Dobór akumulatora do obciążenia, zapotrzebowanie na moc.

Po ustaleniu jakiego urządzenia UPS potrzebujemy przychodzi pora na dobór zestawu akumulatorów. Ważne aby uwzględniając odpowiednią niezawodnośc, czas podtrzymania i względy ekonomiczne wybrać odpowiednią ilość akumulatorów, napięcie zestawu, uwzględnić niezbędne zapasy.

Projektowanie układu zasilania akumulatorowego należy rozpocząć od ustalenia: spodziewanego obciążenia następnie określić czas w jakim zamierzamy zasilać urządzenia, warunki pracy oraz warunki i możliwości ładowania akumulatorów.

Obliczając potrzebną wielkość banku akumulatorów pod uwagę należy brać szereg czynników. Niewystarczające jest proste przemnożenie poboru prądu w amperach przez wymagany czas podtrzymania w godzinach.

Ile energii potrzebuje urządzenie

Należy sprawdzić maksymalną moc urządzenia wyrażoną w VA (volto – amperach). Przy wielu urządzeniach nie pokrywa się to z mocą w wyrażoną w W (watach). Problem ten dotyczy głównie urządzeń indukcyjnych, takich jak silniki, lodówki, pompy.

Dla urządzeń pracujących cyklicznie można zmniejszyć zapotrzebowanie uwzględniając czas przerw między cyklami pracy. Jednocześnie należy zwiększyć zapotrzebowanie związane z większym poborem prądu przy rozruchu. To ma znaczenie przy dużej ilości rozruchów.

Straty mocy na zasilaczu UPS, przetwornicy

Urządzania elektryczne wymagają zasilania energią, dotyczy to również przetwornic i wszelkiego rodzaju UPSów. Do zapotrzebowania samego urządzenia musimy dodać straty mocy na układzie przetwarzającym napięcie stałe z akumulatorów w napięcie zmienne, którym zasilane jest urządzenie. Straty mocy określone są zwykle w W jako:

  • stała minimalna moc pobierana przez zasilacz, niezależnie od tego czy zasilacz cokolwiek zasila. Na przykład może to być stały pobór mocy 20W

  • procentowa sprawność, na przykład 90% (powinno być jeszcze określone przy jakim obciążeniu, przy większym lub mniejszym obciążeniu sprawność może być gorsza niż przy obciążeniu optymalnym)

Straty mocy na okablowaniu

Ze względu na rezystancję kabli łączących bank akumulatorów z urządzeniem UPS, nie cała energia pobrana z akumulatora dociera do przetwornicy. Okablowanie wydziela energię w postaci ciepła – nagrzewa się, nawet jeżeli nie jest to wyczuwalne. Napięcie zmierzone przy akumulatorze, w trakcie pracy bateryjnej będzie wyższe od napięcia na wejściu zasilacza UPS. W trybie pracy sieciowej, a szczególnie w trakcie ładowania, ma miejsce odwrotna sytuacja. Różnica napięć to spadek napięcia na połączeniu.

Z tego względu okablowanie musi być odpowiedniego przekroju – tak aby spadek napięcia mieścił się w akceptowalnych granicach i przede wszystkim aby nie następowało nadmierne nagrzewanie okablowania. O ile w systemach działających w trybie buforowym, straty powstające na okablowaniu nie mają dużego znaczenia to tam gdzie baterie stanowią podstawowe zasilanie i układ przez cały czas albo większość czasu pracuje na bateriach, warto dokładnie przeliczyć jaki będzie koszt strat energii na okablowaniu w trakcie działania systemu przez lata.

Dopiero po zsumowaniu wszystkich mocy (moc urządzenia + wszelkie straty w najgorszych zakładanych warunkach) można przystąpić do określenia minimalnej pojemności banku akumulatorów.

Pojemność banku akumulatorów

Pojemność akumulatorów żelowych lub AGM, określona przez producenta, najczęściej wyrażona jest w Ah (amperogodzinach) C20, C10 rzadziej C5. Ilość godzin występująca po literze C oznacza w jakim czasie odbywał się pomiar kontrolny. W związku z tym, że bardzo często akumulatory projektowane są na podtrzymanie przez czas krótszy niż czas testu określającego pojemność znamionową, konieczne jest odwołanie się do karty katalogowej i sprawdzenie jaką ilość energii można pobrać z akumulatora w takim czasie.

