АКБ для ИБП

Прежде чем я попытаюсь разрушить данный консервативный стереотип, рассмотрим основные технические требования, предъявляемые  к аккумуляторам, используемым в ИБП.

1. Способность за короткое время отдать максимум запасенной энергии. Зачастую это время не превышает 5…15 мин., особенно для мощных систем, но в ряде приложений просматривается тенденция к увеличению времени автономности до нескольких  часов. Т.о. аккумулятор должен «уметь» качественно отдавать энергию как быстро, так и не спеша.
2. При всем этом ожидаемая глубина разряда, как правило, велика (до 100%), прежде всего для того, чтобы обеспечить экономическую эффективность применяемых АКБ. Т.о. аккумуляторы должны выдерживать глубокий разряд  при различных режимах разряда.
3. Аккумуляторы должны «уметь» быстро восстанавливать емкость, т.е. быстро заряжаться, чтобы быть готовыми при необходимости снова «приступить к своим обязанностям».
4. Эксплуатационная простота (необслуживаемость и т.п.) является, как правило, крайне важным показателем, но бывают и исключения.
5. Отсутсвие разброса по внутреннему сопротивлению между элементами АКБ или моноблоками в целом (если хоть один из элементов будет иметь внутреннее сопротивление, сверх нормы отличающееся от сопротивлений других элементов, батарея имеет все шансы отправиться в утиль значительно быстрее, чем ей полагалось бы).
6. В ряде случаев важное значение имеет способность к работе в широком температурном диапазоне (далеко не всегда можно обеспечить комфортные  условия (кондиционирование и пр.).
7. Срок службы, безусловно, один из важнейших параметров. Вообще говоря, это расчетная величина, напрямую связанная и с конструкцией  аккумуляторов, и с чистотой применяемых в АКБ активных материалов, и с технологией изготовления компонентов аккумуляторов. Аккумуляторы в ИБП обычно находятся в ждущем режиме на постоянном (или буферном) подзаряде, и для такого режима и определяется ожидаемый срок службы (от 3-5 лет до  15-25).
8. Реалии таковы, что серьезные коррективы в этот показатель вносят глубокие разряды. Предельным случаем является  режим циклического разряда, когда аккумулятор, зарядившись, вскоре подвергается глубокому разряду. Можно сказать, что для ИБП такой режим не характерен и не стоит придавать значение каким-то нечастым или периодическим разрядам. Как я покажу позже, это большое заблуждение.
9. Есть еще ряд второ - и третьестепенных параметров (как, например, стойкость к вибрациям и механическим нагрузкам,  компактность, повышенный КПД и низкий саморазряд,  чувствительность (или нечувствительность) к содержанию в разряженном состоянии. В ряде случаев, некоторые из этих факторов могут иметь ключевое значение (например, в сейсмоопасных зонах).

В зависимости от приоритетности тех или иных из названных требований, в системах бесперебойного питания традиционно  используют следующие типы батарей:

1)      Свинцово-кислотные.

- Наиболее часто в ИБП на сегодня используются свинцово-кислотные аккумуляторы типа VRLA (Valve Regulated Lead Acid) – необслуживаемые герметизированные АБ клапанно-рекомбинационного типа. Выделяют AGM и GEL. В 90%  случаев (если не больше) используют AGM-аккумуляторы…

- В некоторых случаях (в основном на промышленных объектах в составе инверторных систем) применяют обслуживаемые вентилируемые с.-к. батареи  заливного типа (OPzS, ОGI, GroE) со сроком службы 15-25 лет.

2)      Щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы - более высокий срок службы и циклический ресурс, широкий диапазон рабочих температур, и вообще, как говорят, «дуракоустойчивы»J.

Никель-кадмиевые аккумуляторы рименяются прежде всего там, где им нет альтернативы по природно-климатическим или иным показателям.

…Просматриваются новые сферы применения с учетом появления герметизированных необслуживаемых клапанно-рекомбинационных никель-кадмиевых аккумуляторов, которые предлагает в том числе и наша компания.

