Батерийни технологии за UPS системи

Сигурността в доставките на енергия е в основата на успешното функциониране и непрекъснатия експлоатационен режим в много предприятия, независимо дали става въпрос за промишлени инсталации, офиси, структури от сектора на здравеопазването, комунални дружества или центрове за данни. За някои от тези системи прекъсванията в електрозахранването могат да струват доста скъпо, като понякога разходите, свързани с това, достигат до десетки милиони щатски долара. Именно това е причината много бизнеси да инсталират непрекъсваеми захранвания (UPS).

От критично значение за UPS устройствата е батерийната група, която предоставя необходимата енергия, гарантирайки постоянен поток от енергия за определен процес. Някои от важните параметри, които следва да се имат предвид при избора на батерийна технология, са желаната мощност и време на автономна работа, ефективност на преобразуване, крайният разряд и наличното зарядно напрежение. Тези характеристики, както и много други фактори, трябва да бъдат отчетени при избора и конфигурацията на всяка една батерийна система за UPS.

Технологии
В UPS устройствата се използват разнообразни видове батерии, като в момента най-разпространени са оловно-киселинните. При някои специфични случаи със специални изисквания се използват и никел-кадмиеви или литиево-йонни батерии. Литиево-йонната технология се развива с бързи темпове и се използва най-често за приложения, при които високата енергийна плътност и ниското тегло са приоритетни.

Оловно-киселинните батерии са най-икономичният избор за случаите, когато е необходима по-висока мощност и теглото не е от съществено значение. Повечето UPS системи използват именно оловно-киселинни батерии, тъй като те предоставят отлична производителност, висока мощностна ефективност с нисък вътрешен импеданс, висока толерантност към неподходяща експлоатация и атрактивни цени. Този тип батерии използват електролит, съдържащ вода и сярна киселина, и пластини, изработени от олово с пореста структура (отрицателен електрод) и оловен оксид (положителен). Двата основни вида оловно-киселинни батерии са VRLA (клапанно-регулирани оловно-киселинни батерии), познати още като запечатани, и залети, наричани още отворени.

Поради факта, че VRLA батериите са запечатани, те могат да бъдат монтирани с всякаква ориентация. Корпусът на батерията е оборудван с клапан, с помощта на който натрупалите се във вътрешността газове се изпускат. Акумулирането на газове обикновено е изключение, което може да възникне например когато батерията се зарежда или разрежда с висока скорост. VRLA батериите в повечето случаи не изискват директна поддръжка – не е необходимо да се долива вода, тъй като, ако се отдели някакво количество водород по време на зареждане, той се свързва с кислород и се получава вода.

VRLA батериите също са два основни вида, различаващи се по състава на електролита – AGM, при които силнопорьозна мрежа от стъклени микровлакна е напоена с електролита, и гелови, при които електролитът е под формата на гелообразна смес от сярна киселина и силициев диоксид. Обикновено за UPS се използват VRLA AGM батерии поради по-ниското им вътрешно съпротивление, високата им специфична мощност, ниския саморазряд и ниските цени. Също така AGM батериите се зареждат по-бързо и могат да предоставят силен ток с малка продължителност.

Залетите оловно-киселинни батерии, както подсказва името им, включват потопени в киселинен електролит пластини. Тъй като не са запечатани, генерираният по време на експлоатация водород се изпуска директно в околната среда, което налага използването на по-мощни и съответно адекватно оразмерени вентилационни системи, отколкото при употребата на VRLA. Обикновено батерийните групи се разполагат в определено за целта помещение. Залетите батерии трябва да се поддържат и използват в изправено положение, а нивото на водата им да се следи и при необходимост да се регулира чрез доливане. Те предлагат по-дълъг експлоатационен живот и по-висока надеждност от запечатаните оловно-киселинни батерии.

Електродите на никел-кадмиевите батерии са изработени от никелов хидроксид (положителен) и кадмиев хидроксид (отрицателен). Електролитът е воден разтвор на калиева основа. Никел-кадмиевите батерии осигуряват много продължителен експлоатационен живот (до 20 години) и могат да работят при екстремни температурни стойности (-20 до +40°C), също така предлагат голям брой цикли и добра толерантност към дълбок разряд. Никел-кадмиевите батерии обаче са много по-скъпи от традиционните им VRLA еквиваленти.

