Bộ ắc quy của UPS thường được tính bằng một phép chia đơn giản: tải tính bằng watt, ắc quy tính bằng ampe-giờ và kết quả tính bằng giờ. Kết quả thu được thường lạc quan hơn thực tế. Ắc quy không cung cấp đủ dung lượng danh định ở mức 20 giờ khi dòng điện cao, bộ nghịch lưu không có hiệu suất 100% và độ sâu xả khả dụng cũng không phải 100%.
Bài viết này giải thích phương pháp tính đúng, hai hóa học ắc quy phổ biến nhất và các phương pháp kiểm tra tại hiện trường để giữ thời gian lưu điện trong giới hạn đáng tin cậy.
Bộ ắc quy cũng là bộ phận duy nhất của UPS lão hóa liên tục. Thời gian lưu điện đáp ứng yêu cầu tại thời điểm đưa vào vận hành sẽ thay đổi theo từng năm tùy theo nhiệt độ, số chu kỳ và độ đồng đều của các cell. Vì vậy, tính toán chỉ là bước đầu tiên: khi lựa chọn hệ thống cần xét cả biên dự phòng cho lão hóa và việc kiểm tra tại hiện trường.
Vì sao không thể tính thời gian lưu điện bằng cách chia số Ah?
Dung lượng danh định tính bằng Ah của ắc quy thường được công bố tại tốc độ xả 20 giờ. Một ắc quy 100 Ah có thể cung cấp 5 A trong 20 giờ; tuy nhiên, khi xả ở 100 A, ắc quy không trụ được 1 giờ. Cả điện trở trong lẫn động học điện hóa đều làm giảm dung lượng khả dụng: dòng điện càng lớn, dung lượng thực tế càng nhỏ.
Bộ nghịch lưu tạo thêm một lớp tổn thất. Hiệu suất 0.85 nghĩa là 15% năng lượng DC bị mất trước khi đến tải. Độ sâu xả là giới hạn thứ ba: bộ VRLA thường được giới hạn ở độ sâu xả 50–60% để duy trì tuổi thọ chu kỳ hợp lý; module LiFePO4 có thể sử dụng 80–90%.
Cách làm đúng là tra bảng xả của nhà sản xuất ắc quy theo điện áp kết thúc và dòng điện dự kiến. Công thức cho điểm khởi đầu; bảng xả cho thời gian lưu điện thực tế.
Ngay trong cùng một chuỗi ắc quy, sự thiếu đồng đều giữa các cell cũng làm suy giảm hiệu năng của cả bộ: khi nạp, cell yếu đạt giới hạn trên trước; khi xả, cell yếu đạt giới hạn dưới trước; dung lượng khả dụng của cả chuỗi bị quyết định bởi cell yếu nhất. Trộn ắc quy mới và cũ làm tăng thêm sự chênh lệch này, vì vậy trong cùng một chuỗi phải dùng ắc quy cùng model và cùng lô.
Cách tính dung lượng bộ ắc quy?
Áp dụng công thức rút gọn:
Ah = kW × 1,000 × giờ ÷ (điện áp bus DC × hiệu suất bộ nghịch lưu × độ sâu xả khả dụng)
Với tải 7.2 kW, 1 giờ, bus 192 VDC, hiệu suất 0.85 và độ sâu xả 0.6, kết quả khoảng 73.5 Ah. Một chuỗi gồm 16 ắc quy 12 V 100 Ah, với 100 Ah danh định, đáp ứng mục tiêu với biên dự phòng nhỏ. Với 2 giờ, số Ah cần thiết tăng gấp đôi lên khoảng 147 Ah, do đó cần hai chuỗi.
