Оптимизация аккумуляторных батарей для источников бесперебойного питания (на основе разработок серии SWL компании YUASA Corp.)

При использовании аккумуляторных батарей в составе ИБП основным критерием оценки качества их работы является способность аккумулятора отдавать максимум накопленной энергии за короткий промежуток времени (высокие разрядные характеристики или высокая интенсивность разряда).

В настоящее время существует два взаимосвязанных способа улучшения разрядных характеристик: минимизация внутреннего сопротивления батареи и увеличение скорости переноса активного вещества при разряде. Что же влияет на внутреннее сопротивление и скорость переноса? Это электролит в сепараторе, сетка электрода, активная масса электрода и качество соединения пластин и элементов. Для минимизации сопротивления электролита в сепараторе служит уменьшение расстояния между пластинами, увеличение числа пластин и уменьшение плотности электролита. На рисунке 1 представлена схема стандартного элемента АКБ, изготовленного по технологии AGM, а на рисунке 2 схема оптимизированного элемента.

Схема стандартного элемента АКБ, изготовленного по технологии AGM
Рисунок 1. Схема стандартного элемента АКБ, изготовленного по технологии AGM.

Схема оптимизированного элемента
Рисунок 2. Схема оптимизированного элемента.

Так же для увеличения переноса активной массы помимо уменьшения расстояния между пластинами и увеличения их числа, плотность электролита следует увеличивать. Но увеличение плотности электролита приводит к ускорению коррозионных процессов в аккумуляторе и снижению срока его службы. Поэтому плотность электролита подбирается оптимальным образом, чтобы не ухудшать ни тот, ни другой параметр:

Плотность электролита

Хотя некоторые производители идут именно по пути улучшения разрядных характеристик за счет увеличения плотности электролита в ущерб срокам службы. На рисунке 3 показано как меняется внутреннее сопротивление на коротких временах разряда у стандартного и оптимизированного аккумуляторов. Что же дает уменьшение внутреннего сопротивления АКБ? Прежде всего – уменьшение потерь энергии (см. рисунок 4).

Изменение внутреннего сопротивления на коротких временах разряда у стандартного и оптимизированного аккумуляторов
Рисунок 3. Изменение внутреннего сопротивления на коротких временах разряда у стандартного и оптимизированного аккумуляторов.

Уменьшение потерь энергии
Рисунок 4. Уменьшение потерь энергии.

На рисунках 5, 6 и 7 даны сравнительные характеристики разряда постоянной мощностью Ватт/элемент до конечного напряжения 1,6 Вольт/элемент для стандартных (серия NPL) и оптимизированных (серия SWL) аккумуляторов производства компании YUASA.

Сравнительные характеристики разряда постоянной мощностью Ватт/элемент до конечного напряжения 1,6 Вольт/элемент для стандартных (серия NPL) и оптимизированных (серия SWL) аккумуляторов производства компании YUASA
Рисунок 5. Сравнительные характеристики разряда постоянной мощностью Ватт/элемент до конечного напряжения 1,6 Вольт/элемент для стандартных (серия NPL) и оптимизированных (серия SWL) аккумуляторов производства компании YUASA.

Сравнительные характеристики разряда постоянной мощностью Ватт/элемент до конечного напряжения 1,6 Вольт/элемент для стандартных (серия NPL) и оптимизированных (серия SWL) аккумуляторов производства компании YUASA
Рисунок 6. Сравнительные характеристики разряда постоянной мощностью Ватт/элемент до конечного напряжения 1,6 Вольт/элемент для стандартных (серия NPL) и оптимизированных (серия SWL) аккумуляторов производства компании YUASA.

Сравнительные характеристики разряда постоянной мощностью Ватт/элемент до конечного напряжения 1,6 Вольт/элемент для стандартных (серия NPL) и оптимизированных (серия SWL) аккумуляторов производства компании YUASA
Рисунок 7. Сравнительные характеристики разряда постоянной мощностью Ватт/элемент до конечного напряжения 1,6 Вольт/элемент для стандартных (серия NPL) и оптимизированных (серия SWL) аккумуляторов производства компании YUASA.

Из графиков видно, что преимущество оптимизированных аккумуляторов актуально только на коротких временах и при большой интенсивности разряда. При времени разряда более 30-40 минут показатели сравниваются и преимущество теряется за счет более высокой стоимости оптимизированных аккумуляторов. Но на коротких временах себестоимость отдаваемой энергии по сравнению со стандартными аккумуляторами ниже на 20-25 %, что особенно заметно при использовании в ИБП/UPS большой мощности. Чем больше мощность ИБП/UPS и меньше время поддержки, тем существеннее экономия.

На стабильность достигнутых в процессе оптимизации характеристик очень большое влияние оказывает качество соединения элементов аккумуляторной батареи. Плотная «упаковка» пластин не допускает каких-либо отклонений от технологии сборки. Для этого на предприятиях, лидерах отрасли, сборка и соединение элементов осуществляется в автоматическом режиме, чтобы минимизировать влияние человеческого фактора. И особенно жесткие требования при производстве аккумуляторов такого качества предъявляются к составу материалов и соблюдению технологии изготовления сетки электрода и активной массы.

На рисунках 5, 6 и 7 даны сравнительные характеристики разряда постоянной мощностью Ватт/элемент до конечного напряжения 1,6 Вольт/элемент для стандартных (серия NPL) и оптимизированных (серия SWL) аккумуляторов производства компании YUASA.

На рисунке 8 показана диаграмма потока при производстве батарей серии SWL. На диаграмме представлены основные этапы производства и отмечены процессы и компоненты, которые претерпели изменения в процессе оптимизации. Для аккумуляторов, оптимизированных для ИБП/UPS, применяется и новый формат описания, отличный от стандартных VRLA-батарей. Описание стандартных VRLA-батарей представляется, как разряд постоянным током в течение 10 часов, а описание оптимизированных батарей SWL-серии, как разряд постоянной мощностью в течение 10 минут.

Основные выводы:

  • при 10 минутном разряде достигнуто увеличение отдаваемой мощности на 25-40%;
  • снижение себестоимости отдаваемой энергии;
  • улучшенное исполнение не приводит к снижению срока службы в качестве батареи для ИБП/UPS.

Диаграмма потока при производстве батарей серии SWL
Рисунок 8. Диаграмма потока при производстве батарей серии SWL.

Баталов Денис

(по материалам компании «YUASA»)

Вернуться к списку статей