كثيرًا ما يُختصر بنك بطاريات UPS في عملية قسمة واحدة: الحمل بالواط، والبطارية بالأمبير-ساعة، والناتج بالساعات. والنتيجة عادةً متفائلة أكثر من اللازم. فالبطارية لا تقدّم سعتها الكاملة وفق معدل 20 ساعة عند التيار العالي، وكفاءة العاكس ليست 100%، وعمق التفريغ المتاح ليس 100%.
تشرح هذه المقالة طريقة الحساب الصحيحة، والكيمياءين السائدتين، وطرائق التحقق الميداني التي تُبقي زمن التشغيل موثوقًا.
كما أن بنك البطاريات هو الجزء الوحيد في UPS الذي يتقادم باستمرار. فزمن التشغيل الذي كان مطابقًا للمواصفات عند بدء التشغيل يتبدّل عامًا بعد عام مع درجة الحرارة وعدد الدورات وتجانس الخلايا. لذلك لا يعدو الحساب أن يكون خطوة أولى؛ إذ ينبغي عند اختيار البطاريات أن يُؤخذ في الحسبان هامش التقادم والتحقق الميداني معًا.
لماذا لا يُحسب زمن التشغيل بقسمة Ah مباشرةً؟
تُعاير سعة البطارية الاسمية بـ Ah عادةً وفق معدل تفريغ 20 ساعة. فبطارية 100 Ah قادرة على التفريغ عند 5 A لمدة 20 ساعة؛ لكنها عند التفريغ عند 100 A لن تصمد لمدة 1 ساعة. فالمقاومة الداخلية والديناميكا الكهروكيميائية تُخفّضان السعة المتاحة، وكلما ارتفع التيار انخفضت السعة الفعلية.
ويضيف العاكس طبقة أخرى من الفقد: فكفاءة 0.85 تعني أن 15% من طاقة التيار المستمر تُفقد قبل وصولها إلى الحمل. وعمق التفريغ هو القيد الثالث: فبنك VRLA يُحدّ عادةً عند عمق تفريغ 50–60% للموازنة مع عمر الدورات، بينما يمكن استخدام وحدات LiFePO4 حتى 80–90%.
الطريقة الصحيحة هي الرجوع إلى جدول التفريغ الذي يقدّمه مصنع البطارية عند جهد القطع والتيار المتوقعين. فالمعادلة تعطي نقطة البداية، والجدول يعطي زمن التشغيل.
وفي السلسلة الواحدة، يخفض عدم تجانس حالة الخلايا أداء المجموعة كلها: فالخلية الضعيفة تبلغ الحد الأعلى أولًا أثناء الشحن، ثم تبلغ الحد الأدنى أولًا أثناء التفريغ، وتُحدَّد السعة المتاحة للمجموعة بأكملها بأضعف خلية فيها. ويُضخّم خلط البطاريات الجديدة بالقديمة هذا التفاوت، لذا ينبغي استخدام بطاريات من الطراز نفسه والدفعة نفسها داخل السلسلة الواحدة.
كيف تُحسب سعة بنك البطاريات؟
استخدم المعادلة المبسّطة:
Ah = kW × 1,000 × الساعات ÷ (جهد ناقل التيار المستمر × كفاءة العاكس × عمق التفريغ المتاح)
لحمل 7.2 kW لمدة 1 ساعة، وناقل 192 VDC، وكفاءة 0.85، وعمق تفريغ 0.6، يكون الناتج نحو 73.5 Ah. وتوفّر سلسلة من 16 بطارية 12 V 100 Ah بسعة اسمية 100 Ah، فتغطي الهدف بهامش بسيط. وعند مدة 2 ساعة تتضاعف السعة المطلوبة إلى نحو 147 Ah، وهو ما يستلزم سلسلتين.