3)      Наконец, перспективная  тенденция – литий-железо-фосфатные аккумуляторы, которые имеют все достоинства свинцово-кислотных и никель-кадмиевых и не имеют, по сути, их недостатков. Пока из-за очень  высокой стоимости имеют ограниченное применение в системах-накопителях  возобновляемых источников энергии и в электротранспорте, но при массовом производстве в недалекой перспективе нельзя исключить их куда более широкое применение.

Сегодня наиболее широкое применение в ИБП находят свинцово-кислотные AGM аккумуляторы  моноблочного типа (напряжением 6 и 12 В). Они выпускаются множеством производителей - как известных, так и не очень. Наиболее характерные категории, встречающиеся на рынке :

–        емкостью до 28 Ач и сроком службы до 3-5 лет;

–        емкостью 33-250 Ач и сроком службы  от 3-5 лет, 6-8 лет и  10-12 лет.

Именно свинцово-кислотные аккумуляторы имеют, увы, свойство неожиданно выходить из строя причем иногда без видимых предварительных признаков. Гораздо чаще они, конечно, умирают постепенно, теряя емкость, разрушаясь и деградируя.

Нередко приходится сталкиваться с недоумением пользователей: почему  так называемые 10-летние АБ  реально прослужили лишь 5-7 лет (а иногда и меньше)? Вроде и напряжение поддерживали стабильное, и температура комфортная, и следили за ними… Впрочем, встречаются и более прискорбные случаи, когда аккумуляторы приходится менять через 2-3 года, а то и чаще …

Есть несколько факторов, от которых напрямую зависит продолжительность жизни аккумуляторов.  Мы не рассматриваем случаи нарушения режимов эксплуатации (это отдельная тема), только внутренние  факторы.

1.       Немало зависит от  конструкции и технологии изготовления.  Так, продолжительность службы пластин аккумуляторов apriori тем больше, чем больше в них активных материалов. Толще  пластины – дольше служат, и наоборот. Тонкие пластины позволяют развивать бÓльшие токи  и достигать большей компактности аккумуляторов (в частности, это присуще т.н. аккумуляторам серий HighRate). Но, увы, природу не обманешь, за счет толщины так или иначе страдает ресурс.

Технология приготовления активной пастообразной массы, наносимой на решетку пластин, с дальнейшим спеканием – исключительно важный фактор, влияющий на конечный результат. Кустарщина и отсутствие контроля технологических процессов дают соответствующий продукт.

2.       Чистота активных материалов - ключевой фактор. Достигают первоклассных результатов лишь те производители,  у кого этот фактор приоритетен. Вот, казалось бы, применяются сравнительно чистые материалы (чистота свинца 99%)  - а качество аккумуляторов  и срок их службы намного хуже тех, где чистота 99,9999%. Что уж говорить об аккумуляторах, где применяется вторичный (т.е. переработанный)  свинец! Известны случаи, когда АКБ деградировали и теряли емкость, находясь непродолжительное время в режиме буферного подзаряда (а это, казалось бы, «любимый» аккумуляторами режим). Причина – загрязнения, которые постепенно диффундируя из глубины пластин на поверхность, затрудняли все больше и больше прохождение необходимых электрохимических процессов и, по сути, отравляли аккумулятор.

3.     Электролит. В AGM–аккумуляторах - это раствор серной кислоты, который заполняет стекловолоконный микрокапиллярный материал сепаратора. При правильной технологии заполнение  и насыщение сепаратора электролитом производится специальными автоматическими дозирующими устройствами под давлением. Если действовать по упрощенной или кустарной технологии – получишь соответствующий результат (неравномерное заполнение и различное количество электролита между разными пластинами не только снижает срок службы, но и ведет к разбросу параметров банок и моноблоков в целом).

Встречается продукция, декларируемая как аккумуляторы с гелиевым электролитом, а также АGM-гелевые, наногелевые, мультигелевые.

Это - продукт применения псевдонаучной терминологической абракадабры, призванной завлечь якобы новизной и звучным названием доверчивого покупателя. В природе таких аккумуляторов не существует!, и ответственные производители не ведают, что бы это все значило.

