№ 5 (48) 2009

«Батарейки» для ИБП

Виктор ПАНЬКИВ

Так уж повелось, что ни одна мало-мальски серьезная система резервного электроснабжения на любом уважающем себя предприятии не может обойтись без источника бесперебойного питания (ИБП). В этой публикации мы и решили поговорить о том, без чего данное устройство превращается в просто изящное произведение искусства, — об аккумуляторных батареях.

Лирическое отступление

За двести лет, которые прошли со времени создания первого источника электричества, производящего электроэнергию за счет химической реакции между электролитом и электродами (на рис. 1. — старинная модель Вольтового столба), аккумуляторные батареи (АБ) прочно вошли в нашу жизнь в виде источников питания для автономных устройств и механизмов (батареи для мобильных телефонов, автомобильные аккумуляторы, пр.).

Современная индустрия производит аккумуляторные батареи в огромном ассортименте (рис. 2) и гигантских количествах для самых разных целей. При этом важно отличать именно аккумуляторы как вторичные источники тока (которые можно перезаряжать определенное количество раз за счет обратимости окислительновосстановительной реакции) от первичных источников тока, которые невозможно снова зарядить после разряда (классический пример — батарейки).

Далее внесем ясность в термины. Аккумуляторная батарея — это более точный синоним слова «аккумулятор», отображающий тот факт, что данное устройство состоит из нескольких составных частей, называемых аккумуляторными элементами. Элемент состоит из положительного (анода) и отрицательного (катода) электродов, разделенных слоем электролита. Иногда элемент называют банкой, и АБ может состоять из нескольких банок, помещенных в единый жесткий корпус (блочное исполнение). Некоторые конструкции аккумуляторов позволяют заменять банки, в случае выхода их из строя.

Литий-ионные, никель-кадмиевые, свинцово-кислотные — это названия, которые чаще всего на слуху у потребителей, ведь ключевую роль в производстве аккумуляторов играют вещества, используемые для производства электродов и электролита. Кроме того, есть еще и АБ, в которых используются довольно редкие и дорогие материалы. Но они, как правило, применяются в военной промышленности.

Именно природа этих веществ, при прочих равных условиях, задает основные свойства и параметры аккумуляторов, а также их стоимость. Ведь каждое вещество имеет определенный набор физических и химических свойств, позволяющий использовать его в АБ определенным способом.

Прежде всего, огромную роль в конструкции аккумулятора играет агрегатное состояние вещества. К примеру, в свинцово-оловянном элементе в качестве электродов используются олово и свинец, а в качестве электролита — водный раствор серной кислоты, т.е. электроды помещены в жидкость. А вот в никель-кадмиевом элементе и электроды, и электролит находятся в твердом состоянии: в такой АБ не нужно заботиться об утечке электролита.

Огромное значение имеют химические и электрохимические свойства, а также стоимость материалов. К примеру, серебряный порошок, употребляемый для серебряно-цинковых и серебряно-кадмиевых АБ, делает их «золотыми», а такие материалы, как кадмий или ртуть (для ртутно-кадмиевых и многих других АБ), очень токсичны.

Различные вещества, при одинаковом объеме и эффективной площади поверхности соприкосновения электродов и электролита, способны накапливать и отдавать различное количество электричества. Иными словами, аккумуляторные батареи, построенные из различных элементов, будут иметь различную емкость, измеряемую в Ампер-часах (А•ч). Фактически данная величина — не что иное, как величина электрического заряда, который способна отдать батарея. Но на практике используют именно первую характеристику, как более удобную.

Емкость батареи со временем снижается и зависит от условий ее эксплуатации (температуры, режима разряда). Кроме того, при различной силе тока разряда одна и та же батарея сможет отдать различное количество электричества (максимальное — при малых токах разряда).

Важными характеристиками также являются начальное и конечное напряжения между электродами. Первая величина — это напряжение между клеммами аккумулятора при полной зарядке, а вторая — напряжение, ниже которого он считается разряженным. Эффективность работы АБ определяется отдачей по емкости — отношением отдаваемого при разряде электричества к требуемому для заряда. Для большинства АБ значение этого параметра — от 50% для щелочных и до 65% для кислотных.