| الحمل | زمن التشغيل | ناقل التيار المستمر | Ah المقدّرة | سلاسل 12 V 100 Ah |
|---|---|---|---|---|
| 3 kW | 30 min | 72 V | 35 Ah | 1 (6 خلايا) |
| 3 kW | 1 h | 72 V | 69 Ah | 1 (6 خلايا) |
| 7.2 kW | 30 min | 192 V | 37 Ah | 1 (16 خلية) |
| 7.2 kW | 1 h | 192 V | 74 Ah | 1 (16 خلية) |
| 7.2 kW | 2 h | 192 V | 147 Ah | 2 (32 خلية) |
| 14.4 kW | 1 h | 192 V | 147 Ah | 2 (32 خلية) |
| 36 kW | 1 h | 384 V | 184 Ah | 2 (64 خلية) |
عدد الخلايا محسوب على أساس بطاريات 100 Ah. فإذا كانت سعة الخلية أصغر لزم المزيد من السلاسل المتوازية، وإن كانت أكبر لزم عدد أقل. ولا تتجاوز عدد السلاسل المتوازية الذي يوصي به المصنع.
أين يظهر الفرق الفعلي في زمن التشغيل بين VRLA وLiFePO4؟
تُصمّم بنوك VRLA عادةً على عمق تفريغ متاح 50–60%. أما وحدات LiFePO4 فيمكن استخدامها حتى 80–90%، لذلك تعطي الطاقة الاسمية نفسها زمن تشغيل أطول. كما أن منحنى تفريغ LiFePO4 أكثر استواءً، فيرى العاكس جهدًا مستمرًا أكثر ثباتًا على مدى عملية التفريغ.
التكلفة الأولية لـ LiFePO4 أعلى، لكن الطاقة المتاحة لكل kWh وعمر الدورات والوزن أفضل. ففي غرفة ضيقة المساحة وزمن تشغيل 2 ساعة، قد يكون بنك الليثيوم أصغر وأخف من بنك الرصاص الحمضي؛ وفي غرفة باردة مع اجتياز انقطاع 5 دقائق، يكون VRLA عادةً الخيار الأقل تكلفة.
ويتضخم الفرق في عمر الدورات سريعًا في التطبيقات ذات الشحن والتفريغ اليومي؛ أما إذا كانت البطارية لا تُفرّغ إلا بضع مرات في السنة، فغالبًا تكون التكلفة الأولية وتوافق الشاحن أهم من عدد الدورات.
| البند | VRLA | LiFePO4 |
|---|---|---|
| عمق التفريغ المتاح | 50–60% | 80–90% |
| عمر الدورات | 300–600 دورة عند DOD 50% | 6,000 دورة عند DOD 80% |
| الوزن | ثقيل | نحو الثلث |
| المساحة | أكبر | أصغر |
| الشاحن | منحنى الرصاص الحمضي | منحنى الليثيوم + BMS |
| الحساسية لدرجة الحرارة | عالية | متوسطة |
| التكلفة الأولية | أقل لكل kWh | أعلى لكل kWh |
كيف تغيّر درجة الحرارة زمن التشغيل؟
تُخفّض درجات الحرارة المنخفضة السعة المتاحة للبطارية، فيما تقصّر الحرارة المرتفعة عمرها. فبطارية VRLA عند 0 °C قد لا تقدّم سوى 80–85% من سعتها عند 25 °C؛ وعند 40 °C قد تكون السعة أكبر، لكن العمر يقصر بشكل واضح. ونطاق عمل LiFePO4 أوسع، لكن بلوغ عمر الدورات الاسمي يظل يتطلب غرفة بدرجة حرارة مضبوطة.
ينبغي إبقاء غرفة بطاريات VRLA عند 20–25 °C. وكل ارتفاع قدره 10 °C فوق 25 °C يخفض العمر التصميمي إلى النصف تقريبًا. فالبطارية التي «ما زالت تعمل» عند 35 °C قد تتلف في السنة 3 بدلًا من السنة 8.
