Хранилища энергии внутри ИБП

Анатомия аккумулятора

Человечество знакомо с природным электричеством всю свою историю, но лишь чуть более двух веков назад появился рукотворный элемент электропитания: в марте 1800 года итальянский физик Алессандро Вольта создал первую батарейку, получившую название «вольтов столб». Это изобретение стало толчком к изучению и дальнейшему практическому использованию электричества.

Первый свинцово-кислотный аккумулятор был разработан французским физиком Гастоном Планте в 1859 году. Такие источники питания сразу же получили широкое распространение. Любопытный факт: электромобиль на аккумуляторах появился на четыре года раньше своего бензинового собрата, в 1881 году. Кстати, именно на электромобиле в конце XIX века был впервые преодолен рубеж скорости 100 км/ч.

В современной телекоммуникационной отрасли аккумуляторные батареи (АКБ) играют огромную роль в функционировании всех известных систем, начиная от сотовых телефонов и заканчивая узлами связи. Отметим, с момента появления первого аккумулятора его принципиальная конструкция практически не изменилась. 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. Электроэнергия накапливается в аккумуляторе за счет химической реакции восстановления электродов при зарядке от внешнего источника. При разряде аккумулятора происходят обратные процессы. К достоинствам свинцово-кислотного аккумулятора относят его экономичность и способность обеспечивать стабильное напряжение при изменении тока нагрузки и температуры окружающей среды.

За полтора столетия применения АКБ усилия изобретателей были направлены на совершенствование конструкции и химического состава электродов, а также на облегчение обслуживания батарей. С 1970 года выпускаются малообслуживаемые АКБ, контролировать состояние электролитов в которых можно раз в два-три года, и герметизированные батареи, относящиеся к необслуживаемым устройствам. Эти аккумуляторы упростили жизнь техническому персоналу узлов связи и повысили надежность работы систем электропитания.

В современных ИБП применяются батареи типа VRLA (Valve Regulated Lead Acid). Эта аббревиатура обозначает конструктивное исполнение аккумуляторов и переводится как «клапанно-регулируемые свинцово-кислотные батареи». Еще их часто называют «герметизированными необслуживаемыми батареями», поскольку в них практически отсутствует выделение газов (водорода и кислорода), сопровождающих работу свинцово-кислотного аккумулятора. Благодаря особенностям конструкции, составу электролитов, материалам электродов и сепараторов молекулы газов вновь превращаются в молекулы воды и возвращаются в состав электролита. При нормальных условиях уровень рекомбинации газов превышает 97-99%. Оставшаяся их часть скапливается внутри корпуса и при превышении определенного уровня давления выпускается через клапаны в атмосферу. По сравнению с классическими АКБ этот уровень выброса настолько мал, что позволяет эксплуатировать герметизированные батареи без систем принудительной вентиляции.

Особенность батарей VRLA - пребывание электролита в связанном состоянии. Наибольшее распространение получили два варианта его достижения. В батареях, соответствующих технологии AGM (Absorbed Glass Material), для изготовления сепараторов применяется стекловолоконный пористый материал, который пропитывается электролитом. В технологии GEL используют гелеобразный электролит, получаемый путем добавления силиконового наполнителя.

Оба варианта связывания электролита имеют свои «плюсы» и «минусы». Батареи AGM обеспечивают лучшую рекомбинацию газов, выравнивание температурных неоднородностей внутри корпуса и хорошие динамические характеристики процессов зарядки-разрядки. Гелевые АКБ отличаются меньшей эффективностью рекомбинации и требовательностью к условиям эксплуатации. Большая плотность электролита по сравнению с AGM приводит к снижению динамических характеристик работы и порождает серьезные требования к качеству зарядного устройства. Гелевым аккумуляторам в большей степени свойствен эффект терморазгона: при превышении тока зарядки температура батареи начинает резко повышаться, что приводит к ее разрушению. Этот эффект связывают с малой теплопроводностью гелевого электролита. Однако аккумуляторы GEL лучше переносят режим глубокой разрядки и имеют многократно больший ресурс циклов зарядки-разрядки.

