Як влаштовані акумулятори в UPS

Як влаштовані акумулятори в UPS

Що таке акумулятор?

Акумулятор – це первинне джерело  До первинних джерел відносяться, наприклад, літієві елементи 2032, які є в кожному комп'ютері. Ці елементи живлять мікросхему CMOS, яка зберігає параметри BIOS Setup комп'ютера. На відміну від акумулятора, відновити запас енергії в таких елементах неможливо.

Існують і вторинні джерела електроживлення, до яких належить, зокрема, блок живлення комп'ютера. Вторинним джерелом комп'ютерний блок живлення є тому, що виконує перетворення первинного джерела — мережної змінної напруги 220 В.

Енергія в акумуляторі утворюється в результаті оборотної хімічної взаємодії матеріалу електродів та електроліту. Поповнити витрачений запас енергії в акумуляторі можна, пропустіть через нього зарядний струм. Відзначимо, що є кілька типів акумуляторів. Наприклад, у ноутбуках застосовуються літій-іонні, які мають найкраще співвідношення енергія/вага.

Свинцево-кислотні акумулятори

У джерелах безперебійного живлення (UPS або ДБЖ) застосовуються свинцеві кислотні акумулятори.

Свинцевий кислотний акумулятор являє собою дві пластини, що містять у собі свинець і занурені в електроліт – розчин на основі сірчаної кислоти.

Вся ця конструкція укладена у пластиковий корпус.

Вона містить кілька «банків», з'єднаних послідовно. Кожна «банку» після заряду має напругу близько 2,2 В, яка поступово знижується в процесі експлуатації.

В акумуляторах для ДБЖ послідовно з'єднані зазвичай  6 елементів.

Протягом деякого часу можна насолоджуватися життям. Напруга в мережі скаче або зникає, ДБЖ періодично перемикається на живлення від акумулятора. І ми, плюючи з високої вежі, не бачимо для себе жодних незручностей.

Однак будь-яка кислотна акумуляторна батарея має обмежену кількість циклів «заряд-розряд». Вона поступово старіє, і в ній згодом відбуваються незворотні зміни, зокрема  сульфатація пластин електродів.

Технологічні тонкощі

При заряді на позитивному електроді виділяється кисень і відбувається електроліз (розкладання) води, що міститься в електроліті. Тому в «звичайних» акумуляторах (які використовуються, зокрема, в автомобілях) доводиться відкривати спеціальну пробку для відведення газів. Це, прямо скажемо, незручно – щоразу перевіряти щільність електроліту, доливати воду, закривати пробку.

Тому були придумані спеціальні технології утилізації кисню, що виділяється при заряді. Щоб утилізувати  кисень, треба доставити його бульбашки до негативного електрода, де він ступить у реакцію зі свинцем. Це досягається двома способами:

  • використанням сепаратора з дрібними осередками із спеціального синтетичного матеріалу,
  • загущенням електроліту спеціальними добавками.

В останньому випадку електроліт приймає гелеподібний стан і не витікає, навіть якщо перевернути акумулятор «нагору ногами». Сепаратор і гель утримують повітря, і бульбашки кисню благополучно досягають негативного електрода, оскільки дифузія в газі відбувається набагато швидше, ніж у рідині.

Якщо кисень, що виділився при заряді, утилізований, втрати води в електроліті не відбувається і доливати її не треба. Зручність обслуговування підвищується, але кількість циклів «заряд-розряд» все одно залишається обмеженим.

Параметр акумулятора

Ємність акумулятора – це здатність накопичувати електричний заряд. Вона вимірюється  в ампер-годинниках (A*h). В ДБЖ найбільш широко застосовуються акумулятори з напругою 12 В та ємністю 5, 7 та 12 A*h.

Значення ємності найчастіше наводиться для часу розряду 10 або 20 годин. Так, батарея  ємністю 7 A*h може забезпечити протягом 10 годин розрядний струм 0,7 А. При цьому акумуляторна батарея розрядиться до напруги приблизно 1,7 В на елемент (або до напруги близько 10,4 В для всього пристрою). >

режим глибокого розряду, що сильно скорочує термін життя джерела.

Фірма-виробник зазвичай обумовлює кількість циклів «заряд-розряд» за 100% розряді, тобто. до тих пір, поки батарея не віддасть всю свою ємність (в даному випадку - 7 A * h). При частковому розряді (тобто. коли він віддає не всю свою ємність, а меншу величину) у кожному циклі — кількість циклів збільшується. І це втішний факт!

Слід зазначити, що цифра ємності наводиться саме для 10 чи 20 годин розряду. При  менших часах розряду і, відповідно, більших розрядних струмах він віддасть лише частину своєї ємності.  І залежність ця нелінійна.

Наприклад, батарея GP1272 фірми CSB ємністю 7,2 A*h при 10-годинному розряді (при температурі 25 С) здатна віддавати струм 0,74 А.

Таким чином, її ємність навіть трохи більше заявленої – 7,4 А*h.

При годинному розряді батарея зможе віддавати струм 5,3 А, що відповідає ємності 5,3 А*h. При 15-ти хвилинному розряді батарея віддасть   15,1 А, що відповідає ємності  3,8 А*h, а при 5-ти хвилинному розряді –  29,6 А, що відповідає ємності 2,5 А*h.

Виходить , що за малих часів розряду, коли акумулятор повинен віддавати великий струм (випадок, найбільш цікавий для нас), він може віддати менше половини своєї ємності. Це сумний факт!

Коли в мережі зникає напруга, ДБЖ працює від акумулятора, споживаючи  (за наявності навантаження більше 100 Вт)  більше 10 А. При потужному навантаженні може споживатися струм у десятки амперів! Краще було б навпаки – при великих струмах розрядки акумулятор віддавав би всю свою ємність, а при малих – частину…