Одна из главных проблем АКБ, подключенных в последовательную цепочку. Балансировка массивов АКБ.

Всякое знание имеет цену только тогда, когда оно делает нас более способными к деятельности. Если бы можно было представить себе всеведение без всемогущества, это было бы самой ужасной мукой ада.
Цетвес

Недостаточно только получить знания, надо найти им приложение.
И. Гёте

Любой электрик или энергетик, у которого стояла задача бесперебойного питания объектов, будь то Источники бесперебойного питания (ИБП) или Системы оперативного постоянного тока (СОПТ), сталкивался с цепочками аккумуляторов, подключенных последовательно.

Аккумулятор – это замечательное изобретение человечества. Есть масса литературы и документации о том, как проверить его состояние, как его зарядить и как обслуживать. Но вот совсем мало информации, что происходит с аккумуляторами в цепочках и как правильно обслуживать цепочки аккумуляторов.

Приведу конкретный пример.

Предположим, что у Вас стоит ИБП, с цепочной АКБ 62 шт. Вы замеряете, что в Вашей цепочке присутствуют аккумуляторы, например 5шт., с низким напряжением 11,8 В.

Первая мысль, которая приходит обслуживающему персоналу, они не исправны и их надо заменить.

Набирая телефонный номер фирмы по продаже аккумуляторов, Вы получаете ответ, что цепочку АКБ надо менять полностью – это рекомендации производителей и замена пяти элементов в цепочке приведет к тому, что выйдут из строя остальные, или старые испортят замененные новые.

После данных разъяснений (зависит от уровня доверия к данной фирме с Вашей стороны, и от материального состояния Вашего предприятия) Вы принимаете решение менять все или только пять.

Предположим, что Вы приобрели пять, поставили в цепочку АКБ и наблюдаете одну из Выше перечисленных картин: либо оставшиеся аккумуляторы выходят из строя, либо, что более вероятно, новые.

Что же происходит, и так ли правы фирмы, торгующие аккумуляторами, что менять надо всю цепочку. Забегая заранее вперед скажу: «и да, и нет».

Начнем разбираться.

Все, о чем я буду писать ниже, взято из нашего большого опыта работы с АКБ и, если Ваша точка зрения по какой-то причине не сходится с нашей, не судите строго.

Итак, первый вопрос, который возникает у эксплуатирующей организации, когда выходят из строя 5 АКБ из 62 шт., - «а почему? и почему 5». И, вероятнее всего, останутся виноваты китайцы.

Давайте попытаемся ответить на данный вопрос, и попробуем защитить китайцев.

На основании чего делается заключение, что АКБ не исправны? Вариантов несколько:

1. Самый простой – напряжение на АКБ не соответствует напряжению на других АКБ. Это же аргумент?
2. Более сложный – использовался прибор, типа «Кулон». Он показал, что напряжение на АКБ низкое и емкость не соответствует заявленной. Это тоже аргумент, и куда увесистей.
3. Проводился контрольный разряд всей линейки АКБ. Я уверен, что по всем правилам: сначала заряд всей цепочки, потом контрольный разряд и опять заряд. Это очень весомый аргумент.

Есть еще один прибор – тепловизор (но пока остановимся на этих трех пунктах).

Смею Вас разочаровать, ни один из выше перечисленных способов, не говорит о том, что Ваши АКБ вышли из строя.

Разберем по порядку.

Во-первых:

Когда собирали Вашу линейку АКБ, была произведена поставка аккумуляторов, сделанных на заводе одной партией (это в идеале). То есть сплав свинца, из которого сделаны пластины АКБ, однороден во всех аккумуляторах. Предположим, что это так. Хотя я с трудом могу представить предприятие, которое отправляет в переплавку остатки пластин, не пошедшие в производство АКБ предыдущей партии.

Еще наблюдение – пластины далеко не всех аккумуляторов привариваются к борнам на автоматической линии. Очень часто это делается вручную, особенно для АКБ большой емкости.

Для чего я это пишу? Только для того, чтобы Вы хорошо представляли, что получить идеально одинаковые во всем АКБ, даже одной партии, не реально. То есть мы получаем набор очень схожих по своим характеристикам изделий.

Разнородность данных изделий легко понять, если Вы промеряете внутреннее сопротивление (проводимость) аккумуляторов в линейке.

Во-вторых:

Очень часто, когда собирается аккумуляторная батарея на объекте Заказчика, редко производится полный цикл запуска ее в эксплуатацию. Я имею в виду процедуру контроля емкости и напряжения на каждом элементе батареи.