Герметизированные АКБ различаются конструктивными вариантами изготовления электродов. Чаще всего они выполняются в виде 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 применяют трубчатые, с большей поверхностью. Корпус герметизированного аккумулятора обычно изготавливают из ударопрочного термостойкого пластика, который не поддерживает горение.

Ассоциация Eurobat, объединяющая ведущих европейских производителей аккумуляторных батарей, предложила классификацию АКБ, которая основана, в первую очередь, на ожидаемой продолжительности их службы. В категорию высокой целостности (High Integrity) входят аккумуляторы, которые способны работать более 10 лет и предназначены для использования на объектах, требующих поддержания наивысшего уровня безопасности. К таким объектам относят телекоммуникационные центры, атомные электростанции, нефтеперекачивающие комплексы и т.п. Аккумуляторы из категории высокой производительности (High Performance) должны действовать не менее 10 лет, а требования к их характеристикам и надежности - чуть ниже. От пяти до восьми лет работают АКБ общего назначения (General Purpose), от трех до пяти лет - стандартные коммерческие изделия (Standart Commercial). Батареи последней категории чаще всего применяют в небольших ИБП.

Долговечность работы аккумуляторов оценивается числом возможных циклов зарядки-разрядки, зависит от конструктивного исполнения, условий ввода в эксплуатацию и самой эксплуатации. Основными рабочими характеристиками аккумуляторных батарей являются напряжение на клеммах и номинальная емкость зарядки, измеряемая в ампер-часах (Ач). Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы характеризуются достаточно высокими удельными энергетическими характеристиками в расчете на единицу веса или объема (до 40 Втч/кг и 100 Втч/л).

Аккумуляторный буфер ИБП

Одним из важнейших элементов ИБП является буфер аккумуляторных батарей. В зависимости от схемы источника к этому элементу предъявляются разные требования. В телекоммуникациях наибольшее распространение получили онлайновые ИБП, которые создаются по принципу двойного преобразования. В них первичное напряжение, поступающее от внешней сети электроснабжения, выпрямляется и понижается до напряжения, необходимого для подзарядки аккумуляторных батарей. Затем постоянное напряжение поступает на инвертор, который вновь формирует синусоиду напряжения, но уже с эталонными характеристиками.

В схеме оn-line-преобразования между выпрямителем и инвертором всегда располагается аккумуляторный буфер, который не только служит источником питания при полном пропадании входного напряжения, но и позволяет компенсировать временные провалы питающего тока. Для ИБП двойного преобразования необходимы аккумуляторы, которые могут выдерживать частые и глубокие циклы зарядки-разрядки. Герметизированные АКБ, особенно выполненные по технологии AGM, плохо переносят глубокую разрядку. В них начинается необратимый процесс сульфатации пластин электродов, заметно снижающий ресурс работы батареи. Поэтому для нивелирования глубины разрядки в составе аккумуляторного буфера рекомендуется использовать батареи с емкостью, заметно превышающей расчетную.

Другой проблемой аккумуляторного буфера в ИБП может стать разбалансировка напряжений на его отдельных элементах. Тогда начинается процесс взаимной перезарядки батарей, что приводит к полному выходу буфера из строя. Опасность этой проблемы связана с тем, что работа буфера очень долго не претерпевает видимых изменений - напряжение на его клеммах остается постоянным. Однако при пропадании первичного питания реальной емкости аккумуляторов может просто не хватить для питания нагрузки в течение заданного времени.

Несмотря на статус необслуживаемой батареи, герметизированные аккумуляторы достаточно требовательны к условиям эксплуатации. Опыт их применения в нашей стране показывает, что при использовании АКБ в буферном режиме реальная продолжительность их работы составляет всего 50-70% заявленного срока службы. Зачастую операторы связи, на чьих узлах устанавливаются ИБП, действуют по принципу «авось пронесет» и экономят на нормальной эксплуатации батарей. На узлах связи нередко можно увидеть аккумуляторные буферы, в состав которых входят батареи с лопнувшими вследствие терморазгона корпусами.

