Akumulatory w UPS-ach i siłowniach DC

Bateria akumulatorów jest dla układów energoelektronicznych UPS (falownika) śródłem zasilania (energii) w razie awarii sieci zasilającej i może decydować o niezawodności całego systemu zasilania. Pojemność akumulatora determinuje czas, podczas którego obciążenie będzie mogło pobierać prąd z wyjścia UPS bądś z siłowni DC. W zasilaczach UPS o niewielkich mocach znamionowych, zasilających pojedyncze stacje robocze, bateria akumulatorów zapewnia czas autonomii od kilku minut do nawet kilku godzin. W systemach UPS o dużej mocy, które zabezpieczają zasilanie centrów przetwarzania danych, bateria akumulatorów zapewnia czas podtrzymania do ok… Kilkudziesięciu minut, umożliwiając kontrolowane wyłączenie systemu teleinformatycznego lub zasilanie do momentu włączenia agregatu prądotwórczego.

Na czas podtrzymania zasilania przez UPS bądź siłownię DC, podczas awarii sieci zasilającej, ma wpływ pojemność zastosowanych akumulatorów. Bateria akumulatorów jest ogniwem elektrochemicznym. W zależności od jej budowy i wykorzystywanych zjawisk chemicznych można dokonać następującego podziału akumulatorów:

• akumulatory kwasowe
  • szczelne VRLA
    • AGM (elektrolit w separatorach z włókna szklanego);
    • GEL/CELL (elektrolit w postaci żelu);
  • otwarte (klasyczne);
• akumulatory zasadowe (szczelne i otwarte).

Do najczęściej stosowanych w zasilaniu bezprzerwowym zalicza się akumulatory szczelne AGM wykonane w monoblokach 6 [V] i 12 [V]. Szczególne właściwości eksploatacyjne i parametry techniczne pozwalają na zastosowanie tego rodzaju akumulatorów do pracy cyklicznej i w buforowych układach zasilania, zamiast tradycyjnych baterii zasadowych i kwasowych, a także baterii niklowo-kadmowych.

Zalety akumulatorów zamkniętych (VRLA) w stosunku do konwencjonalnych (otwartych):

• nie wymagają pomieszczeń ze specjalną, wymuszoną wentylacją;
• nie wymagają uzupełniania elektrolitu oraz ciągłej konserwacji;
• nie są szkodliwe dla otoczenia;
• mają wyższą sprawność energetyczną i niższą oporność wewnętrzną;
• są średnio o 70% mniejsze i o 50% lżejsze przy danej pojemności;
• są w stanie ciągłej gotowości do pracy, bezpieczne i łatwe w użyciu;
• zastosowane w buforowych układach zasilania charakteryzują się długą (wieloletnią) żywotnością, natomiast przy pracy cyklicznej - wysoką liczbą cykli ładowania/rozładowania.

Baterie otwarte w związku z emisją wodoru (tworzącego z powietrzem mieszankę wybuchową) wymagają instalowania w specjalnie wentylowanych i zabezpieczonych pomieszczeniach i oczywiście specjalnej obsługi. To czynnik wydatnie zwiększający koszty eksploatacyjne. Baterie zamknięte ograniczają ok… Dziesięciokrotnie emisję wodoru podczas procesu ładowania, w związku z czym wystarczy wykorzystanie standardowych urządzeń wentylacyjno-klimatyzacyjnych.

Moc i obciążenie baterii akumulatorów

UPS dostarczając stałej mocy do obciążenia pobiera także stałą moc z akumulatora. W związku z tym, iż napięcie akumulatora zmniejsza się w procesie rozładowania, aby zachować stałą moc, wzrasta prąd z niego pobierany. Najczęściej obciążenie akumulatora pracującego w zasilaczu UPS wyraża się w kilowatach (kW) wraz ze znamionowym napięciem pracy falownika oraz wymaganym czasem pracy. Na podstawie charakterystyk rozładowania, znając moc (czynną wyrażoną w [W]) zabezpieczanego systemu informatycznego, można oszacować czas podtrzymania zasilania podczas pracy z baterii.

Żywotność baterii

Istotnym parametrem eksploatacyjnym dotyczącym baterii jest prognozowana żywotność, która wynosi:

• dla baterii standardowych: 3-5 lat,
• dla baterii o podwyższonej żywotności: 10 lat.

Niestety, każdy akumulator ma ograniczoną żywotność, mimo iż w UPS-ie pozostaje cały czas pod napięciem utrzymującym go w stanie nieprzerwanej gotowości. Zachodzące w sposób ciągły procesy erozji płyt i wysychanie elektrolitu w wyniku ciągłego przeładowywania powodują zmniejszenie pojemności elektrycznej (wyrażanej w Ah) każdego typu akumulatora.

Aby zapewnić uzyskanie prognozowanej żywotności, trzeba przestrzegać odpowiednich warunków pracy, takich jak właściwe ładowanie i parametry środowiskowe (głównie temperatura). Zwiększenie temperatury otoczenia powyżej 25ºC wpływa bardzo niekorzystnie na żywotność baterii akumulatorów. Jeśli chodzi o właściwe ładowanie, zapewnia je zasilacz UPS lub zasilacz DC, który powinien być odpowiednio skonfigurowany - w zależności od parametrów zestawu baterii - przez dostawcę systemu.

Zasilacz powinien zapewniać prąd ładowania o niskich tętnieniach i oferować temperaturową korekcję napięcia ładowania, zapewniając tym samym maksymalne wydłużenie czasu „życia” baterii. W celu zwiększenia żywotności baterii należy dokonywać jej okresowych rozładowań, gdyż tryb pracy ładowania (tzw. Buforowego), który trwa nieprzerwanie po naładowaniu (trwającym zwykle nie więcej niż 10 godz.) wpływa niekorzystnie na ich pojemność elektryczną i żywotność. Obecnie większość typów zasilaczy UPS umożliwia wykonanie testu pracy z zasilaniem z baterii. To czynność istotna, gdyż pozwala na określenie czasu autonomii, co jest równoznaczne z przybliżoną oceną stanu baterii. Wykonywanie okresowego testu (średnio raz na pół roku) wpływa na zwiększenie żywotności baterii, gdyż akumulator w zasilaczu UPS pracuje tylko w razie zaniku napięcia, co w dzisiejszych warunkach występuje dość rzadko.