Moc i obciążenie akumulatorów w UPS

System zasilania gwarantowanego, aby móc dostarczać energię w wypadku braku napięcia w sieci elektroenergetycznej, musi ją pobierać z akumulatora. W związku z tym, iż napięcie na akumulatorze zmniejsza się w trakcie jego rozładowywania, wartość prądu z niego pobierana musi odpowiednio wzrastać, tak aby utrzymać stały poziom energii dla odbiorników podłączonych do wyjścia zasilacza UPS.

Znając charakterystykę procesu rozładowania akumulatora oraz moc czynną (wyrażoną w watach) zabezpieczanego systemu informatycznego można określić czas autonomii zasilania podczas pracy z baterii. Do oszacowania czasu podtrzymania konieczna jest również znajomość napięcia znamionowego oraz sprawności falownika.

Zobacz również:

• iPhone 15 z baterią odporniejszą na zużycie

Żywotność baterii

Istotnym parametrem eksploatacyjnym dotyczącym baterii jest prognozowana żywotność. W wypadku standardowych baterii kwasowych wynosi ona 3–5 lat, a te o podwyższonej żywotności charakteryzują się 10-letnią żywotnością. Mimo, iż w zasilaczu UPS pozostaje ciągle pod napięciem utrzymującym go w stanie ciągłej gotowości, każdy akumulator ulega procesem starzeniowym. Zachodzące w sposób ciągły procesy erozji płyt i wysychania elektrolitu w wyniku ciągłego przeładowywania powodują zmniejszenie się pojemności elektrycznej niezależnie od typu akumulatora.

Aby zapewnić uzyskanie prognozowanej żywotności należy pamiętać o zachowaniu optymalnych warunków pracy, takich jak właściwe ładowanie i warunki środowiskowe (głównie temperatura). W szczególności należy pamiętać, iż zwiększenie temperatury otoczenia powyżej 25 o C wpływa bardzo niekorzystnie na żywotność akumulatorów.

Jeśli chodzi o właściwe ładowanie to jest ono oczywiście zapewnione przez zasilacz UPS, który powinien być odpowiednio skonfigurowany w zależności od współpracującego zestawu baterii. Zasilacz powinien także zapewniać prąd ładowania o niskich tętnieniach oraz być wyposażony w temperaturową korekcję napięcia ładowania.

Obecnie większość typów UPS ma możliwość wykonania testu pracy z baterii tzn. przełączenia zasilacza na tryb pracy z akumulatorów podczas dostępnego zasilania z sieci energetycznej. Jest to funkcja niezwykle przydatna, gdyż pozwala na określenie czasu autonomii, co jest równoznaczne z przybliżoną oceną stanu baterii. Wykonywanie takiego okresowego testu (średnio raz na pół roku) zwiększa żywotność baterii, gdyż akumulator w zasilaczu UPS pracuje tylko w czasie braku napięcia, które występuje stosunkowo rzadko.

Ważne dla wszystkich typów akumulatorów jest unikanie przeładowania, gdyż elektrolit znajdujący się w baterii ma określoną zdolność magazynowania ładunku a jego przekroczenie może spowodować nieodwracalny proces erozji akumulatora. Gdy nie korzystamy z ogniw elektrochemicznych przez dłuższy okres należy je co pewien czas doładowywać, ponieważ ulegają one powolnemu rozładowaniu. Tego typu postępowanie pozwala na zachowanie określonej przez producenta żywotności.

Z kolei w przypadku przechowywania baterii litowych przez dłuższy okres to, żeby zapewnić utrzymanie ich projektowanego poziomu żywotności należy je przechowywać przy poziomie naładowania wynoszącym około 40%.

Należy również pamiętać o nie przekraczaniu dopuszczalnego prądu rozładowania, gdyż podobnie jak zwarcie może być ono przyczyną zapłonu akumulatora.

Superkondensatory

Superkondensator (zwany też ultrakondensatorem) jest rodzajem kondensatora, który – z uwagi na sposób konstrukcji – wykazuje znacznie większą pojemność elektryczną w porównaniu do klasycznych kondensatorów elektrolitycznych. Superkondensatory różnią się budową zarówno od ogniw chemicznych jak i typowych kondensatorów.

W superkondensatorach nie ma typowego materiału dielektrycznego, jego rolę pełnią obszary styku przewodzących elektrod z przewodzącym elektrolitem. Po przyłożeniu napięcia w przewodzącym elektrolicie poruszają się jony, które jednak ze względu na niską wartość napięcia nie są w stanie przedostać się do elektrody lecz pod wpływem pola elektrycznego gromadzą się wokół niej. Na granicy elektrod i elektrolitu tworzą się dwie warstwy podobnie jak w naładowanym kondensatorze, w którym energia nie jest zmagazynowana w atomach dielektryka lecz w przemieszczonych jonach. Ze względu na to, iż powstały obszar styku pomiędzy jonami a elektrodami jest nieprzewodzący i niezmiernie cienki, uzyskuje się wysoką pojemność.

Główną zaletą superkondensatorów jest bardzo krótki czas ładownia w porównaniu z ogniwami elektrochemicznymi. Superkondensatory charakteryzują się także dużą trwałością wynoszącą ok. 10 lat oraz wysoką liczbą cykli ładowania/rozładowania wynoszącą ok. 500 000. Są też znacznie bardziej przyjazne dla środowiska. Dlatego też dzięki ultrakondensatorom można uzyskać bardziej niezawodne bezobsługowe rozwiązania np. w systemach UPS, które dodatkowo charakteryzują się zdecydowanie dłuższą żywotnością.

Inną ważną ich przewagą w stosunku do ogniw elektrochemicznych jest możliwość pracy w szerokim zakresie temperaturowym również w zakresie niskich temperatur. Ultrakondensatory są już stosowane z powodzeniem w systemach teleinformatycznych w aplikacjach mobilnych. Niektóre są montowane wprost na płytkach drukowanych i służą do podtrzymywania napięcia w urządzeniach teleinformatycznych podczas awarii zasilania. Ultrakondensatory są również wykorzystywane jako zamiennik baterii akumulatorów w zasilaczach UPS, w sytuacji np. konieczności pracy w niskich lub wysoki temperaturach.

Zbudowanie zasilacza UPS w oparciu o superkondensatory wymaga rozwiązania wielu problemów, które nie występują w zasilaczach wykorzystujących klasyczne ogniwa chemiczne. Zasilacz UPS musi bowiem monitorować temperaturę oraz zgłaszane przez elektronikę superkondensatora sygnały alarmowe i odpowiednio na nie reagować. Ze względu na wciąż duże ceny ultrakondesatorów systemy zasilania gwarantowanego zbudowane w oparciu o nie, stosuje się głównie w aplikacjach dla których nie ma wymogów dotyczących długiego czasu autonomii (do kilkunastu minut). Takie rozwiązania mają często zastosowanie w przypadku współpracy zasilacza UPS z agregatem zapewniając czas autonomii niezbędny do rozruchu agregatu prądotwórczego.