Други техни предимства са свързани с ниското вътрешно съпротивление, което предлага висока мощностна плътност и възможност за бързо зареждане. Времето на съхранение на никел-кадмиевите батерии е много дълго, особено ако са напълно разредени. Те осигуряват и висока степен на защита срещу неправилна експлоатация – прекомерно зареждане или разреждане и зарядни токове с високи пулсации. Въпреки това, тъй като и никелът, и кадмият са токсични, процесите на обезвреждане/рециклиране на батериите изискват много средства. Никел-кадмиевите батерии се нуждаят и от поддръжка, изразяваща се в доливането на вода – особено при приложения с висока цикличност или при високи скорости на зареждане.

При литиево-йонните батерии катодът обикновено е изработен от метален оксид, а анодът – от порьозен графит. И двата електрода са потопени в течен електролит от литиева сол и органичен разтворител. По време на разряд йоните преминават от анода към катода през електролита и преградна пластина. При заряд посоката на потока от електрони се обръща и те се движат от катода към анода.

Основен начин за различаване на отделните видове литиево-йонни батерии е по състава на катода. Изборът на батерия зависи от редица фактори, включително напрежението на клетката, капацитета, желаните енергия и мощност, броя цикли и работната температура.

Катодът на литиево-йонните батерии може да е изработен от литиев кобалтов оксид (LCO), литиев манганов оксид (LMO), литиево-никелов магнезиев кобалтов оксид (NMC), литиев железен сулфат (LFP) или никел кобалтов алуминиев оксид (NCA). Анодът може да е направен от литиев титанов оксид (LTO). Прецизното сравнение на тези различни фамилии не е възможно, тъй като освен от технологията, производителността се определя и от много други фактори, например размера на клетката и активната смес. Някои производители комбинират технологиите за постигане на по-добри експлоатационни характеристики за конкретно приложение. Най-често за UPS приложения се използват LMO-NMC и LFP заради дългия им експлоатационен живот, високото ниво на безопасност и високата мощностна плътност.

Оразмеряване на батериите
Процедурата по оразмеряване на батериите обикновено започва с разглеждането на две основни изисквания – мощност и време на автономна работа. Взема се предвид стойността на мощността, която батериите отдават, което налага изчислението да започне с полезната мощност, като се отчетат факторът на мощността и преобразувателната ефективност.

Съществуват две методологии за правилно определяне на капацитета на батериите. Единият вариант е да се използват списъци с техническите спецификации на батериите, които предоставят детайли за времето на автономна работа при различни постоянни характеристики на разряд спрямо ограничения по отношение на температурата и блокиращото напрежение. Другата методология включва използването на специални онлайн софтуерни инструменти на производителите, с помощта на които да се извърши конфигурацията.

Важно е да се гарантира, че всяка система използва един-единствен модел батерии и че в една система няма повече от четири до пет стринга в паралел. Това в повечето случаи се смята за най-добрата практика, но броят може да варира в зависимост от препоръките на различните производители на батерии.

При избора на батерии особено внимание следва да се обърне на експлоатационния живот, характеристиките в началото и в края на жизнения цикъл, работната температура, дълбочината на разряда, блокиращото напрежение и времето за зареждане.

Работната температура оказва съществено влияние върху живота на батериите и експлоатационните им характеристики. Всички водещи производители препоръчват работната температура да е между 20 и 25°C. По-високите температурни стойности увеличават производителността на батерията, но скъсяват батерийния живот – всяко повишение с 10°C над посочения диапазон 20-25°C, намалява срока на експлоатация наполовина.

Избраният за конкретна система тип батерии трябва да съответства на изискването за продължителност на експлоатационния живот. Повечето производители категоризират продуктите си по този показател. Според Асоциацията на европейските производители на автомобилни и индустриални акумулатори Eurobat категориите са 4: стандартни (3-5 години); за общо предназначение (6-9 години); с дълъг живот (10-12 години); и с много дълъг живот (над 12 години).