Orientacyjnie można przyjąć, że z akumulatora 100 Ah C20 możliwe będzie pobieranie około 50 A przez 1 godzinę. To oznacza, że mamy do dyspozycji jedynie 50 Ah a nie 100Ah, jak można by się spodziewać.

Ten aspekt jest bardzo często pomijany, prawdopodobnie ze względu na przyzwyczajenia wynikające ze stosowania akumulatorów Li-ion, które najczęściej mają podaną pojemność C1, czyli dla rozładowania przez 1 godzinę.

Dodatkowe zapasy pojemności akumulatorów

Starzenie się akumulatorów rozpoczyna się już od zamontowania. W związku z tym konieczne jest określenie minimalnej ilości Ah przy, której akumulator spełnia jeszcze swoje zadanie oraz stopnia zużycia, przy którym planowana jest wymiana.

Akumulatory przeznaczone do zasilania awaryjnego projektowane są na określoną ilość lat działania pod napięciem buforowym. W ich przypadku ilość cykli ładowania / rozładowania ma mniejsze znaczenie ale najczęściej akumulatory z dłuższą żywotnością posiadają również więcej cykli ładowania/rozładowania.

Stopniowa utrata pojemności

Na początku eksploatacji nowego akumulatora, jego pojemność nieznacznie zwiększa się po kilkunastu cyklach ładowania / rozładowania. Następnie przez długi czas / pojemność pozostaje na ustalonym poziome i w ostatniej fazie zaczyna się obniżać coraz szybciej. Dla zasilania awaryjnego jako barierę przydatności do dalszej eksploatacji uznaje się 80% nominalnej pojemności akumulatora.

Czyli akumulator 120 Ah kwalifikowany jest do wymiany gdy jego pojemność spadnie poniżej 96 Ah. Akumulator z obniżoną pojemnością nadaje się w dalszy ciągu do pracy na UPS jednak po przekroczeniu tego progu pojemność zaczyna spadać już wyraźnie szybciej i z tego powodu traktowane jest to jako sygnał do wymiany. Wzrasta również ryzyko nagłego uszkodzenia, przerwania obwodu.

Przy eksploatacji akumulatora w mniej wrażliwych aplikacjach możliwe jest przekroczenie bariery 80% jednak należy wtedy uwzględnić skrócenie czasu podtrzymania (nieco większe niż spadek pojemności akumulatora). Podobnie przy zasilaniu z akumulatora urządzeń w terenie, jeżeli warunki na to pozwalają, możliwe jest korzystanie z akumulatorów o obniżonej pojemności.

W obydwu przypadkach, warunkiem jest jednak aby akumulatory były sprawne i bez wad takich jak zwarcie, uszkodzenia mechaniczne. W starszych akumulatorach, z obniżoną pojemnością, ryzyko wystąpienia takich problemów jest większe. Przy dużych bankach akumulatorów, złożonych z kilku gałęzi, zwarcia na uszkodzonych celach mogą doprowadzić nawet do pożaru.

Niskie temperatury

Praca w niskich temperaturach wymaga również wprowadzenia korekty dla planowanej pojemności. Dla zera stopni C należy przyjąć korektę 0,8 dla -20 stopni C korektę 0,6. Wartości te mogą się różnić w zależności od producenta oraz konkretnego modelu ale zjawisko występuje zawsze w mniejszym lub większym stopniu. Problem obniżenia pojemności wraz ze spadkiem temperatury dotyczy nie tylko akumulatorów wykonanych w technologii ołowiowo-kwasowej ale większości o ile nie wszystkich typów ogniw chemicznych.

Praca akumulatora w wysokich temperaturach powoduje nieznaczne podniesienie parametrów akumulatorów – dostępna pojemność będzie nieco wyższa. Niestety wysoka temperatura działa destrukcyjnie na  żywotnośc - czas eksploatacji.

Powyżej wymienione dwa czynniki:

  • utrata pojemności następująca stopniowo w trakcie eksploatacji
  • czasowe obniżenie pojemności związane z obniżeniem temperatury otoczenia

mają największy wpływ na skrócenie faktycznego czasu podtrzymania.

Jakość / trwałość zestawów akumulatorów

Gorsze jakościowo akumulatory mają większy rozrzut parametrów. Z tego względu zdecydowanie gorzej wypadają gdy pracują w długich szeregach. Ze względu na nierówny rozkład napięcia zasilania na poszczególne ogniwa, część akumulatorów jest permanentnie niedoładowana, część przeładowania i tylko niektóre pracują w zalecanym zakresie napięć. Co gorsza, dysproporcje z czasem rosną.