Если Вы думаете, что это не важно, то я Вас разочарую. В процессе поставки, время от производства АКБ до запуска в эксплуатацию иногда достигает года и более. Так как в любом аккумуляторе происходят процессы саморазряда, то не факт, что все АКБ доедут до заказчика с одинаковой емкостью (учитывая неоднородность изготовления каждого АКБ).

Итак, учитывая первый и второй факт, при запуске в эксплуатацию батареи, мы получаем линейку неоднородных изделий (АКБ) с разным зарядом (емкостью).

Начнем разбираться теперь с процессами, которые происходят в последовательной линейке аккумуляторов в процессе эксплуатации.

Давайте, для упрощения наших наблюдений, конкретизируем ситуацию:

1. мы имеем линейку АКБ из 62 АКБ;
2. напряжение каждого 12В (номинал);
3. аккумуляторы подключены в последовательную цепочку;
4. в цепочке у нас присутствует один АКБ, заряженный на 50% от номинальной емкости.

Теперь взглянем на то, что будет происходить с цепочкой во время работы оборудования.

Так как мы знаем, что в случае низкого напряжения на цепочке батарей, нам необходимо зарядить батареи до 14,4В на элемент (я рассматриваю в данный момент общий случай, для VRLA многие производители рекомендуют напряжение 14,7В на элемент), оборудование включит режим заряда АКБ (на некотором оборудовании этот режим включается вручную).

Взглянем на схему заряда АКБ постоянным напряжением:

Догнав напряжение до 911,4В (14,4В на элемент), наш ИБП будет держать его в течении 10 часов, а потом уйдет в режим поддержания заряда (буферный 13,7В на элемент).

Мы знаем, что в цепи последовательно соединенных компонентов протекает ток, равный минимальному проходящему через один из элементов цепочки. Так как в нашем случае все АКБ заряжены и напряжение на них распределится как 14,4В – 13,0В = 1,4В на оставшийся 61 элемент распределится по 1,4/61 = 0,023В. Ток через все элементы пойдет 0,05СА от номинала. Соответственно и через наш АКБ, который был не заряжен, пойдет ток 0,05СА. Так как мы знаем, что условием заряда аккумулятора является ток, проходящий через него, то соответственно и за 10 часов работы нашего ИБП на заряд аккумуляторной батареи данный аккумулятор не зарядится.

Итак, после перехода ИБП в буферный режим, на шине постоянного тока у нас, для поддержания заряда АКБ напряжение упадет до 13,7В * 62В = 849,4В. Токи, проходящие через цепочку АКБ упадут. На незаряженном элементе, который так и не зарядился в процессе зарядки батареи, ток заряда так и не появится, а наоборот появится баланс между током заряда и током саморазряда аккумулятора. И в таком состоянии элемент может простоять и год, и два и т.д.

Теперь предположим, что через год мы решили проверить состояние наших АКБ. Используя любой метод, который изложен в начале данной статьи, мы получаем, что один АКБ в нашей цепочке неисправен, и его выкидываем. Хотя, в случае, когда у нас не было срабатываний по перебоям питания, данный АКБ абсолютно исправен, только не заряжен.

Да, в процессе эксплуатации, если была глубокая просадка батареи, АКБ скорее всего придёт в негодность, так как изначально был его недозаряд. Как же избежать таких ситуаций и как проверять состояние всех элементов батареи?

Есть два способа:

1. Перед проверкой состояния всей цепочки необходимо зарядить каждый элемент батареи отдельным зарядным устройством постоянным током по схеме, представленной производителем;
2. Произвести балансировку емкостей аккумуляторной батареи целиком. Для этого существует специальное оборудование, которое позволяет выровнять емкости всей цепочки батарей.

Балансировочное оборудование возможно поставить на батарею на весь срок службы. Это очень актуально, когда Вы используете большие емкости. Вы сразу решаете несколько задач:

1. Емкость всего батарейного массива будет максимальна, то есть в цепочке не будут присутствовать недозаряженные элементы;
2. Вы увеличиваете срок эксплуатации всей Вашей батареи, так как недозаряд элементов в цепочке, в случае срабатывания системы на автономии, не приведет к просадке отдельных элементов ниже допустимого разряда (на 12В батареи — это напряжение 10,8В);
3. Вы всегда сможете точно оценить состояние каждого элемента способом контрольного разряда;

Если возможности поставить данное оборудование на цепочку АКБ нет, то рекомендуем не реже 1 раз в год проводить балансировку всего батарейного массива.

P.S. Если Вы в цепочке АКБ меняете часть элементов, то балансировка емкостей цепочки нужна обязательно.