Батарейный банк ИБП часто рассчитывают простым делением: нагрузка в ваттах, батарея в ампер-часах, результат в часах. Результат при этом обычно получается оптимистичным. При высоком токе батареи не отдают полную 20-часовую ёмкость, КПД инвертора не равен 100%, а полезная глубина разряда также не составляет 100%.
В этой статье рассматриваются правильный метод расчёта, две доминирующие химии аккумуляторов и методы проверки на объекте, которые позволяют удерживать время автономной работы в реалистичных пределах.
Батарейный банк — также единственный компонент ИБП, который непрерывно стареет. Автономность, соответствовавшая требованиям на момент пусконаладки, будет меняться год за годом в зависимости от температуры, числа циклов и однородности элементов. Поэтому расчёт — лишь первый шаг: при выборе системы нужно также учитывать запас на старение и проверку на объекте.
Почему автономность нельзя рассчитывать делением Ah?
Номинальная ёмкость аккумулятора в Ah обычно указывается при 20-часовой скорости разряда. Батарея на 100 Ah может отдавать 5 A в течение 20 часов; однако при разряде током 100 A она не продержится 1 час. И внутреннее сопротивление, и электрохимическая кинетика снижают доступную ёмкость: чем выше ток, тем меньше эффективная ёмкость.
Инвертор добавляет ещё один слой потерь. КПД 0.85 означает, что 15% энергии постоянного тока теряется до того, как она дойдёт до нагрузки. Третье ограничение — глубина разряда: для батарейного банка VRLA обычно принимают 50–60% глубины разряда, чтобы сохранить приемлемый циклический ресурс; модуль LiFePO4 может использовать 80–90%.
Правильный метод — обратиться к таблице разряда производителя аккумулятора для ожидаемых конечного напряжения и тока. Формула даёт отправную точку; таблица — фактическую автономность.
Внутри одной цепи аккумуляторов неоднородность элементов также ухудшает характеристики всего набора: при заряде слабый элемент раньше достигает верхнего предела, а при разряде — раньше нижнего; полезная ёмкость всей цепи определяется самым слабым элементом. Смешивание новых и старых батарей усиливает этот разброс, поэтому в одной цепи следует использовать батареи одной модели и одной партии.
Как рассчитать ёмкость батарейного банка?
Используйте упрощённую формулу:
Ah = kW × 1,000 × ч ÷ (напряжение шины постоянного тока × КПД инвертора × полезная глубина разряда)
Для нагрузки 7.2 kW, 1 часа, шины 192 VDC, КПД 0.85 и глубины разряда 0.6 результат составляет приблизительно 73.5 Ah. Цепь из 16 батарей 12 V 100 Ah с номиналом 100 Ah покрывает задачу с небольшим запасом. Для 2 часов требуемые Ah удваиваются — примерно до 147 Ah, поэтому нужны две цепи.
| Нагрузка | Автономность | Шина постоянного тока | Расчётные Ah | Цепи 12 V 100 Ah |
|---|---|---|---|---|
| 3 kW | 30 мин | 72 V | 35 Ah | 1 (6 шт.) |
| 3 kW | 1 ч | 72 V | 69 Ah | 1 (6 шт.) |
| 7.2 kW | 30 мин | 192 V | 37 Ah | 1 (16 шт.) |
| 7.2 kW | 1 ч | 192 V | 74 Ah | 1 (16 шт.) |
| 7.2 kW | 2 ч | 192 V | 147 Ah | 2 (32 шт.) |
| 14.4 kW | 1 ч | 192 V | 147 Ah | 2 (32 шт.) |
| 36 kW | 1 ч | 384 V | 184 Ah | 2 (64 шт.) |
Число единиц рассчитано для батарей 100 Ah. Батарея меньшей ёмкости требует большего числа параллельных цепей; большей ёмкости — меньшего. Не превышайте рекомендованное производителем число параллельных цепей.
В чём заключается реальная разница в автономности между VRLA и LiFePO4?
Батарейный банк VRLA обычно проектируют с полезной глубиной разряда 50–60%. Модуль LiFePO4 может использовать 80–90%, поэтому при той же номинальной энергии он обеспечивает большее время автономной работы. Кривая разряда LiFePO4 более плоская, поэтому инвертор видит более стабильное напряжение постоянного тока на протяжении всего разряда.
Начальная стоимость LiFePO4 выше, но удельная полезная энергия на kWh, циклический ресурс и масса у него лучше. Для автономности 2 часа в помещении с ограниченным пространством литиевый банк может быть меньше и легче свинцово-кислотного; для ride-through на 5 минут в прохладном помещении VRLA обычно является вариантом с наименьшими затратами.
