Что такое аккумулятор?
Аккумулятор – это первичный источник электропитания. К первичным источникам относятся, например, и литиевые элементы 2032, которые есть в каждом компьютере. Эти элементы питают микросхему CMOS, которая хранит настройки BIOS Setup компьютера. В отличие от аккумулятора, возобновить запас энергии в таких элементах невозможно.
Существуют и вторичные источники электропитания, к которым относится, в частности, блок питания компьютера. Вторичным источником компьютерный блок питания является потому, что выполняет преобразование первичного источника — сетевого переменного напряжения 220 В.
Энергия в аккумуляторе образуется в результате обратимого химического взаимодействия материала электродов и электролита. Восполнить израсходованный запас энергии в аккумуляторе можно, пропусти через него зарядный ток. Отметим, что существует несколько типов аккумуляторов. Например, в ноутбуках применяются литий-ионные, которые обладают лучшим соотношением энергия/вес.
Свинцово-кислотные аккумуляторы
В источниках бесперебойного питания (UPS или ИБП) применяются свинцовые кислотные аккумуляторы.
Свинцовый кислотный аккумулятор представляет собой две пластины, содержащие в себе свинец и погруженные в электролит – раствор на основе серной кислоты.
Вся эта конструкция заключена в пластиковый корпус.
Она содержит несколько «банок», соединенных последовательно. Каждая «банка» после заряда имеет напряжение около 2,2 В, которое постепенно понижается в процессе эксплуатации.
В аккумуляторах для ИБП последовательно соединены обычно 6 элементов.
В течение некоторого времени можно наслаждаться жизнью. Напряжение в сети скачет или пропадает, ИБП периодически переключается на питание от аккумулятора. И мы, поплевывая с высокой башни, не видим для себя никаких неудобств.
Однако любая кислотная аккумуляторная батарея имеет ограниченное число циклов «заряд-разряд». Она постепенно стареет, и в ней со временем происходят необратимые изменения, в частности, сульфатация пластин электродов.
Технологические тонкости
При заряде на положительном электроде выделяется кислород и происходит электролиз (разложение) воды, содержащейся в электролите. Поэтому в «обычных» аккумуляторах (которые применяются, в частности, в автомобилях) приходится открывать специальную пробку для отвода газов. Это, прямо скажем, неудобно – каждый раз проверять плотность электролита, доливать воду, закрывать пробку…
Поэтому были придуманы специальные технологии утилизации выделяющегося при заряде кислорода. Чтобы утилизировать кислород, надо доставить его пузырьки к отрицательному электроду, где он ступит в реакцию со свинцом. Это достигается двумя способами:
- использованием сепаратора с мелкими ячейками из специального синтетического материала,
- загущением электролита специальными добавками.
В последнем случае электролит принимает гелеобразное состояние и не вытекает, даже если перевернуть аккумулятор «вверх ногами». Сепаратор и гель удерживают воздух, и пузырьки кислорода благополучно достигают отрицательного электрода, так как диффузия в газе происходит намного быстрее, чем в жидкости.
Если выделившийся при заряде кислород утилизирован, потери воды в электролите не происходит и доливать ее не надо. Удобство обслуживания повышается, но количество циклов «заряд-разряд» все равно остается ограниченным.
Параметр аккумуляторной батареи
Емкость аккумулятора – это способность накапливать электрический заряд. Она измеряется в ампер-часах (A*h). В ИБП наиболее широко применяются аккумуляторы с напряжением 12 В и емкостью 5, 7 и 12 A*h.
Значение емкости чаще всего приводится для времени разряда 10 или 20 часов. Так, батарея емкостью 7 A*h может обеспечить в течение 10 часов разрядный ток в 0,7 А. При этом аккумуляторная батарея разрядится до на напряжения примерно 1,7 В на элемент (или до напряжения около 10,4 В для всего устройства).
После этого в аккумуляторе остается еще энергия, и он может ее отдать. Но это будет уже режим глубокого разряда, что сильно сокращает срок жизни источника.
Фирма-производитель обычно оговаривает число циклов «заряд-разряд» при 100% разряде, т.е. до того времени, пока батарея не отдаст всю свою емкость (в данном случае – 7 A*h). При частичном разряде (т.е. когда он отдает не всю свою емкость, а меньшую величину) в каждом цикле — число циклов увеличивается. И это отрадный факт!
Следует отметить, что цифра емкости приводится именно для 10 или 20 часов разряда. При меньших временах разряда и, соответственно, бОльших разрядных токах он отдаст только часть своей емкости. И зависимость эта нелинейная.
Например, батарея GP1272 фирмы CSB емкостью 7,2 A*h при 10-ти часовом разряде (при температуре 25 С) способна отдавать ток 0,74 А.
Таким образом, ее емкость даже чуть больше заявленной – 7,4 А*h.
При часовом разряде батарея сможет отдавать ток 5,3 А, что соответствует емкости 5,3 А*h. При 15-ти минутном разряде батарея отдаст 15,1 А, что соответствует емкости 3,8 А*h, а при 5-ти минутном разряде – 29,6 А, что соответствует емкости 2,5 А*h.
Получается, что при малых временах разряда, когда аккумулятор должен отдавать большой ток (случай, наиболее интересный для нас), он может отдать меньше половины своей емкости. Это прискорбный факт!
Когда в сети исчезает напряжение, ИБП работает от аккумулятора, потребляя (при наличии нагрузки более 100 Вт) более 10 А. При мощной нагрузке может потребляться ток в десятки ампер! Уж лучше было бы наоборот – при больших токах разрядки аккумулятор отдавал бы всю свою емкость, а при малых – часть…