Одной из самых важных рекомендаций по эксплуатации своих изделий производители АКБ считают поддержание постоянной температуры 20 °С в помещении, где установлены батареи. Хорошо известно, что увеличение температуры на 10 °С приводит к сокращению срока службы аккумулятора в два раза.

Другое требование, выполнение которого продлевает жизнь АКБ, - точное поддержание рекомендованного напряжения зарядки и его корректировка 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, к ускоренному высыханию электролита. Пониженное напряжение подзаряда порождает другую проблему - постепенную сульфатацию электродов.

Как свидетельствует опыт эксплуатации АКБ в составе ИБП, в буферном режиме быстрее всего проявляются производственные дефекты батарей. При нарушении состава материала электродов и их плохой отливке могут преждевременно деградировать положительно заряжаемые пластины, что довольно быстро приводит аккумулятор в нерабочее состояние.

Производители аккумуляторов и их продукция

Американская компания C&D Technologies производит аккумуляторы с 20-х годов прошлого столетия и по праву считается одной из самых авторитетных в этой области. Она предлагает две линейки герметизированных батарей, созданных с использованием технологии AGM. Линейка Dynasty представлена батареями с расчетным сроком службы 10 лет, напряжением 6 и 12 В, номинальной емкостью 28-208 Ач. Линейка батарей нового поколения msEndurII также основана на AGM. Входящие в ее состав батареи имеют выходное напряжение 2 В и срок службы 20 лет. Емкость этих батарей составляет 345-2038 Ач.

Производство компании CSB Battery расположено на Тайване. Изначально фирма выпускала необслуживаемые АКБ для ИБП марки АРС, но потом спектр ее продукции расширился и потерял моновендорную ориентацию. Для работы в буферном режиме в составе ИБП предлагаются аккумуляторы нескольких серий. Из них стоит отметить популярные в России батареи линейки GP со сроком службы 3-5 лет и линейки GPL со сроком работы более 10 лет. Обе серии имеют в своем составе батареи напряжением 6 и 12 В емкостью до 100 Ач. Кроме того, следует упомянуть серии аккумуляторов MSJ, MSV и MU, которые включают в себя батареи напряжением 2 В и емкостью 150-1500 Ач. Они выполнены по технологии AGM и характеризуются декларируемым сроком эксплуатации 15-20 лет.

Компания Delta поставляет свои аккумуляторы в Россию с 2003 года. Производство налажено на партнерских заводах в Китае. Для использования в составе ИБП рекомендованы батареи серии Delta HR. Эти аккумуляторы относятся к группе AGM и специально разрабатывались для работы в источниках бесперебойного питания. Они обеспечивают напряжение 6 и 12 В, а диапазон емкости составляет 4,5-100 Ач.

Концерн Enersys предлагает для использования в составе ИБП несколько серий своих батарей, выполненных по технологии AGM. Серия PowerSafe HR была разработана специально для буферов ИБП; эти модели АКБ имеют номинальную емкость в диапазоне от 40 до 105 Ач и расчетный срок службы 10 лет. В линейках аккумуляторов Genesis EP, PowerSafe SBS и SBS EON для изготовления электродов применяется чистый свинец без легирования сурьмой или кальцием, что позволяет улучшить параметры батарей и увеличить срок их эксплуатации.

Серия Genesis EP представлена АКБ номинальной емкостью до 71 Ач. Аккумуляторы PowerSafe SBS характеризуются большим диапазоном емкости, от 7 до 360 Ач. Серия PowerSafe SBS EON имеет аналогичные характеристики, но по числу допустимых циклов заряда-разряда ее аккумуляторы приближаются к батареям, выполненным на основе гелевой технологии. Серия DataSafe HX создана специально для буферов ИБП, используемых для питания компьютерного и телекоммуникационного оборудования. Аккумуляторы этой серии имеют номинальную емкость от 4,5 до 200 Ач, а декларируемый срок их службы равен 10 годам.

