Jak wybrać akumulator do UPS

Jeśli chodzi o wybór akumulatora do zasilacza awaryjnego, potrzebne jest kreatywne podejście. Oczywiście zawsze można kupić akumulator o podobnych parametrach do tego, który został już zamontowany (o napięciu roboczym, pojemności i wymiarach). Taki krok jest uzasadniony, gdy stary akumulator był całkowicie się sprawdzał, jednak uległ zużyciu i wymaga wymiany. Znacznie częściej zachodzi potrzeba zwiększenia pojemności zespołu, aby wydłużyć czas pracy na baterii sprzętu zasilanego z zasilacza awaryjnego. Rzadziej zdarzają się sytuacje związane z koniecznością doboru akumulatora o mniejszej pojemności, aby miał czas na naładowanie zgodnie z harmonogramem przerw w dostawie prądu.

Większy akumulator do UPS znacznie wydłuża czas pracy podłączonego obciążenia. Ale tutaj ważne jest, aby wziąć pod uwagę wartość prądu ładowania (jest to omówione poniżej w odpowiedniej części). Krótko mówiąc, zasilacz o małej mocy z pojemnym akumulatorem po prostu nie będzie w stanie zapewnić prawidłowego prądu ładowania, a ładowanie akumulatora będzie trwało zbyt długo. Ładowanie prądem o niskim natężeniu jest najłagodniejsze dla akumulatora i wydłuża jego żywotność, jednak przy regularnych przerwach w dostawie prądu użytkownik będzie miał problem z ciągłym niedoładowaniem akumulatora. Ponadto wymiary akumulatora o zwiększonej pojemności będą z pewnością większe niż akumulatora „natywnego” - akumulator nie zmieści się w obudowie zasilacza.

Jeśli chodzi o wybór mniejszego akumulatora niż pierwotnie zakładano, nie zaleca się nadmiernego zmniejszania poboru prądu – o połowę mniejszy akumulator może się przegrzać na skutek nieprawidłowego obciążenia. Wskazane jest dobieranie akumulatora o pojemności o około 20 - 30% mniejszej niż oryginalna, nic więcej.

Zasada działania wszystkich akumulatorów do UPS jest taka sama - gromadzą ładunek elektryczny i oddają go w przypadku przerw w dostawie prądu z sieci. Różnice polegają na cechach konstrukcyjnych budowy akumulatorów. Obecnie na rynku dostępnych jest kilka popularnych technologii akumulatorów. Przyjrzyjmy się ich cechom, aby ułatwić wybór wymaganego rozwiązania pod względem technicznym i pod względem finansowym.

Technologia

Żelowe (GEL)

Podgatunek klasycznych akumulatorów kwasowo-ołowiowych, które są znane wielu osobom z dziedziny akumulatorów samochodowych. W akumulatorach żelowych zastosowano elektrolit w postaci żelu. Spośród ołowiowych odpowiedników akumulatory żelowe najlepiej przystosowane są do cyklicznego charakteru pracy, a ponadto bez problemu wytrzymują głębokie rozładowanie. Akumulatory żelowe mogą pozostawać nienaładowane przez długi czas, nie tracąc przy tym swoich pierwotnych właściwości.

Akumulatory żelowe napełniane są elektrolitem w stanie żelowym.

W zasilaczach akumulatory żelowe stosowane są sporadycznie. Wynika to z faktu, że są one dostosowane do schematu pracy, gdy akumulator musi przez długi czas zasilać urządzenie rozładowując się prawie do zera, a następnie ładować się i ponownie zapewniać długoterminowe autonomiczne zasilanie. W przypadku trybu buforowego, który jest typowy dla większości zasilaczy UPS, technologia ta nie jest szczególnie odpowiednia z wielu powodów. Kupowanie akumulatorów żelowych ma sens w przypadkach, gdy zasilacz awaryjny musi być włączany prawie codziennie i przez długi czas (na przykład w niestabilnych sieciach ze stałymi i długimi przerwami w dostawie prądu). Akumulatory żelowe najlepiej łączyć z zaawansowanymi zasilaczami UPS typu Online, gdzie akumulator bezpośrednio uczestniczy w stabilizacji napięcia, a co za tym idzie, ciągle działa.

Do głównych wad tej technologii należy zwiększona wrażliwość na zwarcia i dość wysoki koszt jak dla masowego odbiorcy.