| Tải | Thời gian lưu điện | Bus DC | Ah ước tính | Chuỗi 12 V 100 Ah |
|---|---|---|---|---|
| 3 kW | 30 min | 72 V | 35 Ah | 1 (6 bộ) |
| 3 kW | 1 h | 72 V | 69 Ah | 1 (6 bộ) |
| 7.2 kW | 30 min | 192 V | 37 Ah | 1 (16 bộ) |
| 7.2 kW | 1 h | 192 V | 74 Ah | 1 (16 bộ) |
| 7.2 kW | 2 h | 192 V | 147 Ah | 2 (32 bộ) |
| 14.4 kW | 1 h | 192 V | 147 Ah | 2 (32 bộ) |
| 36 kW | 1 h | 384 V | 184 Ah | 2 (64 bộ) |
Số bộ được tính với ắc quy 100 Ah. Ắc quy có dung lượng nhỏ hơn đòi hỏi nhiều chuỗi song song hơn; ắc quy có dung lượng lớn hơn cần ít chuỗi hơn. Không vượt quá số chuỗi song song mà nhà sản xuất khuyến nghị.
Đâu là khác biệt thực sự về thời gian lưu điện giữa VRLA và LiFePO4?
Bộ VRLA thường được thiết kế với độ sâu xả khả dụng 50–60%. Module LiFePO4 có thể dùng 80–90%, nhờ đó cùng một mức năng lượng danh định mang lại thời gian lưu điện dài hơn. Đường cong xả của LiFePO4 phẳng hơn, nên bộ nghịch lưu thấy điện áp DC ổn định hơn trong suốt quá trình xả.
Chi phí ban đầu của LiFePO4 cao hơn, nhưng năng lượng khả dụng trên mỗi kWh, tuổi thọ chu kỳ và trọng lượng đều tốt hơn. Với thời gian lưu điện 2 giờ trong một phòng có diện tích hạn chế, bộ ắc quy lithium có thể nhỏ và nhẹ hơn bộ chì-axit; với nhu cầu ride-through 5 phút trong phòng mát, VRLA thường là lựa chọn có chi phí thấp nhất.
Khác biệt về tuổi thọ chu kỳ tăng nhanh trong các kịch bản nạp xả hằng ngày; nếu ắc quy chỉ xả vài lần mỗi năm thì chi phí ban đầu và khả năng tương thích của bộ sạc thường quan trọng hơn số chu kỳ.
| Tiêu chí | VRLA | LiFePO4 |
|---|---|---|
| Độ sâu xả khả dụng | 50–60% | 80–90% |
| Tuổi thọ chu kỳ | 300–600 chu kỳ ở 50% DOD | 6,000 chu kỳ ở 80% DOD |
| Trọng lượng | Cao | Khoảng một phần ba |
| Diện tích chiếm chỗ | Lớn hơn | Nhỏ hơn |
| Bộ sạc | Đường cong chì-axit | Đường cong lithium + BMS |
| Độ nhạy với nhiệt độ | Cao | Trung bình |
| Chi phí ban đầu | Thấp hơn mỗi kWh | Cao hơn mỗi kWh |
Nhiệt độ ảnh hưởng đến thời gian lưu điện như thế nào?
Nhiệt độ thấp làm giảm dung lượng khả dụng của ắc quy, trong khi nhiệt độ cao làm giảm tuổi thọ của ắc quy. Một ắc quy VRLA ở 0 °C có thể chỉ cung cấp 80–85% dung lượng so với ở 25 °C; ở 40 °C dung lượng có thể cao hơn nhưng tuổi thọ giảm đáng kể. LiFePO4 có dải làm việc rộng hơn, nhưng để đạt tuổi thọ chu kỳ danh định vẫn cần phòng có kiểm soát nhiệt độ.
Phòng ắc quy VRLA phải được duy trì trong khoảng 20–25 °C. Cứ mỗi 10 °C vượt trên 25 °C, tuổi thọ thiết kế giảm khoảng một nửa. Một ắc quy vẫn “hoạt động bình thường” ở 35 °C có thể hỏng vào năm thứ 3 thay vì năm thứ 8.