ويختلف اتجاه تأثير الحرارة المنخفضة عن المرتفعة: فالأولى تقلّل الطاقة التي يمكن تفريغها في اللحظة الراهنة، والثانية قد ترفع السعة على المدى القصير لكنها تقايض ذلك بالعمر. وعند تجهيز بنك البطاريات ينبغي التصحيح وفق أسوأ درجة حرارة في الموقع، لا وفق القيمة المثالية 25 °C.
متى ينبغي اختيار وحدات الليثيوم؟
اختر LiFePO4 عندما تكون مدة الاحتياط طويلة، أو الغرفة صغيرة، أو عدد الدورات مرتفعًا، أو الوزن عاملًا حساسًا. فوحدة 51.2 V 100 Ah تخزن نحو 5.12 kWh وتزن نحو 45 kg؛ بينما يكون بنك الرصاص الحمضي المكافئ أثقل وأكبر بكثير. وفي غرف الحاسبات على الأسطح أو في الطوابق العليا، يكفي فرق الوزن لحسم المخطط.
لكن لا تستخدم بطاريات الليثيوم إذا كان الشاحن غير متوافق. فشاحن الرصاص الحمضي قد يبقي جهد الناقل عند مستوى لا تتحمله بطارية الليثيوم، وقد لا يوفّر منحنى الشحن الصحيح. كما يحتاج نظام BMS إلى الاتصال بـ UPS لتحقيق الحماية الكاملة.
| التطبيق | الكيمياء الموصى بها | السبب |
|---|---|---|
| اجتياز انقطاع 5–15 min | VRLA | تكلفة منخفضة وشاحن بسيط |
| غرفة حاسبات 1–2 h | VRLA أو LiFePO4 | مقارنة المساحة والتكلفة على مدى دورة الحياة |
| موقع بعيد 4–8 h | LiFePO4 | الطاقة المتاحة والوزن |
| دورات يومية / طاقة شمسية | LiFePO4 | عمر الدورات |
| غرفة مرتفعة الحرارة | LiFePO4 أو VRLA مع تبريد | تحمّل الحرارة |
كيف يُتحقق من زمن التشغيل بعد التركيب؟
أجرِ اختبار تفريغ للبطارية تحت الحمل التصميمي، وقس الزمن حتى الوصول إلى جهد نهاية التفريغ. وسجّل درجة حرارة البطارية وجهد المجموعة كاملة وأضعف خلية فيها. فحتى عندما يُبلغ UPS أن «البطارية سليمة»، فقد تتعطل عند وضع الحمل الفعلي.
وينبغي أن يُجرى الاختبار عند الحمل التصميمي وأن يستمر حتى جهد القطع، بحيث تظهر أضعف خلية أولًا. فالاختبار القصير تحت حمل خفيف لا يثبت زمن التشغيل الحقيقي.
اختبر كل 12–24 شهرًا، وكذلك بعد أي تفريغ عميق أو استبدال للبطاريات. وإذا كان زمن التشغيل أقل من متطلبات الموقع، فاستبدل بنك البطاريات أو زد السعة. لا تنتظر انقطاعًا فعليًا لتكتشف أن البطاريات قد ضعفت.
قائمة تحقق البطاريات
- حوّل kW إلى Ah باستخدام جهد ناقل التيار المستمر والكفاءة وعمق التفريغ المتاح.
- راجع جدول التفريغ بالمعدلات العالية، ولا تعتمد على القيمة الاسمية وفق معدل 20 ساعة.
- أبقِ غرفة البطاريات عند 20–25 °C.
- تحقق من تيار الشحن والحد الأقصى لسعة البطارية.
- لا تخلط بطاريات جديدة وقديمة في السلسلة نفسها.
- استخدم LiFePO4 فقط عندما يكون الشاحن ونظام BMS متوافقين.
- اختبر زمن التشغيل تحت الحمل التصميمي كل 12–24 شهرًا.
البطارية هي الجزء الذي يحدد مدة الاحتياط في UPS، وتستحق من الجهد الهندسي ما يستحقه جهاز UPS نفسه، لا أن تكون سطرًا يُضاف على عجل في آخر الطلب.