Akumulatory AGM

Kolejna odmiana bezobsługowego akumulatora kwasowo-ołowiowego. Wewnątrz obudowy akumulatorów AGM znajduje się elektrolit w stanie zaabsorbowanym (Absorbed Glass Mat). Przedziały takiego akumulatora wypełnione są porowatym materiałem z włókna szklanego, który zawiera kwas. Technologia ta pozwala wyeliminować wydzielanie się gazów i uszczelnić akumulator.

Akumulatory AGM dobrze wpisują się w koncepcję pracy buforowej zasilaczy UPS, gdy zasilacz pozostaje w gotowości przez długi czas, aby na krótko podtrzymać zasilanie w przypadku awarii. Wyróżniają się długą żywotnością (ponad 10 lat), brakiem „efektu pamięci”, niskim poziomem samorozładowania, możliwością montażu akumulatora w dowolnej dogodnej pozycji.

W akumulatorach AGM elektrolit jest absorbowany przez drobno porowate włókna szklane.

Wadą technologii AGM jest słaba tolerancja na przeładowanie. Jednak w przypadku zastosowania wysokiej jakości sterownika mocy lub wbudowanej płyty BMS problem ten całkowicie sprowadza się do zera.

Węglowe

Zaawansowana odmiana akumulatora kwasowo-ołowiowego z płytami ołowiowymi wzbogaconymi węglem. Zmniejsza to prawdopodobieństwo niekontrolowanej zmiany temperatury, gdy może wystąpić zwarcie w wyniku nagrzania elektrolitu. Akumulatory węglowe mają żywotność do 15 lat, jednak mają bardzo specyficzne wymagania dotyczące trybu ładowania. Zaleca się ich rozładowanie w co najmniej 30% i naładowanie nie więcej niż 90%. Akumulatory węglowe nadają się wyłącznie do zasilaczy UPS z możliwością ustawienia odpowiednich parametrów ładowania.

Litowo-jonowe (Li-Ion)

Jako elektrolit w akumulatorach litowo-jonowych wykorzystuje się substancję stałą zawierającą lit metaliczny. Takie właściwości sprawiają, że akumulator jest bardziej kompaktowy, i zapewniają mu odporność na ciągłe rozładowywanie. Akumulatory litowo-jonowe do UPS nie podlegają „efektowi pamięci” i są w stanie dość szybko się ładować. Żywotność akumulatorów litowo-jonowych jest również przyzwoita – poszczególne egzemplarze takich akumulatorów wytrzymują ponad 1500 cykli ładowania/rozładowania.

Ta opcja ma również pewne wady – po pierwsze, akumulatory Li-Ion wykazują zwiększoną wrażliwość na niskie lub wysokie temperatury. W przypadku przeciążenia akumulator litowo-jonowy może się zapalić, a nawet eksplodować. Wraz z takimi akumulatorami ważne jest zastosowanie wysokiej jakości kontrolera mocy.

Litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4)

Rozwój akumulatorów litowo-żelazowo-fosforanowych miał na celu wyeliminowanie niektórych niedociągnięć oryginalnej technologii Li-Ion. Akumulatory typu LiFePO4 charakteryzują się dużą liczbą cykli ładowania/rozładowania, stabilnością chemiczną i termiczną, tolerancją na niskie i wysokie temperatury pracy oraz krótkim czasem ładowania dużymi prądami. Akumulatory LiFePO4 można ładować do temperatury zera w skali Celsjusza.

Mniej więcej tak wygląda jeden z etapów montażu fabrycznego akumulatorów LiFePO4.

Akumulatory LiFePO4 nie boją się przeciążeń i przeładowań, doskonale radzą sobie z dużymi obciążeniami szczytowymi i utrzymują stabilne napięcie pracy aż do niemal całkowitego rozładowania. Ponadto takie akumulatory zapewniają wysoką wydajność, długą żywotność i niski poziom samorozładowania. Zestawy akumulatorów LiFePO4 nadają się do zasilania awaryjnego UPS szerokiej gamy sprzętu elektronicznego.

Jak obliczyć wymaganą pojemność akumulatora

Aby określić wymaganą pojemność akumulatora, ważne jest obliczenie całkowitej mocy zarezerwowanego obciążenia, która jest dodawana zgodnie z charakterystyką urządzeń elektrycznych lub tabelą mocy:

Wiedząc jakie urządzenia mają być zasilane z zasilacza, można przystąpić do obliczania szacunkowej pojemności akumulatora na konkretny czas pracy. W tym celu stosuje się następujący wzór:

E = (P • T) / (V • K),

• E — to pojemność akumulatora w amperogodzinach (Ah);
• P — to całkowita moc podłączonego sprzętu w watach (W);
• T — to czas podtrzymania obciążenia w godzinach (h);
• V — to napięcie akumulatora w woltach (V);
• K — to współczynnik wykorzystanej pojemności, który uwzględnia część ładunku na zasilanie podłączonych urządzeń; z reguły przyjmuje się tutaj średnia wartość 0,8, rzadziej współczynnik przyjmuje się jako „jedynkę”.