Концерн EXIDE Technologies является одним из крупнейших в мире поставщиков свинцово-кислотных аккумуляторов разного назначения. Сегодня он оценивает свою долю в общемировом производстве свинцово-кислотных аккумуляторов более чем в 30%. Концерн предлагает широкую номенклатуру аккумуляторов, известных под торговыми марками Sonnenschein, Sprinter, Marathon, Absolyte, Tudor, Powerfit. Технологическое направление GEL представлено несколькими линейками торговой марки Sonnenschein. Изделия из этих линеек различаются конструктивным исполнением и рекомендованными областями применения. Большую часть АКБ Sonnenschein можно использовать в составе телекоммуникационных систем. Номинальная емкость этих батарей - от 1,2 до 3500 Ач.

Батареи других торговых марок изготавливают с применением технологии AGM. Их емкость варьируется от 1,2 до 6000 Ач, а анонсируемый срок службы составляет 5-20 лет. Значительное число аккумуляторов этих торговых марок рекомендуется устанавливать в ИБП.

FIAMM, один из самых известных производителей АКБ, владеет 12 заводами в Италии, Германии, Франции, Австрии, США, Бразилии и других странах. Основные исследовательские и производственные подразделения находятся в Италии. Для систем бесперебойного питания компания предлагает пять серий герметизированных аккумуляторов, изготавливаемых по технологии AGM, а также серию гелевых аккумуляторов с трубчатыми пластинами. Аккумуляторы серий FG, FGH, FGHL выпускаются для напряжения 6 и 12 В, емкость составляет до 200 Ач. Серия SP-Enerlite представлена батареями емкостью 26-200 Ач с напряжением 12 В. Аккумуляторы серии FLB-Highlite ориентированы на срок службы 10-12 лет по классификации EUROBAT, имеют напряжение 12 В и емкость до 135 Ач. Гелевая технология представлена серией SMG; входящие в нее аккумуляторы имеют емкость 200-3000 Ач и напряжение 2 В.

Компания Oerlikon Stationary Batteries предлагает на российском рынке три серии аккумуляторов, которые могут быть включены в состав ИБП. Это линейка Rackline (батареи напряжением 12 В и емкостью 25-165 Ач), серия Blockline (выходное напряжение 2, 4, 6 и 12 В, емкость 39-467 Ач) и серия Towerline (выходное напряжение 2 В, диапазон номинальной емкости 552-2800 Ач). При этом незыблемым остается правило: чем выше выходное напряжение, тем ниже емкость АКБ. Продукты Towerline рекомендуется использовать, если необходимо получать большую емкость аккумуляторного буфера ИБП.

В портфеле продуктов российской компании SSK, которая выпускает аккумуляторы совместно с бельгийской SSKgroup, также имеются батареи для использования в составе ИБП. Это аккумуляторы из серии GM, в том числе модели с выходным напряжением 2 В и номинальной емкостью 100-3000 Ач, и из серии OpzV, которые тоже дают на выходе напряжение 2 В и имеют емкость 200-3000 Ач. Продукты серии GM выпускаются по технологии AGM, а в батареях OPzV применяется технология GEL. Обе серии аккумуляторов рассчитаны на срок службы 15 лет.

Греческий производитель Sunlight предлагает несколько линеек аккумуляторов, разработанных для использования в составе ИБП. Батареи серии Sunlight SPa изготавливаются по технологии AGM с выходным напряжением 4, 6 и 12 В и номинальной емкостью до 26 Ач. Заявляемый срок их службы 5-7 лет. В аккумуляторах Sunlight SPb используется та же технология, но они имеют больший срок службы, до 10 лет. Эти батареи выпускаются напряжением 6 и 12 В, емкостью 33-200 Ач.