4.       Материал сепаратора.  Легкомысленное отношение к казалось бы, простому материалу (подумаешь, свитые и спрессованные стеклянные волоски!) может привести к  снижению коэффициента рекомбинации водорода и кислорода в воду и ускоренному пересыханию аккумуляторов (следует помнить, что эффективность рекомбинации  зависит от того, как долго соответствующие молекулы могут дрейфовать внутри капиллярного лабиринта – если выйдут из него быстро и, не встретив друг друга, улетучатся –  то не  образуют молекул воды – отсюда быстрое пересыхание).

5.         Клапаны.  Они служат для стравливания избыточного внутреннего давления непрорекомбинировавших газов. Неправильный материал или толщина -  и клапаны залипают, газы не стравливаются, аккумулятор раздувает.

На первый взгляд, невозможно заранее оценить, насколько тот или иной аккумулятор будет отвечать всем перечисленным характеристикам. Тем не менее, есть показатель, который воедино увязывает  все, что заложено в аккумулятор и позволяет достаточно уверенно судить об ожидаемом качестве и степени надежности. Это показатель циклического ресурса.

Циклический режим – наиболее тяжелый для аккумулятора любой электрохимической системы и конструкции. Тем более при большой глубине разряда.

Действительно, в этом режиме электрохимические реакции в пластинах идут с использованием их максимальных возможностей. Предельно возрастают механические напряжения (например, в автомобильных аккумуляторах, не предназначенных для глубокого разряда, такие напряжения ведут к осыпанию  и деформации пластин, и уже после 10-20 глубоких разрядов аккумулятор погибает). Аккумуляторы AGM-типа, как правило, имеют  ресурс  куда больше, чем стартерные -  от 100 до 280 циклов разряда 100% глубины (при остаточной емкости – 80%).

Обращая внимание на декларируемый производителем циклический ресурс, можно куда вернее оценить, чего  на самом деле можно ожидать от аккумулятора, чем из одних только показателей срока службы в буферном режиме.

Нередко один и тот же производитель может предлагать несколько модельных рядов аккумуляторов одного вроде бы класса (скажем, 10-летки), которые при одинаковой емкости имеют, тем не менее, очень различные показатели циклического ресурса (скажем, 100, 180 и 250 циклов). Осмелюсь утверждать, что в сходной пропорции будут находиться и их реальные сроки службы даже при эксплуатации в преимущественно буферном режиме. А причина (вернее, комплекс причин) – в разном соответствии (или несоответствии) перечисленным выше критериям, и в первую очередь  - критерию   чистоты применяемых активных материалов.

Тот же вывод можно сделать и в отношении общей надежности  аккумуляторов в зависимости от заявляемого циклического ресурса.

Думаю, понятно, что АКБ, у которых параметры циклического ресурса  производителем вообще не указаны,  можно с большой долей вероятности относить вообще к т.н. «мусорной» категории.

Вот почему  порой даже незначительное число глубоких разрядов аккумулятора для ИБП может оказать серьезное влияние на его срок службы – ведь очень многое зависит от реального качества, универсальным критерием которого может служить показатель циклического ресурса,  а, к сожалению, отнюдь не всегда - бренд продукции.

Следует добавить, что в последние годы стали пробивать дорогу технологические новшества в отношении  состава активных материалов, которые нередко дают прямо скажем революционные результаты как по части циклических возможностей, так и других характеристик. Речь идет об  АGM аккумуляторах так называемого нового поколения. Например, моноблочные 6- и 12-В аккумуляторы производства EVEREXCEED за счет состава активных материалов Pb-Ca-Sn-Al  обеспечивают  ресурс 600 циклов 100% разряда, а 2-В элементы – до 800.

Т.о., по циклическому ресурсу эти аккумуляторы вплотную приближаются к качественным гелевым, но сохраняют присущие AGM-типу преимущества. Более того, на 5-8 % увеличивается  емкость при большей компактности  и даже несколько меньшем весе. Данные параметры, несмотря на некоторую фантастичность, абсолютно реальны (проверено на практике в объемах, позволяющих говорить о статистической  обоснованности). Кстати сказать, компания EverExceed применяет материалы с чистотой 99,9999 % (!!!).

Думается, подобные аккумуляторы позволят не только достичь  немалой экономии  (хотя бы потому, что придется их реже менять), но в первую очередь значительно повысить надежность систем, где они установлены. А надежности и безопасности, как известно, слишком много никогда не бывает в нашем не очень-то надежном мире.

•