Таким образом, параметры аккумуляторов варьируются в широких границах и могут по-разному зависеть от условий эксплуатации. Как показала практика, идеальных АБ не бывает. Бывают лишь разновидности, лучше других пригодные к тем или иным условиям.

По своим характеристикам наиболее приемлемыми для использования в ИБП оказались свинцово-кислотные аккумуляторные батареи ¹⁾, о которых далее и пойдет речь. Нужно сказать, что в некоторых случаях для ИБП используют также никель-кадмиевые батареи. Как правило, это делается в случае жестких температурных условий эксплуатации, поскольку данный тип батарей менее чувствителен к низким температурам. Также никель-кадмиевые батареи выдерживают более глубокие разряды. Но существенным недостатком становится их стоимость, потому и применяются в ИБП эти батареи довольно редко.

___________________________________________

¹⁾  В некоторых случаях для ИБП используют

     также никель-кадмиевые батареи.

И что в них особенного?

Начнем с того, что применение аккумуляторных батарей в ИБП имеет некоторые особенности, что влечет за собой определенные требования к АБ. Каких-то специальных аккумуляторов, только «для ИБП», не существует, просто определенный класс батарей оказался наиболее пригодным для решения данной задачи, но может быть использован и в других сферах.

Как известно, ИБП подразделяются на два типа — промышленные и коммерческие. В этой публикации мы лишь вскользь коснемся первых, а в основном будем говорить об АБ для вторых.

Поскольку для любой коммерческой организации желательно иметь устройство с наиболее длительным сроком эксплуатации и высоким уровнем безопасности, то к аккумуляторам, применяемым в ИБП, выдвигается требование выдерживать большое количество циклов заряда-разряда (как правило, несколько сотен), а также иметь длительный срок работы и приемлемый уровень безопасности использования (что предусматривает минимум вмешательства в работу АБ).

Свинцово-кислотные аккумуляторы вполне удовлетворяют всем этим требованиям. Кроме того, они не подвержены такому негативному явлению, как эффект памяти (уменьшение емкости аккумулятора после заряда до неполной емкости, вследствие определенных физико-химических процессов), а также имеют низкий саморазряд. Правда, не лишены они и недостатков, к которым можно отнести самую низкую удельную емкость (емкость батареи, отнесенная к ее массе, либо к объему АБ) среди аналогичных устройств.

Важным параметром является и их сравнительно невысокая цена, что имеет значение, ведь замена батарей в ИБП обходится в сумму около 30% стоимости самого устройства.

Конечно же, читатель сразу скажет, что свинцово-кислотные батареи можно встретить в каждом автомобиле. Но на самом деле автомобильные аккумуляторы отличаются от предназначенных для ИБП как по вольт-амперным характеристикам, так и по конструкции.

_______________________________________________________

Большинство аккумуляторов для ИБП относятся к классу

герметизированных необслуживаемых батарей.

_______________________________________________________

Все дело в том, что аккумуляторы для автомобиля относятся к так называемому классу малообслуживаемых (в которых можно контролировать состояние электролитов — сливать старый, заливать новый и т.п.), а большинство аккумуляторов для коммерческих ИБП принадлежат к классу герметизированных необслуживаемых батарей, в которых электролит находится в связанном состоянии. При этом нужно отметить, что малообслуживаемые АБ используются в ИБП промышленного класса.

Уже то, что аккумуляторы необслуживаемы, серьезно упрощает жизнь пользователей.

Необслуживаемые батареи производители относят к классу VRLA — Valve Regulated Lead Acid, что в переводе с мировой лингва франка звучит как «клапанно регулируемые свинцово-кислотные батареи».

Что же это за батареи, и зачем там клапан? Все дело, опять-таки, в химии. Особенностью реакции, которая происходит между водным раствором серной кислоты и свинцом (а именно эти материалы используются для электродов), является выделение газообразных водорода и кислорода, которые могут накапливаться в корпусе АБ, вызывая ухудшение ее функциональных свойств (в автомобильных аккумуляторах это может привести даже к взрыву).

Поэтому в упомянутых аккумуляторах корпус выполняют из особого сорта ударопрочного пластика — ABS (акрил-бутадиен-стирол), который выдерживает вибрации и высокие температуры. Кроме того, батарею герметизируют путем термической спайки крышки с корпусом, а также выполняют уплотнение на клеммах. При этом в каждой секции (элементе) организуют клапан, который при избыточном давлении газов выбрасывает их в атмосферу.