Tác động của nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao diễn ra theo hai hướng khác nhau: nhiệt độ thấp làm giảm năng lượng có thể cung cấp tại thời điểm đó; nhiệt độ cao có thể làm tăng dung lượng ngắn hạn nhưng đổi lại là tuổi thọ. Khi thiết kế bộ ắc quy, cần hiệu chỉnh theo nhiệt độ bất lợi nhất của địa điểm, không theo giá trị lý tưởng 25 °C.
Khi nào nên chọn module lithium?
Chọn LiFePO4 khi thời gian lưu điện dài, phòng nhỏ, số chu kỳ lớn hoặc trọng lượng là yếu tố quan trọng. Một module 51.2 V 100 Ah lưu trữ khoảng 5.12 kWh và nặng khoảng 45 kg; một bộ chì-axit tương đương nặng và cồng kềnh hơn nhiều. Trong một phòng trên sân thượng hoặc ở các tầng cao, chênh lệch trọng lượng có thể quyết định thiết kế.
Tuy nhiên, không nên dùng ắc quy lithium nếu bộ sạc không tương thích. Bộ sạc chì-axit có thể giữ điện áp bus ở mức mà các cell lithium không chịu được, hoặc có thể không cung cấp đường cong nạp phù hợp. Ngoài ra, BMS phải giao tiếp với UPS để đạt bảo vệ toàn diện.
| Ứng dụng | Hóa học khuyến nghị | Lý do |
|---|---|---|
| Ride-through 5–15 min | VRLA | Chi phí thấp hơn, bộ sạc đơn giản |
| Phòng máy chủ 1–2 h | VRLA hoặc LiFePO4 | So sánh không gian và vòng đời |
| Địa điểm xa 4–8 h | LiFePO4 | Năng lượng khả dụng và trọng lượng |
| Chu kỳ hằng ngày / mặt trời | LiFePO4 | Tuổi thọ chu kỳ |
| Phòng nóng | LiFePO4 hoặc VRLA có làm mát | Khả năng chịu nhiệt |
Cách kiểm tra thời gian lưu điện sau khi lắp đặt?
Thực hiện phép thử xả có tải ở mức tải thiết kế và đo thời gian cho đến khi đạt điện áp kết thúc xả. Ghi lại nhiệt độ ắc quy, điện áp chuỗi và ắc quy yếu nhất. Một UPS báo “ắc quy bình thường” vẫn có thể hỏng khi có tải.
Phép thử phải được thực hiện với tải thiết kế và kéo dài đến điện áp kết thúc, để ắc quy yếu nhất bộc lộ ra. Một phép thử ngắn với tải nhẹ không chứng minh được thời gian lưu điện thực tế.
Kiểm tra mỗi 12–24 tháng, và cả sau một lần xả sâu hoặc sau khi thay ắc quy. Nếu thời gian lưu điện giảm xuống dưới yêu cầu của địa điểm, hãy thay bộ ắc quy hoặc tăng dung lượng. Đừng chờ đến khi mất điện thực sự mới phát hiện ắc quy đã suy yếu.
Danh sách kiểm tra ắc quy
- Chuyển đổi kW sang Ah bằng điện áp bus DC, hiệu suất và độ sâu xả khả dụng.
- Tra bảng xả tốc độ cao; không dựa vào giá trị danh định ở 20 giờ.
- Giữ phòng ắc quy ở 20–25 °C.
- Xác nhận dòng nạp và dung lượng ắc quy tối đa.
- Không trộn ắc quy mới và cũ trong cùng một chuỗi.
- Chỉ dùng LiFePO4 khi bộ sạc và BMS tương thích.
- Kiểm tra thời gian lưu điện với tải thiết kế mỗi 12–24 tháng.
Ắc quy là bộ phận của UPS quyết định thời gian lưu điện và xứng đáng nhận được sự quan tâm kỹ thuật như chính thiết bị, chứ không phải một dòng bổ sung vào phút cuối của đơn hàng.