Załóżmy, że mamy do czynienia z zadaniem zapewnienia zasilania rezerwowego z UPS do kotła grzewczego i jego elektroniki sterującej na okres do 4 godzin. Moc wszystkich podłączonych urządzeń wynosi około 100 W, napięcie akumulatora wynosi 12 V (jeden akumulator 12 V lub dwa akumulatory 6 V podłączone równolegle):

(100 • 4) / (12 • 0,8) = 41,66 (Ah)

Na nasze potrzeby wystarczy akumulator o pojemności do 50 Ah – to z uwzględnieniem prawie 20% rezerwy. Można też kupić kilka akumulatorów o mniejszej pojemności, które w sumie zapewniają wymagany zapas energii. W obiegach grzewczych z pompą obiegową należy ponadto dodać od 50 do 100 W mocy (w zależności od konkretnego modelu pompy) i wykonać obliczenia dla podanych parametrów mocy.

• podłączenie równoległe umożliwia zwiększenie całkowitej pojemności zestawu (np. dwa akumulatory o pojemności 40 Ah dają łączną pojemność energetyczną 80 Ah);
• układ szeregowy sumuje napięcie akumulatorów (np. trzy akumulatory po 6 V każdy dają łącznie napięcie 18 V).

Zdarzają się również sytuacje odwrotne, gdy znana jest pojemność akumulatora, jednak konieczne jest obliczenie czasu zasilania rezerwowego urządzeń. W tym przypadku wzór jest nieco zmodyfikowany:

T = (E • V • K) / P,

• T — to czas podtrzymania obciążenia w godzinach (h);
• E — to pojemność akumulatora w amperogodzinach (Ah);
• V — to napięcie akumulatora w woltach (V);
• K — to współczynnik wykorzystanej pojemności, który uwzględnia część ładunku na zasilanie podłączonych urządzeń; z reguły tutaj przyjmuje się średnią wartość 0,8, rzadziej współczynnik przyjmuje się jako „jedynkę”;
• P — to całkowita moc podłączonego sprzętu w watach (W).

Załóżmy, że mając UPS z akumulatorem 12 V o pojemności 50 Ah, konieczne jest zorganizowanie zasilania rezerwowego dla lodówki. Jak długo będzie działać podczas przerw w dostawie prądu? Załóżmy na przykład, że sprężarka chłodnicza o mocy 200 W działa przez około 2 minuty w odstępie 10 minut. Jej średni pobór mocy wynosi 200 W. • 2 min. / 10 minut. = 40 W. Przyjmujemy tę liczbę jako wartość P:

(50 • 12 • 0,8) / 40 = 12 (godzin)

Podłączając inny sprzęt, należy dodać do parametrów zużycia energii lodówki i jej moc, a następnie ponownie obliczyć szacunkowy czas pracy całkowitego obciążenia.

Prąd ładowania

Ważnym czynnikiem przy wyborze akumulatorów do UPS jest prąd ładowania. Jest to siła prądu dostarczana do akumulatora z zasilacza. Jeśli instalujesz zwykły akumulator, nie musisz się przejmować tym parametrem, jednak warto go sprawdzić. W przeciwnym razie należy wziąć pod uwagę prąd ładowania. W charakterystyce akumulatora jest to wskazywane rzadko, jednak można z grubsza obliczyć wartość, dzieląc pojemność akumulatora przez 10. Przykładowo dla akumulatora o pojemności 100 Ah prąd ładowania powinien wynosić około 10 Ah (co oznacza, że naładuje się w ciągu około 10 godzin). Znaczny nadmiar prądu ładowania prowadzi do szybkiego zużycia akumulatora, a ładowanie niskimi prądami nie zaszkodzi, jednak może zająć dużo czasu.

Warto pamiętać, że to, co zostało powiedziane, dotyczy zwykłych warunków. W rytmie życia, w którym występują przerwy w dostawie energii zgodnie z harmonogramem i poza nim, można szukać kompromisu. Ładowanie akumulatora przez 10 godzin to często luksus, na który nie można sobie pozwolić. W związku z tym ważne jest prawidłowe ustalenie priorytetów - ładowanie akumulatora większymi prądami jest całkiem dopuszczalne, choć odbywa się to kosztem żywotności akumulatora. Istnieje możliwość skrócenia o połowę czasu ładowania akumulatora 100 Ah przy zastosowaniu prądu ładowania 20 A, akumulatora o pojemności 50 Ah - prądu 10 A itd. Akumulator w takich przypadkach będzie „żyć” krócej, jednak nie pozostaniesz bez zasilania awaryjnego.