В нормальных условиях эксплуатации более 97% выделившихся газов в таких АБ рекомбинируют с образованием воды. Т.е. их количество настолько мало, что подобный тип батарей можно эксплуатировать без систем принудительной вентиляции.

На количество рекомбинируемых газов также влияют форма и состав электродов, которые могут быть плоскими полированными пластинами, иметь решетчатое покрытие (как раз для рекомбинации) или же выполнятся в виде трубчатых либо стержневых пластин. В качестве добавок к свинцу используют кальций и сурьму. Зачастую доля этих веществ — всего несколько процентов, но они существенно снижают количество выделяемых на электродах газов. Как правило, состав и производство сплава — запатентованная производителем технология.

Чтобы электролит не вытекал…

Но вернемся к электролиту. На данный момент для использования в ИБП получили распространение две разновидности VRLA-батарей — так называемые GEL и AGM. В каждой из них электролит делают невытекаемым двумя различными способами.

Рассмотрим первый способ. Название GEL говорит само за себя. Здесь электролит (а это, как правило, пирогенизированная кремниевая кислота, разведенная серной) при помощи специальных присадок доводится до гелеобразного состояния. Для этого, еще в жидком виде, электролит в заводских условиях разливается в корпуса, где в течение нескольких суток застывает. В нем образуются микропоры, необходимые для рекомбинации газов. Структура материала (а также уровень электролита) хорошо видна, если АБ выполнена в прозрачном корпусе (рис. 3). А для малообслуживаемого аккумулятора прозрачный корпус — еще более удобное решение.

Нужно отметить, что гелевые батареи были созданы прежде всего для военных нужд, ведь они в состоянии выдержать значительные перегрузки (незаменимое качество в авиации), а также вырабатывать ток даже при частичном повреждении корпуса при попадании осколков, пуль.

Аббревиатура AGM (Absorption Glass Matt) буквально означает абсорбирующий стеклянный наполнитель. В данном типе аккумуляторов положительный и отрицательный электроды разделены стекловолоконным наполнителем (наподобие стекловаты), которая играет роль сорбента раствора серной кислоты. В стекловате электролит удерживается при помощи капиллярных свойств жидкости. Это, пожалуй, единственное конструктивное отличие аккумуляторных батарей AGM и GEL.

Общей чертой данных типов батарей также является предрасположенность указанных АБ к сульфатации (образованию наслоений сульфата свинца на электродах), возникающей вследствие длительного хранения аккумулятора в разряженном состоянии. Это явление приводит к уменьшению емкости, а также изменению размеров электродов. Поэтому большинство производителей предусматривают свободное пространство в корпусе для увеличенных сульфатацией пластин, чтобы они не повредили корпус. Также рекомендуется периодически разряжать и заряжать АБ.

Обе разновидности имеют свои преимущества и недостатки. Так, гелевые батареи очень чувствительны к токам заряда, и вообще отличаются большей требовательностью к условиям эксплуатации. Кроме того, они имеют более низкий коэффициент рекомбинации газов, из-за чего возможно образование пузырей, заполненных кислородом и водородом. Такие полости рассасываются очень медленно, вследствие существенной вязкости геля, а это чревато серьезными последствиями, самое безопасное из которых — снижение емкости. Также гель обладает низкой теплопроводностью, что при увеличении тока заряда приводит к резкому повышению температуры батареи и к ее разрушению.

А вот AGM не имеет таких недостатков, поскольку ионы электролита не лишены подвижности (как в геле). Такие батареи боятся лишь перезаряда. В то же время они менее чувствительны к перепадам температур, более виброустойчивы и, что немаловажно, дешевле гелевых. Но зачастую для потребителя решающим становится одно преимущество — гелевые АБ выдерживают большее число циклов заряда-разряда.

Время работы АБ зависит от формы, а главное — массы (количества вещества) пластин и электролита. Чем масса больше, тем дольше прослужит аккумулятор. Согласно классификации Eurobat (организации, объединяющей производителей АБ) по срокам службы батареи разделяют на коммерческие (Standard Commercial), рассчитанные на 3–5 лет, общего применения (General Purpose — 6–7 лет), высокого уровня (High Performance — до 12 лет) и так называемые Long Life 12 Years+, или High Integrity/Long life.