Разница в циклическом ресурсе быстро увеличивается в сценариях с ежедневным зарядом и разрядом; если батарея разряжается лишь несколько раз в год, начальная стоимость и совместимость зарядного устройства обычно важнее числа циклов.
| Критерий | VRLA | LiFePO4 |
|---|---|---|
| Полезная глубина разряда | 50–60% | 80–90% |
| Циклический ресурс | 300–600 циклов при 50% DOD | 6,000 циклов при 80% DOD |
| Масса | Высокая | Примерно одна треть |
| Занимаемое пространство | Больше | Меньше |
| Зарядное устройство | Свинцово-кислотная кривая | Литиевая кривая + BMS |
| Чувствительность к температуре | Высокая | Умеренная |
| Начальная стоимость | Ниже на kWh | Выше на kWh |
Как температура влияет на автономность?
Низкие температуры снижают доступную ёмкость батареи, а высокие сокращают срок её службы. Батарея VRLA при 0 °C может отдать лишь 80–85% своей ёмкости при 25 °C; при 40 °C её ёмкость может быть выше, но срок службы заметно сокращается. LiFePO4 имеет более широкий рабочий диапазон, но для достижения номинального циклического ресурса ему всё равно нужно помещение с контролируемой температурой.
Температуру в аккумуляторной комнате VRLA следует поддерживать на уровне 20–25 °C. На каждые 10 °C выше 25 °C расчётный срок службы сокращается примерно вдвое. Батарея, которая «продолжает работать» при 35 °C, может отказать на 3-м году вместо 8-го.
Влияние низких и высоких температур разнонаправлено: первые снижают энергию, которую можно отдать в данный момент; вторые могут кратковременно повысить ёмкость, но за счёт срока службы. При выборе ёмкости батарейного банка нужно вносить поправку на наиболее неблагоприятную температуру на объекте, а не на идеальное значение 25 °C.
Когда стоит выбирать литиевый модуль?
Выбирайте LiFePO4, когда требуется длительное время автономной работы, помещение небольшое, число циклов велико или масса является критическим фактором. Модуль 51.2 V 100 Ah запасает примерно 5.12 kWh и весит около 45 kg; эквивалентный свинцово-кислотный банк значительно тяжелее и объёмнее. В помещении на крыше или на верхних этажах разница в массе может определить проект.
Однако не используйте литиевые батареи, если зарядное устройство несовместимо. Свинцово-кислотное зарядное устройство может поддерживать напряжение шины на уровне, который литиевые элементы не выдерживают, либо не обеспечивать правильную кривую заряда. Кроме того, BMS должен обмениваться данными с ИБП для полной защиты.
| Применение | Рекомендуемая химия | Причина |
|---|---|---|
| Ride-through 5–15 мин | VRLA | Меньшие затраты, простое зарядное устройство |
| Серверная на 1–2 ч | VRLA или LiFePO4 | Сравнить пространство и жизненный цикл |
| Удалённый объект на 4–8 ч | LiFePO4 | Полезная энергия и масса |
| Ежедневное циклирование / солнечная энергетика | LiFePO4 | Циклический ресурс |
| Горячее помещение | LiFePO4 или VRLA с охлаждением | Устойчивость к температуре |
Как проверить автономность после монтажа?
Проведите разрядное испытание под нагрузкой при проектной нагрузке и измерьте время до конечного напряжения разряда. Зафиксируйте температуру батареи, напряжение цепи и самую слабую батарею. ИБП, показывающий «батарея в норме», может отказать под нагрузкой.
Испытание должно проводиться с проектной нагрузкой и длиться до конечного напряжения, чтобы выявить самую слабую батарею. Короткая проверка при лёгкой нагрузке не доказывает реальную автономность.
Проверяйте каждые 12–24 месяца, а также после глубокого разряда или замены аккумуляторов. Если автономность опускается ниже требования объекта, замените батарейный банк или увеличьте ёмкость. Не ждите реального отключения, чтобы обнаружить, что батареи ослабли.
Контрольный список по аккумуляторам
- Переведите kW в Ah с учётом шины постоянного тока, КПД и полезной глубины разряда.
- Обращайтесь к таблице разряда при высокой токовой нагрузке; не полагайтесь на номинал при 20 часах.
- Поддерживайте в аккумуляторной комнате температуру 20–25 °C.
- Подтвердите ток заряда и максимальную ёмкость аккумуляторов.
- Не смешивайте новые и старые батареи в одной цепи.
- Используйте LiFePO4 только при совместимости зарядного устройства и BMS.
- Проверяйте автономность с проектной нагрузкой каждые 12–24 месяца.
Аккумуляторная батарея — компонент ИБП, определяющий автономность, и она заслуживает такого же инженерного внимания, как и само оборудование, а не строки, добавленной в заказ в последний момент.