Przy wyborze zamiennego akumulatora do UPS należy wziąć pod uwagę wartość prądu ładowania nowego akumulatora.

W niektórych modelach zasilaczy z możliwością połączenia z komputerem stacjonarnym lub smartfonem (np. poprzez sieć Bluetooth) dostępny jest tryb kalibracji, który pozwala wybrać i ustawić optymalną wartość prądu ładowania dla konkretnego zestawu akumulatora lub według własnego uznania.

Czy z zasilaczem UPS można używać akumulatorów rozruchowych (samochodowych)?

Rozruszniki lub akumulatory rozruchowe działają w dwóch głównych trybach: krótkotrwałych rozładowań wysokim prądem, gdy rozrusznik pracuje, i rzadkich długotrwałych rozładowań niskim prądem, gdy odbiorniki pracują na wyłączonym silniku. Zasilacze awaryjne natomiast sugerują nieco inny schemat pracy przy częstych głębokich rozładowaniach akumulatora, czego w ogóle nie lubią tradycyjne akumulatory samochodowe kwasowo-ołowiowe. Razem z UPS ich praca jest całkiem możliwa, jednak tylko pod pewnymi warunkami. Najważniejsze jest to, że napięcie robocze zasilacza musi być wielokrotnością 12 V. Jeśli będzie niższe (na przykład 4 lub 6 V), nie będzie można podłączyć akumulatora samochodowego; wyższe, jednak wielokrotność 12 V - można złożyć zestaw kilku akumulatorów samochodowych połączonych szeregowo, jednak pojemność takiego rozwiązania może być zbyt duża.

Akumulatory samochodowe rozruchowe nie nadają się szczególnie do stosowania z zasilaczami UPS.

Kolejnym czynnikiem ograniczającym stosowanie samochodowych akumulatorów kwasowo-ołowiowych w połączeniu z UPS-em jest ryzyko pożaru i wybuchu w procesie ładowania (w momencie wrzenia ciekłego elektrolitu wydziela się wodór i tlen, a w przypadku klasycznych akumulatorów rozruchowych zwykle dochodzi do nieszczelności, a usuwanie takich emisji odbywa się dosłownie „na ulicy”). Ponadto akumulatory samochodowe mają nieco wyższe napięcie robocze, co zapewnia ciągłe niedoładowanie akumulatora, nie są przeznaczone do długotrwałej pracy i głębokich rozładowań (ponad 50% pierwotnej pojemności). Podsumowując, nadają się bardziej jako tymczasowe rozwiązanie w sytuacjach awaryjnych, jednak nie wyglądają na niezawodną opcję akumulatorów do zasilaczy awaryjnych. Zresztą akumulatory rozruchowe uderzająco różnią się charakterem swojej pracy od akumulatorów trakcyjnych, które są powszechnie stosowane w zasilaczach UPS.

Pozbawione wielu z tych wad są żeloweakumulatory samochodowe, modele AGM i akumulatory podtypu EFB . Często spokojnie wytrzymują ciągłe ładowanie/rozładowanie, montowane są w szczelnej obudowie, jednak pod względem trwałości ustępują specjalistycznym akumulatorom do UPS. Więcej szczegółów na temat tych i innych typów akumulatorów opisano w artykule „Najpopularniejsze typy baterii akumulatorowych”.

UPS z dobrze dobranym akumulatorem pozwoli na autonomiczną pracę komputera i najpopularniejszych sprzętów AGD w przypadku częstych przerw w dostawie prądu. Alternatywnie użytkownicy nauczyli się, jak składać zespoły z falownika samochodowego i akumulatora rozruchowego. Więcej szczegółów na ten temat opisano w materiale „Jak wybrać falownik samochodowy do tworzenia autonomicznych systemów zasilania z akumulatora samochodowego”.

Również stosunkowo niedawno na arenę weszły przenośne stacje zasilania, które sprawdziły się wyłącznie w pozytywny sposób. Wiele modeli elektrowni mobilnych posiada funkcję UPS, która zapewnia możliwość automatycznego przełączenia na zasilanie podłączonego obciążenia w przypadku przerw w dostawie prądu. „Czym są przenośne stacje zasilania?” - czytaj w artykule o tym samym tytule.