Ищем подходящий размер

Герметичные необслуживаемые аккумуляторные батареи производит огромное количество компаний по всему миру. При этом можно выделить несколько крупных производителей. Прежде всего, это CSB Battery, С&D Technologies, Systems Sunlight, концерн Delta. Отечественные компании-дистрибьюторы в основном представляют АБ сразу нескольких торговых марок, как, например, компания «Выбор» (CSB, Leoch, BAE, Top Power, GFS) или НПП «Галс-С» (CSB, Leoch, Acumax, Europower, Yuasa). В этом случае они имеют в своем распоряжении несколько линеек батарей, как AGM, так и GEL, различной емкости, срока службы и размеров — параметра, который имеет особое значение.

Нередко производители ИБП имеют собственные мощности для выпуска аккумуляторных батарей (естественно, для своей продукции). Примером может служить производитель ИБП и аккумуляторов для них компания Luxeon. Но иногда производители АБ заключают договора с производителями ИБП, выпуская аккумуляторы для конкретных линеек источников питания. Так было, например, в начале деятельности компании CSB Battery, которая выпускала аккумуляторы для ИБП АРС. Такая схема сотрудничества дает производителю АБ некоторое преимущество. Дело в том, что если вольтаж батарей всегда один и тот же (2, 4, 6 или 12 В), то размеры в отсеке корпуса ИБП зачастую нестандартны. И если нужно заменить лишь одну батарею, то придется покупать АБ того же производителя. Иногда при одинаковом напряжении варьируется емкость, а следовательно, и размеры аккумуляторной батареи (рис. 4).

Но это не значит, что потребитель ограничен в выборе, ведь кроме батарей, размещенных внутри корпуса и обеспечивающих некоторый минимум времени автономной работы устройства, дополнительные батареи можно расположить вне корпуса в стойках. Некоторые производители сразу предлагают такие блоки внешних батарей: например, msEndur, производства C&D Technologies, поставляются компанией «Аллюр-макс». Но можно и самостоятельно укомплектовать такой блок батарей.

Если по каким-либо причинам вы решили самостоятельно подобрать внешние батареи для ИБП, необходимо знать принципы формирования блоков АБ. Во-первых, все аккумуляторные батареи должны быть одного производителя, одной партии, а также иметь одинаковые характеристики (емкость, напряжение). Во-вторых, нужно знать промежуточное напряжение буфера. Третий немаловажный момент — подсчет тока, создаваемого блоком АБ. Он должен соответствовать току, который потребляет инвертор ИБП. Для этого батареи в блоке подключаются различным способом (параллельно и последовательно). При параллельном соединении суммируется емкость (ток), а при последовательном — напряжение.

Для расчета необходимого тока нужно также знать КПД и мощность ИБП. Реальная мощность ИБП, разделенная на промежуточное напряжение, даст ток, который потребляет инвертор, и позволит оценить время резервирования. Продукция каждого производителя, как правило, разбивается на линейки, в основу которых положен срок службы. Например, линейки SPA и SPB греческого производителя Systems Sunlight (представляемого в Украине подразделением «Санлайт Украина С.Р.Л.») относятся к классу Standart Commercial и High Performance соответственно.

Также различные линейки АБ могут отличаться по конструкциям электродов или разновидности (малообслуживаемые, герметичные). Примером могут служить линейки OPz-(S, V), (положительный электрод — трубчатая пластина) производства Hawker (их в Украине представляет компания «Селком»). Аккумуляторы с трубчатыми пластинами отличаются своей вытянутой вверх формой, что можно видеть на рис. 5. Первая линейка относится к стационарным, малообслуживаемым АБ, а вторая — к герметичным.

В целом же, аккумуляторы, используемые в ИБП, можно применять в различных системах сигнализации, накопления энергии солнечных батарей и.т.д.

Остается лишь сказать, что благодаря такому разнообразию никто без электроэнергии не останется. Были бы, как говорится, деньги.

Виктор  ПАНЬКИв,

victor@sib.com.ua 

СиБ

№ 5 (ноябрь) 2009