Продължителността на експлоатационния живот на батериите зависи от разнообразни фактори, и действителната продължителност може да се различава от проектната, специфицирана от производителя – в повечето случаи (например когато температурата е по-висока от номиналната), тя е с 50 до 70% по-малка.

Клиентските спецификации обикновено включват изискване за определени нива на експлоатационните характеристики (мощност, време на автономна работа) на батериите в началото и в края на жизнения им цикъл. Оразмеряването на батериите следва да включва коефициент на преоразмеряване, който да отчита стареенето.

Разрядът на батериите може да бъде пълен или частичен. Колкото по-малко се разрежда една батерия на един цикъл, толкова по-малък брой цикли може да предостави през целия си живот. Броят цикли обикновено не е толкова важен за UPS системите, тъй като в повечето случаи батериите влизат в употреба само няколко пъти годишно. В други случаи обаче, и в някои определени държави, този фактор може да има по-голямо значение.

Колкото по-ниско е блокиращото напрежение, толкова повече мощност може да предостави батерията. Когато се определя капацитетът на батерийната система, е важно да се вземе предвид минималното блокиращо напрежение на една клетка, като обикновено спецификациите на системата включват изискване за стойността на този параметър. Също така е много важно да се гарантира че диапазонът на правотоковото батерийно напрежение на избраната UPS система е съвместим с изчисления брой батерийни блокове.

Ако батериите се разреждат под минималното им блокиращо напрежение, те се считат за прекомерно разредени. В такъв случай вътрешното съпротивление се увеличава поради сулфатиране на пластините, което е съпроводено с драстично намаление както на капацитета, така и на експлоатационния живот.

Времето за зареждане зависи от максималната мощност, която една батерия може да поеме без да се засегне експлоатационният й живот. За оловно-киселинните батерии зарядните мощност и напрежение се определят така, че да се осигурява максимален заряд в ампери, равен на една десета от общия капацитет на батерията в амперчаса. В някои приложения, изискващи дълги периоди на автономна работа, е важно да се гарантира, че зарядната мощност на UPS системата е достатъчна, за да осигури зареждане на батериите за необходимото време.

Правотоковото зарядно напрежение трябва да е без пулсации, защото това може да окаже силно въздействие върху батерийния живот. Това напрежение също така трябва да е в границите на специфицирания за определена батерия диапазон – по-високо зарядно напрежение ще доведе до повишаване на налягането в батерията и до отваряне на клапана за отделяне на натрупалия се газ. Такова прекомерно зареждане ще причини разяждане на положителната пластина и скъсяване на експлоатационния живот.

Основни причини за неизправности
Неизправностите в батериите отговарят за 50 до 70% от прекъсванията на UPS системите. Освен къси съединения, основните механизми, които влошават експлоатационните характеристики и живота на VRLA батериите, са три – корозия на пластините, засъхване и сулфатиране.

Корозията на пластините обикновено е в резултат на окислението на катода. Тя намалява количеството активен материал, който може да участва в химичните реакции, понижавайки производителността и батерийния живот. Превантивни мерки за контролиране на корозията са ограничаване дълбочината на разряд, намаляване броя на циклите и работа при умерени температури.

Под засъхване се разбира понижаване на количеството електролит, като основните причини за това са високи работни температури и прекомерно зареждане. При VRLA батериите загубеният в околната среда електролит не може да бъде възстановен и това силно влияе върху характеристиките им.

При нормалните химични реакции, протичащи по време на разряд на VRLA батериите, върху електродите се отлагат кристали оловен сулфат. В режим на зареждане те се преобразуват отново до активни материали. Ако батериите останат незаредени или частично заредени за даден период, тези кристали се втвърдяват и не могат да бъдат трансформирани до олово или оловен оксид. Това оказва значимо влияние върху характеристиките, живота и капацитета на батериите. Затова е важно след всеки разряд батериите да се зареждат напълно, както и да се следват инструкциите на производителя по отношение на подходящото регулиране на зарядното напрежение, тъй като дори малко по-ниска стойност на този параметър от специфицираната може да доведе до този проблем.