АКБ серии Sunlight STb отличаются фронтальным расположением клемм подключения и имеют срок службы 10 лет. В них реализованы технологии как AGM, так и GEL; выходное напряжение составляет 12 В, а емкость - от 50 до 150 Ач. Аккумуляторы линейки Sunlight SVT изготавливают с применением обеих технологий связывания электролита, они рассчитаны на выходное напряжение 2 В и номинальную емкость 50-3850 Ач. Срок их службы - 12 лет.

Конечно, в журнальной статье невозможно упомянуть всех производителей, чья продукция представлена на российском рынке. Поэтому нам пришлось ограничиться перечислением лишь тех компаний, батареи которых больше всего подходят для работы в составе ИБП.

Как правильно подобрать аккумулятор для ИБП?

В большинстве современных ИБП используются свинцово-кислотные аккумуляторы VRLA. Такой выбор связан с несколькими причинами: они относительно дешевы (в 4-5 раз дешевле литий-полимерных аккумуляторов), не нуждаются в отдельной батарейной комнате с усиленной системой приточно-вытяжной вентиляции, а потребность в их специализированном обслуживании отсутствует.

Однако у таких АКБ тоже есть недостатки. В первую очередь, это вес и габариты. Например, для 4 ч автономной работы нагрузки 100 кВА нужны батареи весом более 10 т и стоимостью несколько десятков тысяч долларов. Зарядка такого массива встроенным модулем займет свыше 40 ч, что противоречит требованиям эксплуатации. В данном случае разумным для заказчика решением станет установка дизель-генератора и относительно небольшого батарейного массива (на 10-15 мин) для обеспечения электропитания на период его запуска.

Другими недостатками батарей являются конечный срок их службы и жесткие требования к условиям эксплуатации. На практике далеко не всегда эти условия идеальны, и с финансовой точки зрения для использования в составе ИБП лучше отдавать предпочтение батареям с пятилетним сроком службы, нежели батареям со сроком службы 10 лет.

Для уменьшения зависимости надежности электропитания от условий эксплуатации каждый ИБП компании APC имеет встроенную систему контроля над состоянием батарей. 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.

Основное правило при замене аккумуляторов в любом ИБП - установка точно таких же батарей, которые там находились ранее. Его выполнение дает возможность безболезненно заменять батареи и сохранять требуемый уровень надежности систем бесперебойного питания.

Вначале нужно четко определиться с условиями работы аккумулятора: каковы мощность нагрузки и время резервирования, окружающая температура и режим работы питающей сети, периодичность и продолжительность отключений. Мощность нагрузки и время резервирования - основные параметры, определяющие емкость батареи, ее массо-габаритные показатели и стоимость.

Если речь идет о сложном профиле нагрузки, методики расчета необходимой емкости достаточно трудоемки. Дабы облегчить жизнь проектировщикам, некоторые производители предлагают ПО для подбора аккумуляторов под заданные параметры нагрузки. Например, Enersys создал для клиентов персональный Web-терминал, обеспечивающий быстрый подбор модели аккумуляторной батареи в соответствии с областью применения, графиком нагрузки, параметрами эксплуатации. Пользуясь этой программой, заказчик может быстро оценить варианты решения, что незаменимо при составлении смет.

Окружающая температура и параметры питающего напряжения определяют долговечность аккумулятора. Зачастую охлаждению аккумуляторного отсека не уделяется должного внимания, и батареи не отрабатывают заявленного производителем срока службы. Иногда советуют применять менее долговечные аккумуляторы и чаще менять их, но забывают, что ресурс теряют любые аккумуляторы, а затраты на поддержание работоспособности системы в таких случаях значительно возрастают. Кроме того, менее надежные блоки повышают вероятность отказа всей системы питания. Мы рекомендуем установить хотя бы простейшую систему охлаждения или применять аккумуляторы, устойчивые к повышению температуры.

Если питание отключается часто, необходимы АКБ, обеспечивающие большое количество циклов разрядки-зарядки. Но, наверное, основное условие правильного выбора аккумулятора - консультация с изготовителем. Никто лучше него не знает, где и как можно использовать его продукцию.