системой приточно-вытяжной вентиляции.
Однако у таких АКБ есть свои недостатки. В первую очередь это вес и габариты, которые особенно заметны при необходимости обеспечивать питание энергоемкой нагрузки в течение долгого времени. Например, для четырех часов автономной работы нагрузки 100 кВА потребуются батареи весом более 10 тонн и стоимостью несколько десятков тысяч долларов. Зарядка подобного массива встроенным в типичный ИБП зарядным устройством займет свыше 40 часов, что противоречит требованиям ПУЭ. В данном примере разумным станет установка дизель-генератора и относительно небольшого батарейного массива (на 10—15 минут) для поддержания электропитания на период его запуска.
Еще одним недостатком батарей является конечный срок их службы и высокие требования к условиям эксплуатации. К сожалению, на практике далеко не всегда эти условия оказываются идеальными, и с финансовой точки зрения для использования в ИБП лучше отдавать предпочтения батареям с пятилетним сроком службы, нежели со сроком службы 10 лет. Для снижения зависимости надежности электропитания от условий эксплуатации каждый ИБП компании APC имеет встроенную систему тестирования и контроля состояния батарей. Это позволяет своевременно узнавать об их состоянии и заменять в случае необходимости. Замена АКБ в однофазных ИБП осуществляется с помощью сменных батарейных комплектов RBC, а для трехфазных ИБП предусмотрены специальные батарейные картриджи. Такой подход позволяет обеспечить совместимость и минимизировать ошибки при монтаже. Основным правилом при замене аккумуляторов в любом ИБП любого производителя является установка точно таких же батарей, которые ранее там использовались. Это позволит безболезненно пережить замену батарей и обеспечит сохранение уровня надежности при эксплуатации системы бесперебойного питания.

 

 


Комментарии (0):

Добавить комментарий

 
Ваше имя:
Ваш комментарий:
Решите задачку (ответ напишите цифрами):
Три + Четыре =

 
 
 
Наверх